碳纤维复合材料

李东升

搞飞机的圈子里有这么一句话，“一代材料，一代飞机”。隨着材料技术的不断发展，飞机的产品性能也在逐渐提高。20世纪初，飞机常用的材料是帆布和木头。到了20世纪四五十年代，飞机基本上都是用铝合金，后来还用上了钛合金等先进材料。

碳纤维复合材料作为一种新材料，先是用在飞机的次承力结构上，慢慢发展到主承力结构，用量也是由少到多。无论是波音还是空客，主制造商们都经历了逐渐扩大复合材料用量的过程。

从0%到50%

以空客为例，复合材料最早应用于A320水平尾翼、垂直尾翼，后来还应用于A400M大型军用运输机机翼。进入21世纪后，A380碳纤维复合材料占比达到了25%，主要应用于中央翼和尾翼，另外，A380的机身蒙皮使用了纤维金属层压板（GLARE层板）。

波音较大规模地应用复合材料的标志是777尾翼，787是波音第一款大规模运用复合材料的飞机，其机身、机翼和尾翼等主结构都用了复合材料，复合材料占结构重量的比例达到了50%，因此787也被戏称为“塑料飞机”。

在波音的压力下，空客A350几易方案，大量地增加复合材料的应用，最终把复合材料的占比增加到52%左右。

国内复合材料的使用也是一个渐进的过程。ARJ21新支线飞机复合材料用量为2%左右，主要应用于方向舵和翼梢小翼等部位。C919大型客机达到了11%～12%的水平，飞机尾翼、后压力框之后基本上都是复合材料。CR929远程宽体客机复合材料用量将占50%，与空客A350和波音787属于同一个量级。

飞机先进性的标志之一

现在谈到一款飞机，搞结构的、搞材料的人首先会问：用了多少复合材料？复合材料的用量已经成为衡量一款飞机先进性的重要标志之一。那么，到底什么是复合材料呢？

业界对复合材料有一个定义，就是由2种或2种以上的材料，经过一定的复合工艺而形成的一种新型材料。复合材料的特点在于，它那2到3种组份材料的结合是一种物理结合，而不是化学结合，是保留了各自的物理特性的。但在整体上，它又是一种新的材料，会有新的特质。

复合材料种类很多，可以按纤维品种分类，也可以基体的品种分类，还可以按纤维的存在形式分类等。我们在飞机上用得最多的就是碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）。

既然复合材料如此受欢迎，它究竟有哪些优点呢？与传统金属相比，复合材料最大的优势在于它重量轻、强度高、刚度高。复合材料的密度仅相当于钢的1/4、铝合金的60%，所以，在飞机上使用复合材料，很大的一个动机是减重。

从性能上看，复合材料有三大优点：一是抗疲劳性能好，二是耐腐蚀性能好，三是可设计性强。我们可以按任意的铺层比例和铺层方法去设计我们要的材料。比如说有些航天器上用的复合材料，需要体积随温度变化越小越好，这就可以通过比例和材料的组合，实现零热胀率。

最后，复合材料还有非常重要的一个优点，就是可以实现整体成形，从而降低制造成本。

从乘客的角度来说，复合材料给我们带来的好处主要是舒适性。如果你去波音参观787的生产线，他们就会给你讲，复合材料做的机体，可以提高舱压，从而给乘客带来更高的舒适性。

一般情况下，常规的金属飞机舱压保持在海拔2400米左右的高度，相当于在高原上的感觉，乘客肯定感觉不舒服。

由于机身主要承受拉力，而复合材料抗拉性能好，因而可以增加舱压，降到海拔1800米左右的压力。乘客坐在里边，感觉就舒服多了。

此外，金属对腐蚀敏感，如果机舱里边湿气大的话，客舱壁上会形成一些水珠，从而造成金属腐蚀。复合材料耐腐蚀性强，可以把湿度提高，乘客的感受当然也更好些。

缺点也不少

复合材料优点多多，但缺点也不少。复合材料由2种或2种以上材料组成，并且材料和结构是同时形成的。这一点跟传统金属材料很不一样。

金属材料的性能是固定的，做零件时只需要对金属材料进行加工就成，但复合材料不行，在制造之前它是散的，纤维是纤维，树脂是树脂。

制造复合材料零件的过程包括原材料选择、工艺选择、工艺控制以及结构设计。这个过程中，任何一个环节出现问题，都会影响产品件的性能，所以这是一件令人头疼的事，我们要想办法对付它。

