大飞机复合材料新技术讲述

1、新一代大型客机的概念新一代大型客机的概念新一代大型客机主要指:上世纪90年代开始研发，本世纪初使用的效率（Efficiency）经济（Economics）超凡的乘座舒适和便利（Extraordinary comfort and convenience）环保（Environmental）4E综合性能比当前航线使用的客机有很大提高的大型商用运输机。新一代大型客机的研发新一代大型客机的研发空中客车公司空中客车公司波音公司波音公司强调航空枢纽间的交通对整个市场的重要性研发双层客舱480650座，超大型客机A380（2005年首飞） 作为与波音787抗衡，2005年5月宣布研发250座级客机A350（预

2、计2010年投入运营）曾尝试研发500座级超大型客机波音763-246C（1999年公布）和音速巡航客机（2001年公布），但市场调查结果表明：机场间点对点运输市场潜力巨大。因此，改变计划，研发具有超凡的乘座舒适和便利的人性化设计的200300座波音7E7即波音787（2007年首飞）2006-2025年全世界大中型民用客机需求量预测年全世界大中型民用客机需求量预测国外大型客机发展趋势国外大型客机发展趋势未来二、三十年内大型客机在总体布局上与当代飞机不未来二、三十年内大型客机在总体布局上与当代飞机不会有很大差别，但在综合性能方面将有很大的提高。会有很大差别，但在综合性能方面将有很大的提高。飞机

3、安全性提高飞机安全性提高10倍，即事故率降低到现在的倍，即事故率降低到现在的1/10；经济性提高一倍，即运输成本降低经济性提高一倍，即运输成本降低50%；废气排放减少到现在的废气排放减少到现在的1/51/3；噪声减少到现在的噪声减少到现在的1/41/2；研制周期缩短研制周期缩短30%，研制费用降低，研制费用降低35%，制造成本减少，制造成本减少30%；飞机的阻力水平降低飞机的阻力水平降低10%20%，巡航效率增加，巡航效率增加30%。欧美国家的大型客机制造商正在发展新一代大型客机，其中欧美国家的大型客机制造商正在发展新一代大型客机，其中包括波音包括波音787、A350及波音及波音737和和A3

4、20的后继机，这些飞机的后继机，这些飞机的技术水平同当前服役的飞机相比性能水平有了较大提高。的技术水平同当前服役的飞机相比性能水平有了较大提高。国外大型客机发展趋势（续）国外大型客机发展趋势（续）波音波音787787、A350A350飞机性能改进飞机性能改进与同级别的其他飞机相比，节省与同级别的其他飞机相比，节省15% 20%的燃油的燃油排放比类似飞机减少排放比类似飞机减少20%左右左右起降噪声更小，如起降噪声更小，如A350对机场附对机场附近居民的噪声影响减少了近居民的噪声影响减少了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电系统，使飞机使采用智能化航电系统，使飞机使用安全

5、可靠有显著的提高用安全可靠有显著的提高波音波音737737、A320A320后继机性能改进后继机性能改进综合使用性能将比现在服役的综合使用性能将比现在服役的波音波音737和和A320高高15%20%全复合材料主机身和机翼结构全复合材料主机身和机翼结构电传操纵、多电系统结构电传操纵、多电系统结构视景增强系统视景增强系统-综合航空电子系综合航空电子系统统复合材料（纤维增强聚合物基复合材料）在大型 民机机体结构上大量应用是现代大型民机显著特点 之一；复合材料已成为现代大型民机首要结构材料，结 束了铝合金为主的机体结构选材时代。 大型客机复合材料用量随年度变化大型客机复合材料用量随年度变化新一代大型客

6、机机体结构材料使用比例新一代大型客机机体结构材料使用比例 （重量百分比）（重量百分比）机型复合材料铝合金钛合金合金钢其他材料A380（2005-04-27首飞）CFRP 22GLARE 361104波音787（2007-07-08下线）CFRP 45CFPR 52015105A350XWB(正在研发)53191468飞机复合材料结构技术 20世纪60年代以硼/环氧为代表，先进复合材料问世，源于军机结构减重需求。 技术发展水平现状以战斗机、轰炸机上复合材料结构应用为代表。 技术成熟程度以干线客机（运输类飞机）上复合材料结构应用为标志。 大量移植采用军机复合材料结构技术是民机复合材料技术发展的显著

