大飛機(jī)復(fù)合材料新技術(shù)

1、新一代大型客機(jī)的概念新一代大型客機(jī)的概念新一代大型客機(jī)主要指:上世紀(jì)90年代開始研發(fā)，本世紀(jì)初使用的效率（Efficiency）經(jīng)濟(jì)（Economics）超凡的乘座舒適和便利（Extraordinary comfort and convenience）環(huán)保（Environmental）4E綜合性能比當(dāng)前航線使用的客機(jī)有很大提高的大型商用運(yùn)輸機(jī)。新一代大型客機(jī)的研發(fā)新一代大型客機(jī)的研發(fā)空中客車公司空中客車公司波音公司波音公司強(qiáng)調(diào)航空樞紐間的交通對(duì)整個(gè)市場(chǎng)的重要性研發(fā)雙層客艙480650座，超大型客機(jī)A380（2005年首飛） 作為與波音787抗衡，2005年5月宣布研發(fā)250座級(jí)客機(jī)A350（預(yù)

2、計(jì)2010年投入運(yùn)營(yíng)）曾嘗試研發(fā)500座級(jí)超大型客機(jī)波音763-246C（1999年公布）和音速巡航客機(jī)（2001年公布），但市場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明：機(jī)場(chǎng)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸市場(chǎng)潛力巨大。因此，改變計(jì)劃，研發(fā)具有超凡的乘座舒適和便利的人性化設(shè)計(jì)的200300座波音7E7即波音787（2007年首飛）2006-2025年全世界大中型民用客機(jī)需求量預(yù)測(cè)年全世界大中型民用客機(jī)需求量預(yù)測(cè)國(guó)外大型客機(jī)發(fā)展趨勢(shì)國(guó)外大型客機(jī)發(fā)展趨勢(shì)未來二、三十年內(nèi)大型客機(jī)在總體布局上與當(dāng)代飛機(jī)不未來二、三十年內(nèi)大型客機(jī)在總體布局上與當(dāng)代飛機(jī)不會(huì)有很大差別，但在綜合性能方面將有很大的提高。會(huì)有很大差別，但在綜合性能方面將有很大的提高。飛機(jī)

3、安全性提高飛機(jī)安全性提高10倍，即事故率降低到現(xiàn)在的倍，即事故率降低到現(xiàn)在的1/10；經(jīng)濟(jì)性提高一倍，即運(yùn)輸成本降低經(jīng)濟(jì)性提高一倍，即運(yùn)輸成本降低50%；廢氣排放減少到現(xiàn)在的廢氣排放減少到現(xiàn)在的1/51/3；噪聲減少到現(xiàn)在的噪聲減少到現(xiàn)在的1/41/2；研制周期縮短研制周期縮短30%，研制費(fèi)用降低，研制費(fèi)用降低35%，制造成本減少，制造成本減少30%；飛機(jī)的阻力水平降低飛機(jī)的阻力水平降低10%20%，巡航效率增加，巡航效率增加30%。歐美國(guó)家的大型客機(jī)制造商正在發(fā)展新一代大型客機(jī)，其中歐美國(guó)家的大型客機(jī)制造商正在發(fā)展新一代大型客機(jī)，其中包括波音包括波音787、A350及波音及波音737和和A3

4、20的后繼機(jī)，這些飛機(jī)的后繼機(jī)，這些飛機(jī)的技術(shù)水平同當(dāng)前服役的飛機(jī)相比性能水平有了較大提高。的技術(shù)水平同當(dāng)前服役的飛機(jī)相比性能水平有了較大提高。國(guó)外大型客機(jī)發(fā)展趨勢(shì)（續(xù)）國(guó)外大型客機(jī)發(fā)展趨勢(shì)（續(xù)）波音波音787787、A350A350飛機(jī)性能改進(jìn)飛機(jī)性能改進(jìn)與同級(jí)別的其他飛機(jī)相比，節(jié)省與同級(jí)別的其他飛機(jī)相比，節(jié)省15% 20%的燃油的燃油排放比類似飛機(jī)減少排放比類似飛機(jī)減少20%左右左右起降噪聲更小，如起降噪聲更小，如A350對(duì)機(jī)場(chǎng)附對(duì)機(jī)場(chǎng)附近居民的噪聲影響減少了近居民的噪聲影響減少了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電系統(tǒng)，使飛機(jī)使采用智能化航電系統(tǒng)，使飛機(jī)使用安全

