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从新材料、新工艺看飞机复合材料的发展

来源:Galleon航空资讯发表时间:2025-08-11 10:07:38浏览量:738

先进复合材料用量是衡量大型民用客机先进性的重要指标。近年来,各种机型的复合材料用量不断攀升。例如,波音和空客公司最先进的宽体客机机型(B787、A350)复合材料结构均超过了机体结构重量的50%。我国自主研发的宽体客机复合材料结构也将处于同一水平。当传统复合材料的使用达到如此高的占比后(复合材料机身、机翼等),航空复合材料的进一步发展成为了必须面对的问题!近年来,诸多新材料和新工艺的出现,不断推动先进复合材料向着高性能、高效率、低成本和可持续等方向发展,这将进一步提升民机复合材料的应用水平。

从新材料、新工艺看飞机复合材料的发展

航空复合材料应用情况 

目前复合材料用量最大的民用客机为空客公司的A350飞机,其复合材料用量为结构重量的53%,其次是波音公司的B787飞机,用量为50%。从结构上看,飞机的机身、机翼等主要结构都采用碳纤维复合材料制造,很多次承力部件,如方向舵、升降舵、襟翼、副翼等也均为复合材料结构。大型主承力零件全部使用高性能环氧基碳纤维复合材料,部分次承力零件应用了液体成型工艺、模压技术等非热压罐技术(如扰流板、窗框等)。总体上复合材料用量达到50%以上的水平,其中90%以上通过热压罐制造,选材则以高性能环氧碳纤维为主,部分为玻璃纤维增强。在产能方面,空客计划到2028年将A350的产量提升至每月12架,波音B787飞机的历史最高产量约为13架/月。

 以上机型的实践,将先进复合材料在民用航空的应用推向了新高度。复合材料零部件相关的设计、制造及验证等技术不断提高,在现有构型下接近了其使用极限。未来复合材料的使用将从量变转向质变发展,很多新材料、新工艺迅速发展成熟,将推动民机复合材料向更高水平发展。尤其在下一代机型上,这种趋势将更加凸显。 

复合材料液体成型技术 

随着商用飞机复合材料用量的提升,预浸料制造工艺复杂、复合材料热压罐工艺、装配过程成本高等问题愈加明显,为取代热压罐技术,自上世纪90年代直至2030年,欧美和俄罗斯逐步制定了一系列低成本复合材料制造技术的研发计划,如复合材料经济可承受计划(CAI)、先进复合材料技术计划(ACT)、飞机效能计划(ACEE)、先进亚音速技术计划(AST)、先进低成本机体结构计划(ALCAS)、近期商业目标与对象的技术应用计划(TANGO)等。其间涌现了多种液体成型技术,形成了树脂传递模塑成型(RTM)、真空辅助树脂灌注(VARI)、树脂膜熔渗(RFI)等现代液体成型工艺。目前,复合材料液体成型技术已经成为主要的树脂基复合材料非热压罐制造技术,并逐渐在国内外航空航天领域中获得了应用。近年来,随着工艺过程自动化程度的提高和相关原材料的性能提升(如更高性能的碳纤维材料、高韧性的环氧树脂等),该技术正快速向部分主承力结构(如A220、MC-21机翼结构)推广应用。

从新材料、新工艺看飞机复合材料的发展

传统的低成本液体成型技术主要采用手工铺放织物,并结合树脂灌注方式来实现零件的制造,该工艺已成功应用于B787的襟翼及活动板、A350、A380的龙骨梁角片、国内某型飞机的缝翼、梁、窗框及舱门等零件制造。液体成型工艺的应用,大大降低了上述复杂结构零件的制造成本和装配要求。

随着材料技术和工艺技术的发展,液体成型制造的复合材料正快速从小尺寸次承力结构向大尺寸主承力结构应用延伸。

借助装备和自动化技术的发展,如大型可加热模具、干纤维自动铺放技术等,液体成型复合材料结构尺寸不断突破,由早期的采用RTM工艺制造小尺寸制件向大型尺寸结构发展,如借助自动设备和辅助VARI成型,庞巴迪C系列飞机和俄罗斯MC-21飞机液体成型机翼零件尺寸达到了16米以上。

同时,该工艺也从次承力结构不断向主承力结构延伸。早期的液体成型复合材料主要应用于舱门、活动翼面和整流罩等次承力或不承力结构,如今正逐步向起落架、机翼、翼梁和机身等绝对主承力结构应用拓展,如B787起落架撑杆、MC-21机翼与翼梁等,西班牙的MTorres公司甚至通过干纤维铺放VARI成型工艺尝试制造了通用飞机整体化复合材料机身。

以上主承力结构应用的实现,也得益于液体成型复合材料的综合性能不断提升,其性能逐步向预浸料热压罐复合材料性能靠近。通过纤维材料和环氧树脂性能的不断提升,之前作为液体成型复合材料的性能短板之一的冲击后压缩强度(CAI)已经达到了新一代预浸料热压罐复合材料的水平。如由Hexcel公司的HiTape®和Cytec公司DryTape®干纤维制备的液体成型复合材料,其CAI值甚至超过300MPa。

由于液体成型工艺不需要预浸料、可整体成型、不需要热压罐等特点,在制造成本上存在明显的优势。随着自动化程度的提高、工艺仿真技术的进步,其产品一致性和可靠性将不断提升。未来可望实现大尺寸、主承力结构的大规模应用和批产。

