大飛機復(fù)合材料新技術(shù)

1、新一代大型客機的概念新一代大型客機的概念新一代大型客機主要指:上世紀90年代開始研發(fā)，本世紀初使用的效率（Efficiency）經(jīng)濟（Economics）超凡的乘座舒適和便利（Extraordinary comfort and convenience）環(huán)保（Environmental）4E綜合性能比當前航線使用的客機有很大提高的大型商用運輸機。新一代大型客機的研發(fā)新一代大型客機的研發(fā)空中客車公司空中客車公司波音公司波音公司強調(diào)航空樞紐間的交通對整個市場的重要性研發(fā)雙層客艙480650座，超大型客機A380（2005年首飛） 作為與波音787抗衡，2005年5月宣布研發(fā)250座級客機A350（預(yù)

2、計2010年投入運營）曾嘗試研發(fā)500座級超大型客機波音763-246C（1999年公布）和音速巡航客機（2001年公布），但市場調(diào)查結(jié)果表明：機場間點對點運輸市場潛力巨大。因此，改變計劃，研發(fā)具有超凡的乘座舒適和便利的人性化設(shè)計的200300座波音7E7即波音787（2007年首飛）2006-2025年全世界大中型民用客機需求量預(yù)測年全世界大中型民用客機需求量預(yù)測國外大型客機發(fā)展趨勢國外大型客機發(fā)展趨勢未來二、三十年內(nèi)大型客機在總體布局上與當代飛機不未來二、三十年內(nèi)大型客機在總體布局上與當代飛機不會有很大差別，但在綜合性能方面將有很大的提高。會有很大差別，但在綜合性能方面將有很大的提高。飛機

3、安全性提高飛機安全性提高10倍，即事故率降低到現(xiàn)在的倍，即事故率降低到現(xiàn)在的1/10；經(jīng)濟性提高一倍，即運輸成本降低經(jīng)濟性提高一倍，即運輸成本降低50%；廢氣排放減少到現(xiàn)在的廢氣排放減少到現(xiàn)在的1/51/3；噪聲減少到現(xiàn)在的噪聲減少到現(xiàn)在的1/41/2；研制周期縮短研制周期縮短30%，研制費用降低，研制費用降低35%，制造成本減少，制造成本減少30%；飛機的阻力水平降低飛機的阻力水平降低10%20%，巡航效率增加，巡航效率增加30%。歐美國家的大型客機制造商正在發(fā)展新一代大型客機，其中歐美國家的大型客機制造商正在發(fā)展新一代大型客機，其中包括波音包括波音787、A350及波音及波音737和和A3

4、20的后繼機，這些飛機的后繼機，這些飛機的技術(shù)水平同當前服役的飛機相比性能水平有了較大提高。的技術(shù)水平同當前服役的飛機相比性能水平有了較大提高。國外大型客機發(fā)展趨勢（續(xù)）國外大型客機發(fā)展趨勢（續(xù)）波音波音787787、A350A350飛機性能改進飛機性能改進與同級別的其他飛機相比，節(jié)省與同級別的其他飛機相比，節(jié)省15% 20%的燃油的燃油排放比類似飛機減少排放比類似飛機減少20%左右左右起降噪聲更小，如起降噪聲更小，如A350對機場附對機場附近居民的噪聲影響減少了近居民的噪聲影響減少了60%座公里成本降低座公里成本降低10%左右左右采用智能化航電系統(tǒng)，使飛機使采用智能化航電系統(tǒng)，使飛機使用安全

