碳纖維復(fù)合材料

李東升

搞飛機(jī)的圈子里有這么一句話，“一代材料，一代飛機(jī)”。隨著材料技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機(jī)的產(chǎn)品性能也在逐漸提高。20世紀(jì)初，飛機(jī)常用的材料是帆布和木頭。到了20世紀(jì)四五十年代，飛機(jī)基本上都是用鋁合金，后來還用上了鈦合金等先進(jìn)材料。

碳纖維復(fù)合材料作為一種新材料，先是用在飛機(jī)的次承力結(jié)構(gòu)上，慢慢發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)，用量也是由少到多。無論是波音還是空客，主制造商們都經(jīng)歷了逐漸擴(kuò)大復(fù)合材料用量的過程。

從0%到50%

以空客為例，復(fù)合材料最早應(yīng)用于A320水平尾翼、垂直尾翼，后來還應(yīng)用于A400M大型軍用運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼。進(jìn)入21世紀(jì)后，A380碳纖維復(fù)合材料占比達(dá)到了25%，主要應(yīng)用于中央翼和尾翼，另外，A380的機(jī)身蒙皮使用了纖維金屬層壓板（GLARE層板）。

波音較大規(guī)模地應(yīng)用復(fù)合材料的標(biāo)志是777尾翼，787是波音第一款大規(guī)模運(yùn)用復(fù)合材料的飛機(jī)，其機(jī)身、機(jī)翼和尾翼等主結(jié)構(gòu)都用了復(fù)合材料，復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的比例達(dá)到了50%，因此787也被戲稱為“塑料飛機(jī)”。

在波音的壓力下，空客A350幾易方案，大量地增加復(fù)合材料的應(yīng)用，最終把復(fù)合材料的占比增加到52%左右。

國(guó)內(nèi)復(fù)合材料的使用也是一個(gè)漸進(jìn)的過程。ARJ21新支線飛機(jī)復(fù)合材料用量為2%左右，主要應(yīng)用于方向舵和翼梢小翼等部位。C919大型客機(jī)達(dá)到了11%～12%的水平，飛機(jī)尾翼、后壓力框之后基本上都是復(fù)合材料。CR929遠(yuǎn)程寬體客機(jī)復(fù)合材料用量將占50%，與空客A350和波音787屬于同一個(gè)量級(jí)。

飛機(jī)先進(jìn)性的標(biāo)志之一

現(xiàn)在談到一款飛機(jī)，搞結(jié)構(gòu)的、搞材料的人首先會(huì)問：用了多少?gòu)?fù)合材料？復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為衡量一款飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。那么，到底什么是復(fù)合材料呢？

業(yè)界對(duì)復(fù)合材料有一個(gè)定義，就是由2種或2種以上的材料，經(jīng)過一定的復(fù)合工藝而形成的一種新型材料。復(fù)合材料的特點(diǎn)在于，它那2到3種組份材料的結(jié)合是一種物理結(jié)合，而不是化學(xué)結(jié)合，是保留了各自的物理特性的。但在整體上，它又是一種新的材料，會(huì)有新的特質(zhì)。

復(fù)合材料種類很多，可以按纖維品種分類，也可以基體的品種分類，還可以按纖維的存在形式分類等。我們?cè)陲w機(jī)上用得最多的就是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）。

既然復(fù)合材料如此受歡迎，它究竟有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？與傳統(tǒng)金屬相比，復(fù)合材料最大的優(yōu)勢(shì)在于它重量輕、強(qiáng)度高、剛度高。復(fù)合材料的密度僅相當(dāng)于鋼的1/4、鋁合金的60%，所以，在飛機(jī)上使用復(fù)合材料，很大的一個(gè)動(dòng)機(jī)是減重。

從性能上看，復(fù)合材料有三大優(yōu)點(diǎn)：一是抗疲勞性能好，二是耐腐蝕性能好，三是可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。我們可以按任意的鋪層比例和鋪層方法去設(shè)計(jì)我們要的材料。比如說有些航天器上用的復(fù)合材料，需要體積隨溫度變化越小越好，這就可以通過比例和材料的組合，實(shí)現(xiàn)零熱脹率。