热塑性复合材料技术

航空热塑性复合材料及其应用技术近年来发展迅速。与环氧树脂基复合材料等热固性复合材料相比,其自身具有韧性高、阻燃性好、耐湿热、方便回收利用等突出优点。加工制造方面,热塑性复合材料可选择多种非热压罐制造工艺,如模压成型、拉挤成型、原位固结等。同时,其成型周期短(无化学反应固化过程),这也使得原材料不需要昂贵的低温运输和保存。因此热塑性复合材料可以在成本降低的同时,依然保持较高的生产效率。

从新材料、新工艺看飞机复合材料的发展

欧盟开展的“洁净天空”计划中,尝试采用热塑性复合材料制造下一代窄体客机的机身结构。其目标为较现有的铝合金结构,减重20%以上,并实现月产100架,以期在不降低生产效率的条件下,提升窄体客机的先进性。

目前,该项目完成了热塑性复合材料机身整体筒段的制造和装配。制造过程中验证了多项工艺技术。如机身蒙皮采用热塑性预浸料原位固结工艺和热压罐成型,长桁、框、角片等采用模压、冲压工艺制造。地板梁采用了预浸料自动铺放与热压罐成型工艺等。

同时,由于使用了热塑性复合材料,使得零件之间的焊接成为可能。这降低了复合材料制孔的需求,避免大量使用紧固件。减重的同时提升了装配连接效率。在机身壁板制造中,大量使用热塑性复合材料的焊接技术。其中长桁与蒙皮的连接采用超声波焊接,框与机身连接采用电阻焊接技术,上下机身壁板的装配中创新性采用了激光焊接技术。以上焊接技术的应用为复合材料零件的连接和装配提供了新的选项。

美国NASALangley研究中心主导的TheHi-RateCompositeAircraftManufacturing(HiCAM)研究计划中,同样将航空热塑性复合材料制造技术列为重点研究项目。其主要集中在热塑性复合材料成型技术、装配技术和自动铺丝技术3个方面。HiCAM项目总目标为通过对热塑性复合材料在内的多项高效率制造技术的开发,实现整机复合材料生产效率60~80架份/月的目标,同时制造成本下降30%~50%。

随着航空产业对制造效率需求的牵引,热塑性预浸料及相关技术的不断进步。凭借可重复加工、制造工艺灵活的特点,其正在推动航空复合材料的低成本、高效率制造和可持续发展。目前,热塑性复合材料及其相关技术已经成为发展最快的方向之一,研究应用工作持续升温,创新成果也不断涌现。在下一代机型上的大规模应用也在持续酝酿,必将成为未来航空先进复合材料应用的重要增长驱动。

绿色复合材料技术

复合材料及其制品绿色化,是推动复合材料可持续发展的重要手段。具体为采用可循环、天然的原材料研制复合材料,并应用于民用飞机的结构制造(尤其是内饰结构)。随着复合材料在民用飞机上的应用比例不断提高,复合材料的大规模应用带来了资源回收利用及环境影响等新的问题。在2013年欧盟政府启动其最大的科研创新框架计划《地平线2020(Horizon2020)》中,“可持续发展与天然资源”在5个重点资助领域排名第二,其中就包括绿色航空复合材料。我国“十三五”规划纲要和《中国制造2025》规划中,也多处提出“绿色制造”概念和指标,开发“航空绿色复合材料”已经成为当前世界各国关注和研究的热点。

目前绿色复合材料多处于研发验证阶段,主要采用可降解的高分子材料、来自植物资源的生物质树脂、植物纤维材料、绿色纸蜂窝材料等来制备性能相当但更环保的复合材料,同时开展提高复合材料的可加工性、阻燃性及力学性能等研究。绿色复合材料的研发和应用对促进扩大内饰结构复合材料应用、推动航空复合材料可持续发展具有不可替代的作用。

预浸料新产品

随着材料技术的进步,更强的纤维材料、性能更加优异的高分子树脂使得复合材料的性能不断提升。美国赫氏公司首先推出了IM10碳纤维,其拉伸强度接近7000MPa,模量突破了300GPa。随后东丽公司于2021年推出T1100/3960预浸料系统,其中碳纤维T1100的拉伸强度达到7000MPa,模量为324GPa。3960树脂为高温固化的高韧性环氧树脂,该预浸料可使用非热压罐固化成型。这意味着更低的制造成本和更轻的复合材料结构重量。

从新材料、新工艺看飞机复合材料的发展

东丽先进复合材料(Torayadvancedcomposites)近期推出了用于夹层结构的聚醚砜基碳纤维预浸料TC1130,其与蜂窝具有良好的粘接性能,解决了热塑性复合材料粘接强度低的问题,可广泛应用于航空内饰结构。这使得蜂窝夹层结构的制造更加方便,产品更加耐用。

性能更加优异、功能更加丰富的新材料不但拓宽了航空复合材料的应用范围,也使得现有零件的性能不断提升,复合材料结构的应用将会获得更大的收益!

结语

回顾商用飞机发展的历史,复合材料的应用技术和水平不断提升,复合材料的创新发展也日新月异!下一代飞机的复合材料水平必定会达到一个更新的高度。新材料、新工艺的不断成熟与应用有力推动了商用飞机复合材料的高水平发展。其中液体成型技术、热塑性复合材料、绿色环保复合材料和性能更优异的预浸料新产品等是重要的技术发展方向,具有重大产业价值。国内需加大对上述技术的投入和布局,为商用飞机复合材料的高水平应用和发展提供技术和政策保障,更好地面对未来的挑战和机遇!

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关键词: 先进复合材料 民航客机

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