5、可靠有顯著的提高用安全可靠有顯著的提高波音波音737737、A320A320后繼機性能改進后繼機性能改進綜合使用性能將比現(xiàn)在服役的綜合使用性能將比現(xiàn)在服役的波音波音737和和A320高高15%20%全復(fù)合材料主機身和機翼結(jié)構(gòu)全復(fù)合材料主機身和機翼結(jié)構(gòu)電傳操縱、多電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電傳操縱、多電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)視景增強系統(tǒng)視景增強系統(tǒng)-綜合航空電子系綜合航空電子系統(tǒng)統(tǒng)復(fù)合材料（纖維增強聚合物基復(fù)合材料）在大型 民機機體結(jié)構(gòu)上大量應(yīng)用是現(xiàn)代大型民機顯著特點 之一；復(fù)合材料已成為現(xiàn)代大型民機首要結(jié)構(gòu)材料，結(jié) 束了鋁合金為主的機體結(jié)構(gòu)選材時代。 大型客機復(fù)合材料用量隨年度變化大型客機復(fù)合材料用量隨年度變化新一代大型客

6、機機體結(jié)構(gòu)材料使用比例新一代大型客機機體結(jié)構(gòu)材料使用比例 （重量百分比）（重量百分比）機型復(fù)合材料鋁合金鈦合金合金鋼其他材料A380（2005-04-27首飛）CFRP 22GLARE 361104波音787（2007-07-08下線）CFRP 45CFPR 52015105A350XWB(正在研發(fā))53191468飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù) 20世紀60年代以硼/環(huán)氧為代表，先進復(fù)合材料問世，源于軍機結(jié)構(gòu)減重需求。 技術(shù)發(fā)展水平現(xiàn)狀以戰(zhàn)斗機、轟炸機上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用為代表。 技術(shù)成熟程度以干線客機（運輸類飛機）上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用為標志。 大量移植采用軍機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)是民機復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的顯著

7、特點之一。飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)構(gòu)試用與航空工業(yè)認可結(jié)構(gòu)試用與航空工業(yè)認可(20世紀60年代70年代中)復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)用與航空工業(yè)認可在F-14、F-15和F-16尾翼上完成。建立規(guī)范：MIL HDBK-17A聚合物基復(fù)合材料，用于指導(dǎo)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計選材和材料性能許用值確定。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究（復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究（70年代中年代中80年代）年代）軍 機民 機 F-18復(fù)合材料機翼研制（1987）和AV-8B復(fù)合材料前機身、機翼研制（1982）用于研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性。 X-29前掠翼驗證機氣動彈性剪裁技術(shù)研究（1984.12首飛）。1982年10月1987年3月空軍執(zhí)行“復(fù)

8、合材料飛機主結(jié)構(gòu)損傷容限研究”計劃，解決特殊的低能量沖擊問題。B-2轟炸機大型整體壁板翼身融合體研究（1989）NASA RP 1142（1985）公布MIL HDBK-17B（1988.2）公布MIL A-87221（USAF）1985.2公布NASA（19761985）主持ACEE計劃（Advanced Composite Energy Efficiency，飛機節(jié)能計劃），結(jié)構(gòu)減重、節(jié)省燃油、增加商載，突破尾翼級復(fù)合材料應(yīng)用。FAA AC 20-107復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)（1978.7）公布用于指導(dǎo)民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計。不久，F(xiàn)AA AC 20-107A（1984.4）公布復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技

9、術(shù)研究（復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究（80年代中年代中90年代）年代）軍 機民 機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用已從為了結(jié)構(gòu)減重擴大到提高飛機綜合性能，代表機型為F-22。機翼整體蒙皮壁板、前掠翼壁板、翼身融合體、機身主承力框和梁、S進氣道、水平尾翼樞軸等主承力結(jié)構(gòu)件裝機厚板結(jié)構(gòu)、大型整體結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料/金屬混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造、驗證技術(shù)特點明顯。建立規(guī)范：JSSG 2006（1998.10） MIL HDBK-17F（2002.6）NASA首先實施了ATCAS計劃（先進技術(shù)復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)計劃）19881998年NASA主持實施了ACT計劃（Advanced Composite Technology），先進復(fù)