最后，復(fù)合材料還有非常重要的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是可以實(shí)現(xiàn)整體成形，從而降低制造成本。

從乘客的角度來說，復(fù)合材料給我們帶來的好處主要是舒適性。如果你去波音參觀787的生產(chǎn)線，他們就會(huì)給你講，復(fù)合材料做的機(jī)體，可以提高艙壓，從而給乘客帶來更高的舒適性。

一般情況下，常規(guī)的金屬飛機(jī)艙壓保持在海拔2400米左右的高度，相當(dāng)于在高原上的感覺，乘客肯定感覺不舒服。

由于機(jī)身主要承受拉力，而復(fù)合材料抗拉性能好，因而可以增加艙壓，降到海拔1800米左右的壓力。乘客坐在里邊，感覺就舒服多了。

此外，金屬對(duì)腐蝕敏感，如果機(jī)艙里邊濕氣大的話，客艙壁上會(huì)形成一些水珠，從而造成金屬腐蝕。復(fù)合材料耐腐蝕性強(qiáng)，可以把濕度提高，乘客的感受當(dāng)然也更好些。

缺點(diǎn)也不少

復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)多多，但缺點(diǎn)也不少。復(fù)合材料由2種或2種以上材料組成，并且材料和結(jié)構(gòu)是同時(shí)形成的。這一點(diǎn)跟傳統(tǒng)金屬材料很不一樣。

金屬材料的性能是固定的，做零件時(shí)只需要對(duì)金屬材料進(jìn)行加工就成，但復(fù)合材料不行，在制造之前它是散的，纖維是纖維，樹脂是樹脂。

制造復(fù)合材料零件的過程包括原材料選擇、工藝選擇、工藝控制以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這個(gè)過程中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)影響產(chǎn)品件的性能，所以這是一件令人頭疼的事，我們要想辦法對(duì)付它。

復(fù)合材料對(duì)沖擊敏感也是一個(gè)大問題。因?yàn)樗且粚右粚愉伒?，怕沖擊，沿著厚度方向的載荷都會(huì)造成內(nèi)部損傷、內(nèi)部分層。

此外，復(fù)合材料導(dǎo)電性差。金屬材料遭受雷擊可以將電流擴(kuò)散到更大的范圍，但復(fù)合材料就擴(kuò)散不出去，會(huì)在局部造成損傷。

復(fù)合材料還對(duì)環(huán)境敏感。在濕熱的環(huán)境里，復(fù)合材料會(huì)吸濕，吸濕以后性能就降下來了。復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)跟金屬不一樣，所以需要考慮熱應(yīng)力的影響。最后，復(fù)合材料的成本目前還是比較高的，這也是需要考慮的因素。

如何用好復(fù)合材料

面對(duì)“個(gè)性”如此鮮明的復(fù)合材料，我們?cè)趺床拍苡煤盟?？在?yīng)用復(fù)合材料的過程中，從設(shè)計(jì)到制造有一系列需要考慮的因素，先講三個(gè)方面：一是設(shè)計(jì)-制造-維修一體化;二是損傷容限理念;三是自動(dòng)化制造。

所謂設(shè)計(jì)-制造-維修一體化，首先要保證設(shè)計(jì)出來的件可制造，能造出來。這個(gè)說說很簡(jiǎn)單，但是要實(shí)施起來卻真不容易，要充分考慮復(fù)合材料的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)在工藝的水平、國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的水平、工藝的掌握程度等等。這是一個(gè)很大的題目，也是我們業(yè)界在應(yīng)用復(fù)合材料時(shí)整天掛在嘴邊的一句話，真正是說起來容易做起來難。

其次是要能維修。產(chǎn)品造出來，還必須能夠檢測(cè)，能夠維修，這也有諸多因素需要考慮。比如飛機(jī)機(jī)翼，服役時(shí)要有檢測(cè)計(jì)劃，人要進(jìn)入機(jī)翼里定期檢查，需要保證關(guān)鍵部位一定能夠檢查得到，萬一出了問題能夠修理。