7、特点之一。飞机复合材料结构技术结构试用与航空工业认可结构试用与航空工业认可(20世纪60年代70年代中)复合材料飞机结构应用与航空工业认可在F-14、F-15和F-16尾翼上完成。建立规范：MIL HDBK-17A聚合物基复合材料，用于指导复合材料结构设计选材和材料性能许用值确定。复合材料结构应用技术研究（复合材料结构应用技术研究（70年代中年代中80年代）年代）军 机民 机 F-18复合材料机翼研制（1987）和AV-8B复合材料前机身、机翼研制（1982）用于研究复合材料结构完整性。 X-29前掠翼验证机气动弹性剪裁技术研究（1984.12首飞）。1982年10月1987年3月空军执行“复

8、合材料飞机主结构损伤容限研究”计划，解决特殊的低能量冲击问题。B-2轰炸机大型整体壁板翼身融合体研究（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计划（Advanced Composite Energy Efficiency，飞机节能计划），结构减重、节省燃油、增加商载，突破尾翼级复合材料应用。FAA AC 20-107复合材料飞机结构（1978.7）公布用于指导民机复合材料结构设计。不久，FAA AC 20-107A（1984.4）公布复合材料结构应用技

9、术研究（复合材料结构应用技术研究（80年代中年代中90年代）年代）军 机民 机复合材料结构应用已从为了结构减重扩大到提高飞机综合性能，代表机型为F-22。机翼整体蒙皮壁板、前掠翼壁板、翼身融合体、机身主承力框和梁、S进气道、水平尾翼枢轴等主承力结构件装机厚板结构、大型整体结构和复合材料/金属混合结构的设计、制造、验证技术特点明显。建立规范：JSSG 2006（1998.10） MIL HDBK-17F（2002.6）NASA首先实施了ATCAS计划（先进技术复合材料飞机结构计划）19881998年NASA主持实施了ACT计划（Advanced Composite Technology），先进复

10、合材料技术计划）。目的在于突破高损伤容限复合材料主结构设计、制造和应用的关键技术，并降低成本，为运输类飞机机翼、机身大量应用复合材料提供技术支持。要求减重30%50%，成本降低20%30%。复合材料结构应用技术研究（复合材料结构应用技术研究（90年代年代 今）今）军军 机机民民 机机复合材料在飞机主承力结构上的成功应用，降低成本要求提上日程，使复合材料结构具有高性价比，“可买得起”（即可买得起，又用得起）。F-35首次将“可买得起”列为飞机结构设计重要指标，要求最佳性能与最低成本之间作出折衷和平衡。1996年国防部联合NASA、FAA和航空工业界执行CAI计划（Composite Afford

11、ability Initiative，低成本复合材料计划）。用大约10年时间，实现复合材料生产成本下降50%，能与铝合金等金属材料结构相竞争。 重点研究：结构设计/制造一体化、结构大型整体化、纤维铺放（AFP）、自动铺带（ATL）、预制体/RFI、RTM等工艺技术和低成本修理技术。DMAPS（Desiga for Manufacturing and Producbility Simulation，设计、制造、生产一体化仿真）以实现“异地设计、异地制造”。 纵观40年来先进复合材料结构应用技术研发历程，美国航空复合材料结构技术始终处于领先地位。欧洲则在复合材料结构应用中显示出技术亮点。飞机结构复

12、合材料体系建立与完善1985年NASA发布RP 1142碳纤维/热固型韧性树脂复合材料标准规范（第1个复合材料标准规范）碳纤维基准型纤维（以T300为代表）中模量，高强度型纤维（以T800为代表）拉伸强度较高的S型纤维（以T700G为代表）。树指基体热固性树脂基体为主新工艺发展专用树脂（如RFI树脂、RTM树脂）。飞机结构常用树脂基体分类表飞机结构常用树脂基体分类表树脂基体环氧双马固化温度/120180180185+高温后处理使用温度/8080100120120150CAI/MPa340280230180180主要应用次承力结构民机 直升机大型运输机战斗机战斗机适合民机主结构应用的新一代复合材