10、合材料技術(shù)計劃）。目的在于突破高損傷容限復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，并降低成本，為運輸類飛機機翼、機身大量應(yīng)用復(fù)合材料提供技術(shù)支持。要求減重30%50%，成本降低20%30%。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究（復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究（90年代年代 今）今）軍軍 機機民民 機機復(fù)合材料在飛機主承力結(jié)構(gòu)上的成功應(yīng)用，降低成本要求提上日程，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有高性價比，“可買得起”（即可買得起，又用得起）。F-35首次將“可買得起”列為飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計重要指標，要求最佳性能與最低成本之間作出折衷和平衡。1996年國防部聯(lián)合NASA、FAA和航空工業(yè)界執(zhí)行CAI計劃（Composite Afford

11、ability Initiative，低成本復(fù)合材料計劃）。用大約10年時間，實現(xiàn)復(fù)合材料生產(chǎn)成本下降50%，能與鋁合金等金屬材料結(jié)構(gòu)相競爭。 重點研究：結(jié)構(gòu)設(shè)計/制造一體化、結(jié)構(gòu)大型整體化、纖維鋪放（AFP）、自動鋪帶（ATL）、預(yù)制體/RFI、RTM等工藝技術(shù)和低成本修理技術(shù)。DMAPS（Desiga for Manufacturing and Producbility Simulation，設(shè)計、制造、生產(chǎn)一體化仿真）以實現(xiàn)“異地設(shè)計、異地制造”。 縱觀40年來先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)歷程，美國航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)始終處于領(lǐng)先地位。歐洲則在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用中顯示出技術(shù)亮點。飛機結(jié)構(gòu)復(fù)

12、合材料體系建立與完善1985年NASA發(fā)布RP 1142碳纖維/熱固型韌性樹脂復(fù)合材料標準規(guī)范（第1個復(fù)合材料標準規(guī)范）碳纖維基準型纖維（以T300為代表）中模量，高強度型纖維（以T800為代表）拉伸強度較高的S型纖維（以T700G為代表）。樹指基體熱固性樹脂基體為主新工藝發(fā)展專用樹脂（如RFI樹脂、RTM樹脂）。飛機結(jié)構(gòu)常用樹脂基體分類表飛機結(jié)構(gòu)常用樹脂基體分類表樹脂基體環(huán)氧雙馬固化溫度/120180180185+高溫后處理使用溫度/8080100120120150CAI/MPa340280230180180主要應(yīng)用次承力結(jié)構(gòu)民機 直升機大型運輸機戰(zhàn)斗機戰(zhàn)斗機適合民機主結(jié)構(gòu)應(yīng)用的新一代復(fù)合材

13、料民機結(jié)構(gòu)用碳纖維拉伸強度和彈性模量示圖 與中模量碳纖維相匹配的高溫固化增韌樹脂包括改性環(huán)氧、改性雙馬來酰亞胺及高性能熱塑性樹脂；大型民機和運輸機使用較多的是增韌改性環(huán)氧樹脂，如3900-2、997-2、M21、8551-7等。民機用復(fù)合材料現(xiàn)狀分析 a使用的碳纖維基本上限定了供應(yīng)商和產(chǎn)品。 中模高強碳纖維的供應(yīng)商和主要產(chǎn)品有： 東麗公司的T800H-12K和T800S-24K； Hexcel公司的IM7-12K； 東邦公司的IM400/600即IMS-24K； 三菱人造絲公司的MR50。 高強碳纖維的供應(yīng)商和主要產(chǎn)品有： 東麗公司的T300-6K或12K；T700G（織物為主） 東邦公司的H

