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作者：楊洋 袁宇慧
航空復(fù)合材料應(yīng)用情況
目前復(fù)合材料用量最大的民用客機為空客公司的A350飛機，其復(fù)合材料用量為結(jié)構(gòu)重量的53%，其次是波音公司的B787飛機，用量為50%。從結(jié)構(gòu)上看，飛機的機身、機翼等主要結(jié)構(gòu)都采用碳纖維復(fù)合材料制造，很多次承力部件，如方向舵、升降舵、襟翼、副翼等也均為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。大型主承力零件全部使用高性能環(huán)氧基碳纖維復(fù)合材料，部分次承力零件應(yīng)用了液體成型工藝、模壓技術(shù)等非熱壓罐技術(shù)（如擾流板、窗框等）。總體上復(fù)合材料用量達(dá)到50%以上的水平，其中90%以上通過熱壓罐制造，選材則以高性能環(huán)氧碳纖維為主，部分為玻璃纖維增強。在產(chǎn)能方面，空客計劃到2028年將A350的產(chǎn)量提升至每月12架，波音B787飛機的歷史最高產(chǎn)量約為13架/月。
以上機型的實踐，將先進(jìn)復(fù)合材料在民用航空的應(yīng)用推向了新高度。復(fù)合材料零部件相關(guān)的設(shè)計、制造及驗證等技術(shù)不斷提高，在現(xiàn)有構(gòu)型下接近了其使用極限。未來復(fù)合材料的使用將從量變轉(zhuǎn)向質(zhì)變發(fā)展，很多新材料、新工藝迅速發(fā)展成熟，將推動民機復(fù)合材料向更高水平發(fā)展。尤其在下一代機型上，這種趨勢將更加凸顯。
復(fù)合材料液體成型技術(shù)
隨著商用飛機復(fù)合材料用量的提升，預(yù)浸料制造工藝復(fù)雜、復(fù)合材料熱壓罐工藝、裝配過程成本高等問題愈加明顯，為取代熱壓罐技術(shù)，自上世紀(jì)90年代直至2030年，歐美和俄羅斯逐步制定了一系列低成本復(fù)合材料制造技術(shù)的研發(fā)計劃，如復(fù)合材料經(jīng)濟可承受計劃(CAI)、先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)計劃(ACT)、飛機效能計劃（ACEE）、先進(jìn)亞音速技術(shù)計劃（AST)、先進(jìn)低成本機體結(jié)構(gòu)計劃(ALCAS)、近期商業(yè)目標(biāo)與對象的技術(shù)應(yīng)用計劃(TANGO)等。其間涌現(xiàn)了多種液體成型技術(shù)，形成了樹脂傳遞模塑成型(RTM)、真空輔助樹脂灌注(VARI)、樹脂膜熔滲(RFI)等現(xiàn)代液體成型工藝。目前，復(fù)合材料液體成型技術(shù)已經(jīng)成為主要的樹脂基復(fù)合材料非熱壓罐制造技術(shù)，并逐漸在國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域中獲得了應(yīng)用。近年來，隨著工藝過程自動化程度的提高和相關(guān)原材料的性能提升（如更高性能的碳纖維材料、高韌性的環(huán)氧樹脂等），該技術(shù)正快速向部分主承力結(jié)構(gòu)（如A220、MC-21機翼結(jié)構(gòu)）推廣應(yīng)用。
傳統(tǒng)的低成本液體成型技術(shù)主要采用手工鋪放織物，并結(jié)合樹脂灌注方式來實現(xiàn)零件的制造，該工藝已成功應(yīng)用于B787的襟翼及活動板、A350、A380的龍骨梁角片、國內(nèi)某型飛機的縫翼、梁、窗框及艙門等零件制造。液體成型工藝的應(yīng)用，大大降低了上述復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造成本和裝配要求。
隨著材料技術(shù)和工藝技術(shù)的發(fā)展，液體成型制造的復(fù)合材料正快速從小尺寸次承力結(jié)構(gòu)向大尺寸主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用延伸。
借助裝備和自動化技術(shù)的發(fā)展，如大型可加熱模具、干纖維自動鋪放技術(shù)等，液體成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)尺寸不斷突破，由早期的采用RTM工藝制造小尺寸制件向大型尺寸結(jié)構(gòu)發(fā)展，如借助自動設(shè)備和輔助VARI成型，龐巴迪C系列飛機和俄羅斯MC-21飛機液體成型機翼零件尺寸達(dá)到了16米以上。