這是我們現(xiàn)在容易忽略的問題，我們往往只想到制造，還沒想到更遠(yuǎn)的，但是飛機(jī)交出去以后，客戶用的時(shí)候，一定要讓它好用、好檢、好修，這是非常重要的一個(gè)方面。所有的設(shè)計(jì)，都需要把修理方案考慮周全，使強(qiáng)度能恢復(fù)到損傷以前的水平。

設(shè)計(jì)-制造-維修一體化需要有一個(gè)組織模式來保證，即：IPT工作模式。IPT是綜合性的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，這就是經(jīng)常提及的“并行工程”的理念。IPT工作模式可以讓整個(gè)團(tuán)隊(duì)包括制造、裝配、維護(hù)檢測(cè)等各個(gè)專業(yè)人員，與設(shè)計(jì)人員一道開展設(shè)計(jì)，從而保證設(shè)計(jì)-制造-維修的一體化。

第二，損傷容限理念也非常重要。早期的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是按靜強(qiáng)度、剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)的，不考慮疲勞，不考慮損傷，更不考慮檢測(cè)。后來經(jīng)過諸如“慧星”號(hào)的事故，迫使飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引入了疲勞設(shè)計(jì)概念。

20世紀(jì)70年代又出現(xiàn)了“破損-安全”設(shè)計(jì)理念。飛機(jī)的結(jié)構(gòu)不再是單承載路徑，這個(gè)地方壞了，載荷可以分配到其他地方，仍然可以承載，飛機(jī)仍然可以飛，這是保證飛機(jī)安全性能非常重要的手段。

在這個(gè)基礎(chǔ)上，航空界實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)在的損傷容限設(shè)計(jì)。這完全是一個(gè)新的體系，是一種新的設(shè)計(jì)理念，也是現(xiàn)在常用的一個(gè)設(shè)計(jì)理念。損傷容限設(shè)計(jì)的前提是允許在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)當(dāng)中存在缺陷和損傷。當(dāng)然這需要通過科學(xué)的設(shè)計(jì)、分析和檢測(cè)計(jì)劃，考慮諸多因素，包括沖擊源、沖擊損傷，檢測(cè)手段、檢測(cè)方法、檢測(cè)間隔等，還需要用概率計(jì)算的方法來確保結(jié)構(gòu)失效的概率不能超過“10的負(fù)九次方”。

解決了復(fù)合材料應(yīng)用過程中的設(shè)計(jì)理念之后，我們還需要解決自動(dòng)化制造技術(shù)的難題。在中國(guó)航空制造界，自動(dòng)化制造技術(shù)是急需解決的問題。只有通過自動(dòng)化的專業(yè)手段，我們才能真正保證質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。目前，常用的自動(dòng)化手段包括自動(dòng)鋪帶、自動(dòng)鋪絲、自動(dòng)鉆孔和自動(dòng)檢測(cè)等技術(shù)，我們已取得了一些成就，但發(fā)展空間還很大。

未來的發(fā)展

在飛機(jī)制造中，復(fù)合材料越來越多地取代傳統(tǒng)金屬材料，已經(jīng)是大勢(shì)所趨。那么，在未來的應(yīng)用中，復(fù)合材料還能給我們帶來哪些驚喜呢？

在設(shè)計(jì)理念上，到目前為止，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然沿用金屬的設(shè)計(jì)理念，復(fù)合材料還有很多潛力沒有發(fā)揮出來。這有待于我們真正充分考慮復(fù)材的特點(diǎn)，真正放開思維，不受目前設(shè)計(jì)概念的限制，開發(fā)出一些真正發(fā)揮復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)的設(shè)計(jì)理念來。

在制造技術(shù)的發(fā)展上，我們希望，首先是更多地采用整體成型技術(shù)。飛機(jī)零件越少，質(zhì)量管理就越容易，不容易出錯(cuò)，生產(chǎn)效率也越高。其次是更多地采用低成本工藝，包括液體成型工藝、非熱壓罐工藝等。制造工藝的成本越低，自然飛機(jī)的成本也就越低。最后是更多地應(yīng)用新材料、新工藝和新技術(shù)，如結(jié)構(gòu)—功能材料、綠色環(huán)保材料。這些都是復(fù)合材料應(yīng)用面臨的課題。