14、TS-12K；HTA-6K （美國波音公司和歐洲空中客車公司）民機用復(fù)合材料現(xiàn)狀分析b.使用的預(yù)浸料基本上限定了主要供應(yīng)商和產(chǎn)品。 預(yù)浸料主要供應(yīng)商有： 東麗公司（產(chǎn)品為3900-2，3911系列預(yù)浸料） Hexcel公司（產(chǎn)品為M21、8551-7系列預(yù)浸料） Cytec公司（產(chǎn)品為977-2系列預(yù)浸料）；c.單向帶用量已大大超過編織物。 據(jù)資料介紹，波音787結(jié)構(gòu)件中70%采用單向帶/自 動纖維鋪放制造；d.各種新工藝技術(shù)已推廣應(yīng)用。 主要有，纖維自動鋪放、NFCMVI、RFI等。民機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料特點分析民機結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料特點分析纖維類型基準型碳纖維中模高強型碳纖維高強碳纖維T300T8

15、00HT800SIM600T700G3K、6K、12K6K、12K24K12K，24K12K拉伸彈性模量/GPa230294294285230拉伸強度/MPa35305490588057904900斷裂伸長率/1%1.51.92.02.02.1線密度/g/1000m198，396，800223，4451032800密度/g/cm31.761.811.801.81.8直徑/m77557纖維質(zhì)量符合的材料標準BMS9-8（自1980年起）BMS9-17（自1989年起）BMS9-17BMS9-22BMS9-223環(huán)氧預(yù)浸料符合的材料標準BMS8-256T300/環(huán)氧BMS8-276T800H/增韌

16、環(huán)氧T800S/增韌環(huán)氧IM600/增韌環(huán)氧BMS8-276織物預(yù)浸料典型復(fù)合材料T300/5208T800H/3900-2 T800S/M21IM600 / M21CAI（67J/cm）/MPa120140320340設(shè)計許用應(yīng)變/%0.30.350.40.450.40.45主要應(yīng)用次承力結(jié)構(gòu)主承力結(jié)構(gòu)主承力結(jié)構(gòu)主承力結(jié)構(gòu)次承力構(gòu)件B747，B767B777B777，B787B787，A380A380B777，B787A380A380、波音、波音787結(jié)構(gòu)設(shè)計選材結(jié)構(gòu)設(shè)計選材部件纖維基體樹脂成型工藝水平安定面垂直安定面中機身翼盒T800S/24K（東麗）IM600/24K（東邦）Hexply

17、 M21Cytec 977-2預(yù)浸料/熱壓罐后機身蒙皮AS4Hexply 8552纖維鋪放后壓力艙蓋無皺多向碳布RFI專用樹脂預(yù)制體/RFI 波音波音787結(jié)構(gòu)設(shè)計選材結(jié)構(gòu)設(shè)計選材選用波音選用波音777所用材料如所用材料如 T800H/3900-2等和成熟工藝技術(shù)等和成熟工藝技術(shù)。 A380結(jié)構(gòu)設(shè)計選材結(jié)構(gòu)設(shè)計選材波音787中央翼盒A350中央翼盒波音787機身結(jié)構(gòu)布局B787艙門周邊補強艙門周邊補強機身開口結(jié)構(gòu)設(shè)計與補強機身開口結(jié)構(gòu)設(shè)計與補強A350機身結(jié)構(gòu)布局空客A350XWB波音787段位長度/米接頭位置段位長度/米接頭位置機 頭(鋁合金件)(機頭對接接頭)前對接接頭后對接接頭(尾錐對接接頭)41段13.741前對接接頭(中對接接頭2個)后對接接頭(尾錐對接接頭)前機身13段18.517中機身18段18.51743段44/45段46段7.0108.53410.058后機身15段18.51747段6.934尾 錐(復(fù)合材料)48段9.626A350XWB飛機多功能的機-電一體化設(shè)計方案。 (1)A380復(fù)合材料外翼復(fù)合材料外翼NCFMVI成形工藝成形工藝機翼制造新技術(shù)、新工藝NCF/MVI成型工藝示意圖成型工藝示意圖機翼制造新技術(shù)、新工藝(1) A380復(fù)合材料外翼復(fù)合材料外翼NCFMVI成形工藝成形工藝A380