同時，該工藝也從次承力結(jié)構(gòu)不斷向主承力結(jié)構(gòu)延伸。早期的液體成型復(fù)合材料主要應(yīng)用于艙門、活動翼面和整流罩等次承力或不承力結(jié)構(gòu)，如今正逐步向起落架、機翼、翼梁和機身等絕對主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用拓展，如B787起落架撐桿、MC-21機翼與翼梁等，西班牙的MTorres公司甚至通過干纖維鋪放VARI成型工藝嘗試制造了通用飛機整體化復(fù)合材料機身。
以上主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用的實現(xiàn)，也得益于液體成型復(fù)合材料的綜合性能不斷提升，其性能逐步向預(yù)浸料熱壓罐復(fù)合材料性能靠近。通過纖維材料和環(huán)氧樹脂性能的不斷提升，之前作為液體成型復(fù)合材料的性能短板之一的沖擊后壓縮強度（CAI）已經(jīng)達(dá)到了新一代預(yù)浸料熱壓罐復(fù)合材料的水平。如由Hexcel公司的HiTape®和Cytec公司DryTape®干纖維制備的液體成型復(fù)合材料，其CAI值甚至超過300MPa。
由于液體成型工藝不需要預(yù)浸料、可整體成型、不需要熱壓罐等特點，在制造成本上存在明顯的優(yōu)勢。隨著自動化程度的提高、工藝仿真技術(shù)的進(jìn)步，其產(chǎn)品一致性和可靠性將不斷提升。未來可望實現(xiàn)大尺寸、主承力結(jié)構(gòu)的大規(guī)模應(yīng)用和批產(chǎn)。
熱塑性復(fù)合材料技術(shù)
航空熱塑性復(fù)合材料及其應(yīng)用技術(shù)近年來發(fā)展迅速。與環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料等熱固性復(fù)合材料相比，其自身具有韌性高、阻燃性好、耐濕熱、方便回收利用等突出優(yōu)點。加工制造方面，熱塑性復(fù)合材料可選擇多種非熱壓罐制造工藝，如模壓成型、拉擠成型、原位固結(jié)等。同時，其成型周期短（無化學(xué)反應(yīng)固化過程），這也使得原材料不需要昂貴的低溫運輸和保存。因此熱塑性復(fù)合材料可以在成本降低的同時，依然保持較高的生產(chǎn)效率。
歐盟開展的“潔凈天空”計劃中，嘗試采用熱塑性復(fù)合材料制造下一代窄體客機的機身結(jié)構(gòu)。其目標(biāo)為較現(xiàn)有的鋁合金結(jié)構(gòu)，減重20%以上，并實現(xiàn)月產(chǎn)100架，以期在不降低生產(chǎn)效率的條件下，提升窄體客機的先進(jìn)性。
目前，該項目完成了熱塑性復(fù)合材料機身整體筒段的制造和裝配。制造過程中驗證了多項工藝技術(shù)。如機身蒙皮采用熱塑性預(yù)浸料原位固結(jié)工藝和熱壓罐成型，長桁、框、角片等采用模壓、沖壓工藝制造。地板梁采用了預(yù)浸料自動鋪放與熱壓罐成型工藝等。
同時，由于使用了熱塑性復(fù)合材料，使得零件之間的焊接成為可能。這降低了復(fù)合材料制孔的需求，避免大量使用緊固件。減重的同時提升了裝配連接效率。在機身壁板制造中，大量使用熱塑性復(fù)合材料的焊接技術(shù)。其中長桁與蒙皮的連接采用超聲波焊接，框與機身連接采用電阻焊接技術(shù)，上下機身壁板的裝配中創(chuàng)新性采用了激光焊接技術(shù)。以上焊接技術(shù)的應(yīng)用為復(fù)合材料零件的連接和裝配提供了新的選項。
美國NASALangley研究中心主導(dǎo)的
TheHi-RateCompositeAircraftManufacturing(HiCAM)研究計劃中，同樣將航空熱塑性復(fù)合材料制造技術(shù)列為重點研究項目。其主要集中在熱塑性復(fù)合材料成型技術(shù)、裝配技術(shù)和自動鋪絲技術(shù)3個方面。HiCAM項目總目標(biāo)為通過對熱塑性復(fù)合材料在內(nèi)的多項高效率制造技術(shù)的開發(fā)，實現(xiàn)整機復(fù)合材料生產(chǎn)效率60～80架份/月的目標(biāo)，同時制造成本下降30%～50%。
隨著航空產(chǎn)業(yè)對制造效率需求的牽引，熱塑性預(yù)浸料及相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步。憑借可重復(fù)加工、制造工藝靈活的特點，其正在推動航空復(fù)合材料的低成本、高效率制造和可持續(xù)發(fā)展。目前，熱塑性復(fù)合材料及其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展最快的方向之一，研究應(yīng)用工作持續(xù)升溫，創(chuàng)新成果也不斷涌現(xiàn)。在下一代機型上的大規(guī)模應(yīng)用也在持續(xù)醞釀，必將成為未來航空先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用的重要增長驅(qū)動。
