现代大飞机复合材料应用与制造技术浅析

付天宇

摘 要：由于复合材料具有比强度高、比刚度大、可设计性强及良好的抗疲劳损伤性能和耐腐蚀性能的优点，大批飞机零、部件相继采用复合材料，并且采用复合材料的部位、面积和重量也日趋增加。将先进复合材料应用于飞机结构中可相应减重20%～30%，这是其他先进技术很难实现的效果。复合材料已成为铝、钢、钛之后，迅速发展的四大航空材料之一，所占比例也越来越高，在民用飞机上获得了大量应用。

关键词：现代大飞机;复合材料应用;制造技术

复合材料工艺技术的发展为实现民用飞机大部件的整体设计与整体制造提供了可能，使得飞机结构零部件的数量大大减少，提高了飞机的生产效率和可靠性。目前采用复合材料取代金属和非金属等常规材料制造结构件已经成为世界民机制造业的主流趋势，这对中国自主研制的大型民用飞机的市场竞争力提出了严峻的考验

一、大型飞机复合材料制造技术

1.1 复合材料成本过高仍是制约飞机结构大量应用复合材料的主要障碍，造成成本下不来、用量上不去的状况。复合材料成本的70%以上来自制造工艺，因此，低成本的制造技术仍是复合材料发展中亟待解决的关键问题。目前，国外复合材料最新的制造理念是整体制造（即尽量将复合材料设计成整体结构），采用诸如像自动铺放、共固化或共胶接等技术实现整体制造。在满足结构总体性能要求的前提下，复合材料整体成型技术的意义在于可以通过减少零件数目、紧固件数量和协调/连接装配工作量进一步减轻结构重量，降低成本（尤其是制造成本）。同时，由于相应钉孔数量下降，可改善结构的承载能力，采用整体成型技术还可以减少分段、对接、间隙和台阶，使机体表面光滑，降低RCS值，提高隐身性能。

1.2 采用自动铺放技术可显著降低具有复杂形状复合材料构件的制造成本。最早的自动铺放技术研究始于复合材料机身的制造，由于采用缠绕技术制造机身时缠绕张力使凹面产生缝隙，并使纤维滑移而偏离原来位置，且传统的缠绕工艺无法有效改变厚度，纤维铺放技术解决了上述问题，在大型复杂型面上铺放和压实连续预浸纤维，使得纤维在芯模上的铺放完全在无压力状态下进行;铺放预浸带时可按要求调整其宽度，还能通过加热或冷却调节其粘度，自动铺放精度可达0.005ram。自动铺放（ATL/AFP）自动化制造技术可以提高制件质量和工艺效率，减少零件数量，降低制造及装配成本，目前该技术已得到广泛应用。

1.3 自动铺带适用于尺寸较大，曲率相对较小的零件，如整体壁板类零件、大梁、长桁等，而纤维自动铺放适用于尺寸较大，形状相对较复杂的零件，如机身段、进气道等。目前哈飞集团已经引进了自动铺带设备，下面以自动铺带为例，简要介绍机翼整体壁板的制造流程。大型飞机机翼整体壁板结构尺寸较大，不适于手工制造，只能采用自动铺带制造技术。整体壁板分为包括横、纵向加强筋的格栅式整体壁板和只包括横向加强筋的整体壁板。加强筋还分为工字形、T形等结构形式，带有工字形加强筋的格栅式整体壁板成型最为复杂，而只带有横向T形加强筋的整体壁板相对较易制造，但无论采用何种形式，其制造流程基本是一致的。

二、复合材料在大型民用飞机中的应用

复合材料呈多层次结构，其复杂程度远高于金属材料，大型结构件的整体成型和集成制造使得问题更加复杂化，因此其在大型民用飞机上的应用历经坎坷。波音B757和波音B767中复合材料占总质量的4%;波音B777和空客A340中复合材料的质量分数上升到11%和14%;对于空客A380，复合材料的质量分数为25%;对于代表当今世界民用飞机制造技术最高水平的波音B787和空客A350，复合材料的质量分数高达50%和52%。

可以说，先进复合材料质量占飞机结构总质量的多少，在某种程度上已经成为评价该飞机技术先进程度和市场竞争力的重要指标。从国外的情况来看，复合材料在大型民用飞机结构中的应用主要表现为如下发展趋势。

2.1 复合材料在大型民用飞机中所占质量分数越来越大

以空中客车公司为例，复合材料占飞机结构的质量分数从A310—300机型的5wt%，上升到A380的25wt%，再到A400M的35wt%，在A350飞机上这一质量分数高达52wt%，第一次实现了复合材料的用量超过了金属材料的用量，被称为“塑料飞机”。

2.2 复合材料被大量应用于主承力结构

复合材料最初应用于飞机的舱门、整流罩、安定面等次承力结构，随着材料性能的不断提高，目前复合材料已经被广泛应用于机身机翼等主承力结构。空中客车A380的中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、机身后段、机身尾段、地板梁、后承压框、垂尾等大量主承力结构都采用碳纤维复合材料。

2.3 由复合材料制造的复杂曲面结构件越来越多

复合材料在复杂曲面结构件上的应用存在一定的挑战性：（1）受制于制造变形的问题;（2）在铺层设计方面也具有较大的难度。大量先进制造工艺的出现使得由复合材料制造的复杂曲面结构件越来越多，如A380机身19段和球面后压力框等具有复杂曲面的大尺寸受力部件，分别采用复合材料纤维自动铺丝技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。

2.4 飞机结构件的制造向整体成型和共固化方向发展

复合材料之所以在大型民用飞机中所占质量分数不断提高，甚至能够取代金属材料大量应用于飞机结构件的制造，不仅仅是因为其轻质高强的特点，更重要的是因为复合材料易于集成制造，从而可实现大型构件的整体成型。复合材料结构件的共固化和整体成型技术能够显著减少零件和紧固件的数量，缩短生产周期，减少制造和装配工时，大幅度降低生产成本。

结语

（1）波音和空客公司在波音787和空客A350上大量使用复合材料的事实表明，复合材料结构不仅减轻了飞机的结构质量，而且改善了飞机的耐腐蚀性能和抗疲劳性能，降低了飞机的维护费用，大幅度提高了民用飞机的经济性、舒适性和环保性，成为现代大型客机先进性和市场竞争力的标志。

（2）经过40多年的发展，国外民用飞机制造商已经积累了大量的复合材料使用经验，解决了以往应用中的瓶颈问题，新技术和新工艺的日益成熟以及自动化设备的广泛采用大大降低了复合材料的生产成本和应用风险。

（3）当今世界大型民用飞机已经进入了复合材料时代，中国自主研制的大飞机也正积极应对挑战，在下一代国产大型民用飞机中复合材料的应用必将有突破性的进展。

參考文献

[1]邢丽英，蒋诗才，周正刚.先进树脂基复合材料制造技术进展EJ].复合材料学报，2017，30（2）：1—9.