复合材料对冲击敏感也是一个大问题。因为它是一层一层铺的，怕冲击，沿着厚度方向的载荷都会造成内部损伤、内部分层。

此外，复合材料导电性差。金属材料遭受雷击可以将电流扩散到更大的范围，但复合材料就扩散不出去，会在局部造成损伤。

复合材料还对环境敏感。在湿热的环境里，复合材料会吸湿，吸湿以后性能就降下来了。复合材料的热膨胀系数跟金属不一样，所以需要考虑热应力的影响。最后，复合材料的成本目前还是比较高的，这也是需要考虑的因素。

如何用好复合材料

面对“个性”如此鲜明的复合材料，我们怎么才能用好它呢？在应用复合材料的过程中，从设计到制造有一系列需要考虑的因素，先讲三个方面：一是设计-制造-维修一体化;二是损伤容限理念;三是自动化制造。

所谓设计-制造-维修一体化，首先要保证设计出来的件可制造，能造出来。这个说说很简单，但是要实施起来却真不容易，要充分考虑复合材料的特点，结合现在工艺的水平、国内基础设施的水平、工艺的掌握程度等等。这是一个很大的题目，也是我们业界在应用复合材料时整天挂在嘴边的一句话，真正是说起来容易做起来难。

其次是要能维修。产品造出来，还必须能够检测，能够维修，这也有诸多因素需要考虑。比如飞机机翼，服役时要有检测计划，人要进入机翼里定期检查，需要保证关键部位一定能够检查得到，万一出了问题能够修理。

这是我们现在容易忽略的问题，我们往往只想到制造，还没想到更远的，但是飞机交出去以后，客户用的时候，一定要让它好用、好检、好修，这是非常重要的一个方面。所有的设计，都需要把修理方案考虑周全，使强度能恢复到损伤以前的水平。

设计-制造-维修一體化需要有一个组织模式来保证，即：IPT工作模式。IPT是综合性的技术团队，这就是经常提及的“并行工程”的理念。IPT工作模式可以让整个团队包括制造、装配、维护检测等各个专业人员，与设计人员一道开展设计，从而保证设计-制造-维修的一体化。

第二，损伤容限理念也非常重要。早期的飞机结构设计是按静强度、刚度进行设计的，不考虑疲劳，不考虑损伤，更不考虑检测。后来经过诸如“慧星”号的事故，迫使飞机结构设计引入了疲劳设计概念。

20世纪70年代又出现了“破损-安全”设计理念。飞机的结构不再是单承载路径，这个地方坏了，载荷可以分配到其他地方，仍然可以承载，飞机仍然可以飞，这是保证飞机安全性能非常重要的手段。

在这个基础上，航空界实现了现在的损伤容限设计。这完全是一个新的体系，是一种新的设计理念，也是现在常用的一个设计理念。损伤容限设计的前提是允许在飞机的结构当中存在缺陷和损伤。当然这需要通过科学的设计、分析和检测计划，考虑诸多因素，包括冲击源、冲击损伤，检测手段、检测方法、检测间隔等，还需要用概率计算的方法来确保结构失效的概率不能超过“10的负九次方”。

解决了复合材料应用过程中的设计理念之后，我们还需要解决自动化制造技术的难题。在中国航空制造界，自动化制造技术是急需解决的问题。只有通过自动化的专业手段，我们才能真正保证质量，提高生产效率。目前，常用的自动化手段包括自动铺带、自动铺丝、自动钻孔和自动检测等技术，我们已取得了一些成就，但发展空间还很大。

未来的发展

在飞机制造中，复合材料越来越多地取代传统金属材料，已经是大势所趋。那么，在未来的应用中，复合材料还能给我们带来哪些惊喜呢？

在设计理念上，到目前为止，飞机结构设计仍然沿用金属的设计理念，复合材料还有很多潜力没有发挥出来。这有待于我们真正充分考虑复材的特点，真正放开思维，不受目前设计概念的限制，开发出一些真正发挥复合材料优势的设计理念来。

在制造技术的发展上，我们希望，首先是更多地采用整体成型技术。飞机零件越少，质量管理就越容易，不容易出错，生产效率也越高。其次是更多地采用低成本工艺，包括液体成型工艺、非热压罐工艺等。制造工艺的成本越低，自然飞机的成本也就越低。最后是更多地应用新材料、新工艺和新技术，如结构—功能材料、绿色环保材料。这些都是复合材料应用面临的课题。