綠色復(fù)合材料技術(shù)
復(fù)合材料及其制品綠色化，是推動復(fù)合材料可持續(xù)發(fā)展的重要手段。具體為采用可循環(huán)、天然的原材料研制復(fù)合材料，并應(yīng)用于民用飛機的結(jié)構(gòu)制造（尤其是內(nèi)飾結(jié)構(gòu)）。隨著復(fù)合材料在民用飛機上的應(yīng)用比例不斷提高，復(fù)合材料的大規(guī)模應(yīng)用帶來了資源回收利用及環(huán)境影響等新的問題。在2013年歐盟政府啟動其最大的科研創(chuàng)新框架計劃《地平線2020（Horizon2020）》中，“可持續(xù)發(fā)展與天然資源”在5個重點資助領(lǐng)域排名第二，其中就包括綠色航空復(fù)合材料。我國“十三五”規(guī)劃綱要和《中國制造2025》規(guī)劃中，也多處提出“綠色制造”概念和指標(biāo)，開發(fā)“航空綠色復(fù)合材料”已經(jīng)成為當(dāng)前世界各國關(guān)注和研究的熱點。
目前綠色復(fù)合材料多處于研發(fā)驗證階段，主要采用可降解的高分子材料、來自植物資源的生物質(zhì)樹脂、植物纖維材料、綠色紙蜂窩材料等來制備性能相當(dāng)?shù)h(huán)保的復(fù)合材料，同時開展提高復(fù)合材料的可加工性、阻燃性及力學(xué)性能等研究。綠色復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用對促進(jìn)擴大內(nèi)飾結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用、推動航空復(fù)合材料可持續(xù)發(fā)展具有不可替代的作用。
預(yù)浸料新產(chǎn)品
隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，更強的纖維材料、性能更加優(yōu)異的高分子樹脂使得復(fù)合材料的性能不斷提升。美國赫氏公司首先推出了IM10碳纖維，其拉伸強度接近7000MPa，模量突破了300GPa。隨后東麗公司于2021年推出T1100/3960預(yù)浸料系統(tǒng)，其中碳纖維T1100的拉伸強度達(dá)到7000MPa，模量為324GPa。3960樹脂為高溫固化的高韌性環(huán)氧樹脂，該預(yù)浸料可使用非熱壓罐固化成型。這意味著更低的制造成本和更輕的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量。
東麗先進(jìn)復(fù)合材料（Torayadvancedcomposites）近期推出了用于夾層結(jié)構(gòu)的聚醚砜基碳纖維預(yù)浸料TC1130，其與蜂窩具有良好的粘接性能，解決了熱塑性復(fù)合材料粘接強度低的問題，可廣泛應(yīng)用于航空內(nèi)飾結(jié)構(gòu)。這使得蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的制造更加方便，產(chǎn)品更加耐用。
性能更加優(yōu)異、功能更加豐富的新材料不但拓寬了航空復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，也使得現(xiàn)有零件的性能不斷提升，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將會獲得更大的收益！
結(jié)語
回顧商用飛機發(fā)展的歷史，復(fù)合材料的應(yīng)用技術(shù)和水平不斷提升，復(fù)合材料的創(chuàng)新發(fā)展也日新月異！下一代飛機的復(fù)合材料水平必定會達(dá)到一個更新的高度。新材料、新工藝的不斷成熟與應(yīng)用有力推動了商用飛機復(fù)合材料的高水平發(fā)展。其中液體成型技術(shù)、熱塑性復(fù)合材料、綠色環(huán)保復(fù)合材料和性能更優(yōu)異的預(yù)浸料新產(chǎn)品等是重要的技術(shù)發(fā)展方向，具有重大產(chǎn)業(yè)價值。國內(nèi)需加大對上述技術(shù)的投入和布局，為商用飛機復(fù)合材料的高水平應(yīng)用和發(fā)展提供技術(shù)和政策保障，更好地面對未來的挑戰(zhàn)和機遇！