5、可靠有顯著的提高用安全可靠有顯著的提高波音波音737737、A320A320后繼機(jī)性能改進(jìn)后繼機(jī)性能改進(jìn)綜合使用性能將比現(xiàn)在服役的綜合使用性能將比現(xiàn)在服役的波音波音737和和A320高高15%20%全復(fù)合材料主機(jī)身和機(jī)翼結(jié)構(gòu)全復(fù)合材料主機(jī)身和機(jī)翼結(jié)構(gòu)電傳操縱、多電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電傳操縱、多電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)視景增強(qiáng)系統(tǒng)視景增強(qiáng)系統(tǒng)-綜合航空電子系綜合航空電子系統(tǒng)統(tǒng)復(fù)合材料（纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料）在大型 民機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)上大量應(yīng)用是現(xiàn)代大型民機(jī)顯著特點(diǎn) 之一；復(fù)合材料已成為現(xiàn)代大型民機(jī)首要結(jié)構(gòu)材料，結(jié) 束了鋁合金為主的機(jī)體結(jié)構(gòu)選材時(shí)代。 大型客機(jī)復(fù)合材料用量隨年度變化大型客機(jī)復(fù)合材料用量隨年度變化新一代大型客

6、機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料使用比例新一代大型客機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料使用比例 （重量百分比）（重量百分比）機(jī)型復(fù)合材料鋁合金鈦合金合金鋼其他材料A380（2005-04-27首飛）CFRP 22GLARE 361104波音787（2007-07-08下線）CFRP 45CFPR 52015105A350XWB(正在研發(fā))53191468飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù) 20世紀(jì)60年代以硼/環(huán)氧為代表，先進(jìn)復(fù)合材料問世，源于軍機(jī)結(jié)構(gòu)減重需求。 技術(shù)發(fā)展水平現(xiàn)狀以戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用為代表。 技術(shù)成熟程度以干線客機(jī)（運(yùn)輸類飛機(jī)）上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用為標(biāo)志。 大量移植采用軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)是民機(jī)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的顯著

7、特點(diǎn)之一。飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)構(gòu)試用與航空工業(yè)認(rèn)可結(jié)構(gòu)試用與航空工業(yè)認(rèn)可(20世紀(jì)60年代70年代中)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用與航空工業(yè)認(rèn)可在F-14、F-15和F-16尾翼上完成。建立規(guī)范：MIL HDBK-17A聚合物基復(fù)合材料，用于指導(dǎo)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材和材料性能許用值確定。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究（復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究（70年代中年代中80年代）年代）軍 機(jī)民 機(jī) F-18復(fù)合材料機(jī)翼研制（1987）和AV-8B復(fù)合材料前機(jī)身、機(jī)翼研制（1982）用于研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完整性。 X-29前掠翼驗(yàn)證機(jī)氣動(dòng)彈性剪裁技術(shù)研究（1984.12首飛）。1982年10月1987年3月空軍執(zhí)行“復(fù)

8、合材料飛機(jī)主結(jié)構(gòu)損傷容限研究”計(jì)劃，解決特殊的低能量沖擊問題。B-2轟炸機(jī)大型整體壁板翼身融合體研究（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計(jì)劃（Advanced Composite Energy Efficiency，飛機(jī)節(jié)能計(jì)劃），結(jié)構(gòu)減重、節(jié)省燃油、增加商載，突破尾翼級(jí)復(fù)合材料應(yīng)用。FAA AC 20-107復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)（1978.7）公布用于指導(dǎo)民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。不久，F(xiàn)AA AC 20-107A（1984.4）公布復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技

9、術(shù)研究（復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究（80年代中年代中90年代）年代）軍 機(jī)民 機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用已從為了結(jié)構(gòu)減重?cái)U(kuò)大到提高飛機(jī)綜合性能，代表機(jī)型為F-22。機(jī)翼整體蒙皮壁板、前掠翼壁板、翼身融合體、機(jī)身主承力框和梁、S進(jìn)氣道、水平尾翼樞軸等主承力結(jié)構(gòu)件裝機(jī)厚板結(jié)構(gòu)、大型整體結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料/金屬混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證技術(shù)特點(diǎn)明顯。建立規(guī)范：JSSG 2006（1998.10） MIL HDBK-17F（2002.6）NASA首先實(shí)施了ATCAS計(jì)劃（先進(jìn)技術(shù)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)劃）19881998年NASA主持實(shí)施了ACT計(jì)劃（Advanced Composite Technology），先進(jìn)復(fù)

