復(fù)合材料在民用航空工業(yè)上的應(yīng)用

復(fù)合材料在民用航空工業(yè)上的應(yīng)用

與典型大學(xué)的合作2002年10月至11月，作者在美國北卡羅來納州首府羅利參加了2002年世界纖維協(xié)會（mc）。其中，纖維復(fù)合材料在航空運(yùn)用中的應(yīng)用也是該項目的主題之一。該項目的西伯利亞航空公司的斯科特卡拉赫（scott卡拉赫）在會議上發(fā)表了一份特別報告。會后參觀、訪問了北卡羅來納大學(xué)國家紡織實驗室(StateTextileLaboratory,NorthCarolinaStateUniversity)和土木工程系,阿拉巴馬大學(xué)材料工程系(DepartmentofMaterialsEngineering,UniversityofAlabama),喬治亞理工大學(xué)復(fù)合材料教育研究中心(Compo-siteEducationandResearchCenter,GeorgiaUniversityofTechnology)、材料科學(xué)與工程系和機(jī)械工程系等,與有關(guān)教授、專家和學(xué)者,討論、交換對碳纖維、復(fù)合材料與先進(jìn)材料技術(shù)現(xiàn)狀、應(yīng)用與發(fā)展的看法,有很大收獲。本文簡要介紹碳纖維復(fù)合材料在民用航空工業(yè)上的應(yīng)用,包括:從1960年代至今復(fù)合材料在世界上大型客機(jī)上的應(yīng)用、當(dāng)前最先進(jìn)和超大型客機(jī)的代表,美國波音公司B777和歐洲空中客車公司A380-800飛機(jī)上復(fù)合材料使用情況以及國外對復(fù)合材料在民用航空上應(yīng)用的看法等,供有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和專家們參考。1大型民用飛機(jī)的材料用量先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點,在飛機(jī)上采用先進(jìn)復(fù)合材料可以大幅度減輕機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量、改善氣動彈性,提高飛機(jī)的綜合性能,因此先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用不斷得到擴(kuò)大。根據(jù)美國復(fù)合材料制造商協(xié)會統(tǒng)計,2001年世界上飛機(jī)生產(chǎn)對碳纖維的需求量約為900-1000t。從大型民用飛機(jī)發(fā)展來看,美國波音公司第一代大型民用客機(jī)B707上沒有采用復(fù)合材料,復(fù)合材料的用量為0。第二代B747上復(fù)合材料的用量為2%-3%,已經(jīng)有了明顯的增長。B757和B767屬于第三代大型客機(jī),復(fù)合材料的用量增加到3%-5%。波音公司最新的B777第四代大型客機(jī),采用復(fù)合材料達(dá)到8-9t,占該機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的9%左右。歐洲空中客車公司生產(chǎn)的超大型客機(jī)A380-800可搭乘555名旅客,起飛質(zhì)量56t,復(fù)合材料的用量高達(dá)25%。從1960年DC-9飛機(jī)到2004年A380-800客機(jī),復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)上的用量根據(jù)美國宇航局(NASA)哈里斯(Harris,C.E.)和夏特(Shuart,M.J.)的統(tǒng)計詳見表1。由表1對復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用可得出如下結(jié)論:⑴世界上最大、最有影響生產(chǎn)大型民用飛機(jī)公司主要有美國波音公司、美國麥克唐納·道格拉斯公司(簡稱麥道公司)、美國洛克希德公司和歐洲空中客車公司,因麥道公司已被波音公司兼并,洛克希德公司已退出民用飛機(jī)市場,因此,復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用,實際上就是看美國波音公司和歐洲空中客車公司在大型民用飛機(jī)生產(chǎn)中采用復(fù)合材料的水平。