13、料民机结构用碳纤维拉伸强度和弹性模量示图 与中模量碳纤维相匹配的高温固化增韧树脂包括改性环氧、改性双马来酰亚胺及高性能热塑性树脂；大型民机和运输机使用较多的是增韧改性环氧树脂，如3900-2、997-2、M21、8551-7等。民机用复合材料现状分析 a使用的碳纤维基本上限定了供应商和产品。 中模高强碳纤维的供应商和主要产品有： 东丽公司的T800H-12K和T800S-24K； Hexcel公司的IM7-12K； 东邦公司的IM400/600即IMS-24K； 三菱人造丝公司的MR50。 高强碳纤维的供应商和主要产品有： 东丽公司的T300-6K或12K；T700G（织物为主） 东邦公司的H

14、TS-12K；HTA-6K （美国波音公司和欧洲空中客车公司）民机用复合材料现状分析b.使用的预浸料基本上限定了主要供应商和产品。 预浸料主要供应商有： 东丽公司（产品为3900-2，3911系列预浸料） Hexcel公司（产品为M21、8551-7系列预浸料） Cytec公司（产品为977-2系列预浸料）；c.单向带用量已大大超过编织物。 据资料介绍，波音787结构件中70%采用单向带/自 动纤维铺放制造；d.各种新工艺技术已推广应用。 主要有，纤维自动铺放、NFCMVI、RFI等。民机结构用复合材料特点分析民机结构用复合材料特点分析纤维类型基准型碳纤维中模高强型碳纤维高强碳纤维T300T8

15、00HT800SIM600T700G3K、6K、12K6K、12K24K12K，24K12K拉伸弹性模量/GPa230294294285230拉伸强度/MPa35305490588057904900断裂伸长率/1%1.51.92.02.02.1线密度/g/1000m198，396，800223，4451032800密度/g/cm31.761.811.801.81.8直径/m77557纤维质量符合的材料标准BMS9-8（自1980年起）BMS9-17（自1989年起）BMS9-17BMS9-22BMS9-223环氧预浸料符合的材料标准BMS8-256T300/环氧BMS8-276T800H/增韧

16、环氧T800S/增韧环氧IM600/增韧环氧BMS8-276织物预浸料典型复合材料T300/5208T800H/3900-2 T800S/M21IM600 / M21CAI（67J/cm）/MPa120140320340设计许用应变/%0.30.350.40.450.40.45主要应用次承力结构主承力结构主承力结构主承力结构次承力构件B747，B767B777B777，B787B787，A380A380B777，B787A380A380、波音、波音787结构设计选材结构设计选材部件纤维基体树脂成型工艺水平安定面垂直安定面中机身翼盒T800S/24K（东丽）IM600/24K（东邦）Hexply

17、 M21Cytec 977-2预浸料/热压罐后机身蒙皮AS4Hexply 8552纤维铺放后压力舱盖无皱多向碳布RFI专用树脂预制体/RFI 波音波音787结构设计选材结构设计选材选用波音选用波音777所用材料如所用材料如 T800H/3900-2等和成熟工艺技术等和成熟工艺技术。 A380结构设计选材结构设计选材波音787中央翼盒A350中央翼盒波音787机身结构布局B787舱门周边补强舱门周边补强机身开口结构设计与补强机身开口结构设计与补强A350机身结构布局空客A350XWB波音787段位长度/米接头位置段位长度/米接头位置机 头(铝合金件)(机头对接接头)前对接接头后对接接头(尾锥对接

18、接头)41段13.741前对接接头(中对接接头2个)后对接接头(尾锥对接接头)前机身13段18.517中机身18段18.51743段44/45段46段7.0108.53410.058后机身15段18.51747段6.934尾 锥(复合材料)48段9.626A350XWB飞机多功能的机-电一体化设计方案。 (1)A380复合材料外翼复合材料外翼NCFMVI成形工艺成形工艺机翼制造新技术、新工艺NCF/MVI成型工艺示意图成型工艺示意图机翼制造新技术、新工艺(1) A380复合材料外翼复合材料外翼NCFMVI成形工艺成形工艺A380机翼壁板机翼壁板 机翼C截面梁腹板复合材料层板厚度约为56mm（在发动机接头点附近）。在发动机安装架的连接点处，梁腹板和缘条的厚度加倍到约10mm，在翼梁与翼盒连接处也有铺层补强。全复合材料翼梁铺层厚度变化大，有56mm到10mm，制造难度相当大，为此空客公司采用了热隔膜成形（Hot Drape Forming）新