10、合材料技術(shù)計(jì)劃）。目的在于突破高損傷容限復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，并降低成本，為運(yùn)輸類飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身大量應(yīng)用復(fù)合材料提供技術(shù)支持。要求減重30%50%，成本降低20%30%。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究（復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研究（90年代年代 今）今）軍軍 機(jī)機(jī)民民 機(jī)機(jī)復(fù)合材料在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上的成功應(yīng)用，降低成本要求提上日程，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有高性價(jià)比，“可買得起”（即可買得起，又用得起）。F-35首次將“可買得起”列為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要指標(biāo)，要求最佳性能與最低成本之間作出折衷和平衡。1996年國(guó)防部聯(lián)合NASA、FAA和航空工業(yè)界執(zhí)行CAI計(jì)劃（Composite Afford

11、ability Initiative，低成本復(fù)合材料計(jì)劃）。用大約10年時(shí)間，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料生產(chǎn)成本下降50%，能與鋁合金等金屬材料結(jié)構(gòu)相競(jìng)爭(zhēng)。 重點(diǎn)研究：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/制造一體化、結(jié)構(gòu)大型整體化、纖維鋪放（AFP）、自動(dòng)鋪帶（ATL）、預(yù)制體/RFI、RTM等工藝技術(shù)和低成本修理技術(shù)。DMAPS（Desiga for Manufacturing and Producbility Simulation，設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)一體化仿真）以實(shí)現(xiàn)“異地設(shè)計(jì)、異地制造”。 縱觀40年來先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)歷程，美國(guó)航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)始終處于領(lǐng)先地位。歐洲則在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用中顯示出技術(shù)亮點(diǎn)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)

12、合材料體系建立與完善1985年NASA發(fā)布RP 1142碳纖維/熱固型韌性樹脂復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（第1個(gè)復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范）碳纖維基準(zhǔn)型纖維（以T300為代表）中模量，高強(qiáng)度型纖維（以T800為代表）拉伸強(qiáng)度較高的S型纖維（以T700G為代表）。樹指基體熱固性樹脂基體為主新工藝發(fā)展專用樹脂（如RFI樹脂、RTM樹脂）。飛機(jī)結(jié)構(gòu)常用樹脂基體分類表飛機(jī)結(jié)構(gòu)常用樹脂基體分類表樹脂基體環(huán)氧雙馬固化溫度/120180180185+高溫后處理使用溫度/8080100120120150CAI/MPa340280230180180主要應(yīng)用次承力結(jié)構(gòu)民機(jī) 直升機(jī)大型運(yùn)輸機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)適合民機(jī)主結(jié)構(gòu)應(yīng)用的新一代復(fù)合材

13、料民機(jī)結(jié)構(gòu)用碳纖維拉伸強(qiáng)度和彈性模量示圖 與中模量碳纖維相匹配的高溫固化增韌樹脂包括改性環(huán)氧、改性雙馬來酰亞胺及高性能熱塑性樹脂；大型民機(jī)和運(yùn)輸機(jī)使用較多的是增韌改性環(huán)氧樹脂，如3900-2、997-2、M21、8551-7等。民機(jī)用復(fù)合材料現(xiàn)狀分析 a使用的碳纖維基本上限定了供應(yīng)商和產(chǎn)品。 中模高強(qiáng)碳纖維的供應(yīng)商和主要產(chǎn)品有： 東麗公司的T800H-12K和T800S-24K； Hexcel公司的IM7-12K； 東邦公司的IM400/600即IMS-24K； 三菱人造絲公司的MR50。 高強(qiáng)碳纖維的供應(yīng)商和主要產(chǎn)品有： 東麗公司的T300-6K或12K；T700G（織物為主） 東邦公司的H