⑵復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)上的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)上的用量不斷增長,從1960年DC9的用量不足1%,1980年代逐步增長到A310的10%左右,而到2003年復(fù)合材料在A380的用量高達(dá)25%。⑶復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)上的應(yīng)用已接近在先進(jìn)軍用飛機(jī)上的應(yīng)用水平。F22是當(dāng)前美國最先進(jìn)的軍用飛機(jī)之一,復(fù)合材料的用量在26%左右。而2003年歐洲空中客車公司生產(chǎn)的A380超大型客機(jī),復(fù)合材料的用量也高達(dá)25%,表明復(fù)合材料在先進(jìn)軍用飛機(jī)和先進(jìn)的大型民用客機(jī)上的用量已相當(dāng)。⑷歐洲在大型民用飛機(jī)上采用先進(jìn)復(fù)合材料量已大大高于美國。從表1可明顯地看出,歐洲空中客車公司生產(chǎn)的大型民用飛機(jī),其復(fù)合材料的應(yīng)用程度比美國要高得多。歐洲空中客車公司在1985年生產(chǎn)的A300-600,復(fù)合材料的用量已經(jīng)達(dá)到5%-6%,該公司生產(chǎn)的A320、A321、A322等復(fù)合材料的用量都達(dá)到或超過15%,而A380高達(dá)25%。美國波音公司在1990年生產(chǎn)的B747-400,復(fù)合材料的用量僅為~2%,1995年生產(chǎn)的B777是美國波音公司生產(chǎn)的大型民用飛機(jī)中采用復(fù)合材料最高的,復(fù)合材料的用量也只有~9%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同時期歐洲空中客車公司生產(chǎn)大型民用飛機(jī)復(fù)合材料的采用量。2碳纖維復(fù)合材料的制備美國波音公司的B777客機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料的比例達(dá)到9%,是該公司應(yīng)用復(fù)合材料比例最高的民機(jī)機(jī)種,在B777客機(jī)上,先進(jìn)復(fù)合材料主要應(yīng)用在飛機(jī)尾翼、襟翼、副翼、天線罩、整流罩、短艙和地板梁等構(gòu)件,具體包括:⑴垂直安定面翼盒;⑵平尾翼盒;⑶方向舵;⑷升降舵;⑸前后緣壁板;⑹地板梁70根;⑺外側(cè)副翼;⑻外側(cè)襟翼;⑼襟翼;⑽襟副翼;⑾整流包皮;⑿內(nèi)外側(cè)擾流板;⒀后緣壁板;⒁發(fā)動機(jī)短艙;⒂發(fā)動機(jī)支架整流罩;⒃前起落架艙門;⒄機(jī)身下主起落架艙門;⒅固定前緣;⒆雷達(dá)天線罩等。美國波音公司制備碳纖維復(fù)合材料的原材料主要采用日本東麗公司的產(chǎn)品,包括:T800H高強(qiáng)中模碳纖維、3900-2增韌環(huán)氧樹脂等,用T800H高強(qiáng)中模碳纖維增強(qiáng)3900-2增韌環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料T800H/3900-2,用于制造B777的主承力構(gòu)件。S-2玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂用于制作雷達(dá)天線罩。玻璃纖維和碳纖維混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹脂用作機(jī)身下主起落架艙門和固定前緣。美國波音公司認(rèn)為在波音系列客機(jī)中可以進(jìn)一步采用碳纖維復(fù)合材料的主要有:機(jī)翼結(jié)構(gòu)與蒙皮、機(jī)身(前、后、中)及其蒙皮、壓力艙等。是否在下一代新機(jī)種上采用碳纖維復(fù)合材料要有一系列因素決定,減重絕對不是唯一決定因素,成本才是重要因素,性能和價格要統(tǒng)一考慮。這里必須指出,性能和價格除了通常人們所說的飛機(jī)速度、航程、載重等以及原材料價格、制造成本、設(shè)備與折舊、工資等等外,還要包括操作性能與費(fèi)用、維護(hù)與費(fèi)用、市場與銷售費(fèi)用等,所有因素統(tǒng)一折衷平衡。所以全面的性能/價格比才是決定因素。為了促進(jìn)復(fù)合材料在民用客機(jī)上的應(yīng)用,一是要降低碳纖維復(fù)合材料成本;二是提高碳纖維復(fù)合材料制備效率;三是改進(jìn)大型復(fù)合材料構(gòu)件制備工藝技術(shù)。3其他玻纖/酚醛復(fù)合材料正在建造中的歐洲空中客車公司A380-800飛機(jī)長73m、高24.1m、翼展79.8m,在最經(jīng)濟(jì)有效的0.89M飛行速度下,航程1.4×10k4m。它是民航飛機(jī)中最先進(jìn)、最具代表性、也是采用復(fù)合材料比例最高的機(jī)種。A380-800飛機(jī)中先進(jìn)維復(fù)合材料用量高達(dá)30-35t,主要是碳/環(huán)氧復(fù)合材料,也包括GLARE(玻璃纖維增強(qiáng)鋁)和玻纖/環(huán)氧。此外,還有30t玻纖/酚醛復(fù)合材料,用于飛機(jī)的內(nèi)裝修。A380-800飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件分別由空中客車各分公司和合作伙伴完成?？罩锌蛙嚪▏止局圃熘袡C(jī)身,包括中翼盒、機(jī)頭和駕駛艙。BAE系統(tǒng)公司生產(chǎn)主機(jī)翼段?？罩锌蛙嚨聡止局圃鞕C(jī)身、前、后機(jī)翼(包括玻璃纖維增強(qiáng)鋁GLARE的組裝)、垂直尾翼和后壓力艙壁等?？罩锌蛙囄靼嘌婪止局圃旌髾C(jī)身、水平安定面、腹部整流裝置、方向舵和升降舵等。一些復(fù)合材料次承力構(gòu)件由歐洲、美國和日本等國轉(zhuǎn)包合同公司承擔(dān)。第一架A380-800的制造生產(chǎn)始于2002年1月23日,將最后于2004年在法國吐魯茲(Toulouse)組裝。A380-800的首飛亦將于2004年實施。A380-800飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的尺寸與其他同類飛機(jī)相比,無論長度或厚度都超過1倍,除了常規(guī)手工鋪層/壓力釜工藝外,A380-800飛機(jī)上采用一系列復(fù)合材料先進(jìn)制備技術(shù),包括:先進(jìn)纖維鋪放技術(shù)(AFP)、預(yù)浸帶自動鋪層技術(shù)(ATL)、樹脂膜浸滲技術(shù)(RFI)、樹脂傳遞模技術(shù)(RTM)、拉擠(Pultrusion)和熱塑性樹脂成型/焊接技術(shù)。A380-800飛機(jī)上采用的碳纖維、預(yù)浸料、樹脂等原材料詳見表2。4復(fù)合材料的原料總結(jié)歸納國外在民用飛機(jī)上應(yīng)用復(fù)合材料的經(jīng)驗和教訓(xùn),可得到以下的看法:⑴復(fù)合材料可有效降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量,改進(jìn)性能,因而隨著飛機(jī)設(shè)計的改進(jìn)和復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步,復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用比例在不斷擴(kuò)大。⑵復(fù)合材料當(dāng)前價格相應(yīng)較高,因此,復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用比例不是越高越好,存在價格/性能比問題。目前,應(yīng)用復(fù)合材料比例最高的民機(jī)是歐洲空中客車公司A380-800飛機(jī),復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的25%。以當(dāng)前復(fù)合材料的原材料價格和工藝技術(shù)水平來看,在民用飛機(jī)上的用量不宜超過此比例。⑶為了降低復(fù)合材料的價格,研究低成本復(fù)合材料技術(shù)對新一代的民用飛機(jī)非常必要,包括:低成本碳纖維制備技術(shù)、低成本復(fù)合材料制備和成型技術(shù)等。⑷碳纖維、碳布、預(yù)浸料和基體樹脂等復(fù)合材料的原材料一方面要求降低價格,另方面還要求保證必要的性能,不能用犧牲性能來換取價格的降低。必須從生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)方案、技術(shù)路線、產(chǎn)品質(zhì)量等方面