14、TS-12K；HTA-6K （美國(guó)波音公司和歐洲空中客車公司）民機(jī)用復(fù)合材料現(xiàn)狀分析b.使用的預(yù)浸料基本上限定了主要供應(yīng)商和產(chǎn)品。 預(yù)浸料主要供應(yīng)商有： 東麗公司（產(chǎn)品為3900-2，3911系列預(yù)浸料） Hexcel公司（產(chǎn)品為M21、8551-7系列預(yù)浸料） Cytec公司（產(chǎn)品為977-2系列預(yù)浸料）；c.單向帶用量已大大超過編織物。 據(jù)資料介紹，波音787結(jié)構(gòu)件中70%采用單向帶/自 動(dòng)纖維鋪放制造；d.各種新工藝技術(shù)已推廣應(yīng)用。 主要有，纖維自動(dòng)鋪放、NFCMVI、RFI等。民機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料特點(diǎn)分析民機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料特點(diǎn)分析纖維類型基準(zhǔn)型碳纖維中模高強(qiáng)型碳纖維高強(qiáng)碳纖維T300T8

15、00HT800SIM600T700G3K、6K、12K6K、12K24K12K，24K12K拉伸彈性模量/GPa230294294285230拉伸強(qiáng)度/MPa35305490588057904900斷裂伸長(zhǎng)率/1%1.51.92.02.02.1線密度/g/1000m198，396，800223，4451032800密度/g/cm31.761.811.801.81.8直徑/m77557纖維質(zhì)量符合的材料標(biāo)準(zhǔn)BMS9-8（自1980年起）BMS9-17（自1989年起）BMS9-17BMS9-22BMS9-223環(huán)氧預(yù)浸料符合的材料標(biāo)準(zhǔn)BMS8-256T300/環(huán)氧BMS8-276T800H/增韌

16、環(huán)氧T800S/增韌環(huán)氧IM600/增韌環(huán)氧BMS8-276織物預(yù)浸料典型復(fù)合材料T300/5208T800H/3900-2 T800S/M21IM600 / M21CAI（67J/cm）/MPa120140320340設(shè)計(jì)許用應(yīng)變/%0.30.350.40.450.40.45主要應(yīng)用次承力結(jié)構(gòu)主承力結(jié)構(gòu)主承力結(jié)構(gòu)主承力結(jié)構(gòu)次承力構(gòu)件B747，B767B777B777，B787B787，A380A380B777，B787A380A380、波音、波音787結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材部件纖維基體樹脂成型工藝水平安定面垂直安定面中機(jī)身翼盒T800S/24K（東麗）IM600/24K（東邦）Hexply

17、 M21Cytec 977-2預(yù)浸料/熱壓罐后機(jī)身蒙皮AS4Hexply 8552纖維鋪放后壓力艙蓋無皺多向碳布RFI專用樹脂預(yù)制體/RFI 波音波音787結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材選用波音選用波音777所用材料如所用材料如 T800H/3900-2等和成熟工藝技術(shù)等和成熟工藝技術(shù)。 A380結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材波音787中央翼盒A350中央翼盒波音787機(jī)身結(jié)構(gòu)布局B787艙門周邊補(bǔ)強(qiáng)艙門周邊補(bǔ)強(qiáng)機(jī)身開口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與補(bǔ)強(qiáng)機(jī)身開口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與補(bǔ)強(qiáng)A350機(jī)身結(jié)構(gòu)布局空客A350XWB波音787段位長(zhǎng)度/米接頭位置段位長(zhǎng)度/米接頭位置機(jī) 頭(鋁合金件)(機(jī)頭對(duì)接接頭)前對(duì)接接頭后對(duì)接接頭(尾錐對(duì)接接頭)41段13.741前對(duì)接接頭(中對(duì)接接頭2個(gè))后對(duì)接接頭(尾錐對(duì)接接頭)前機(jī)身13段18.517中機(jī)身18段18.51743段44/45段46段7.0108.53410.058后機(jī)身15段18.51747段6.934尾 錐(復(fù)合材料)48段9.626A350XWB飛機(jī)多功能的機(jī)-電一體化設(shè)計(jì)方案。 (1)A380復(fù)合材料外翼復(fù)合材料外翼NCFMVI成形工藝成形工藝機(jī)翼制造新技術(shù)、新工藝NCF/MVI成型工藝示意圖成型工藝示意圖機(jī)翼制造新技術(shù)、新工藝(1) A380復(fù)合材料外翼復(fù)合材料外翼NCFMVI成形工藝成形工藝A380