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大飞机C919一飞冲天 都用了哪些新材料?

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摘要

近年来,航空航天材料技术持续进步,市场规模扩大,特别是具备轻质、抗疲劳和耐腐蚀特性的复合材料备受青睐。据ASD Reports预测,到2022年,航空航天复合材料市场将达到429.7亿美元。中国国产客机C919在材料应用上取得突破,采用先进材料实现整体减重约7%,其中复合材料的使用量达到12%,超过波音737和空客A320。C919使用了多种先进材料,包括T800级碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、芳纶蜂窝材料以及碳纤维复材和陶瓷基复材,这些材料的应用提升了飞机性能,同时降低了维护成本。C919的成功标志着中国在材料领域的里程碑式进步,并为复合材料在民机制造领域的应用积累了宝贵经验。

正文

近年来,航空航天材料技术水平不断提高,市场规模不断壮大,尤其是具备轻质、抗疲劳、耐腐蚀等特性的先进复合材料,成为了市场的“香饽饽”。ASD Reports咨询公司最新报告显示,预计到2022年,航空航天复合材料市场总额可达429.7亿美元。

在陕西阎良,国产客机C919首架机于11月23日完成转场后首次试飞。此次试飞,拉开研发试飞和适航取证试飞的帷幕,标志C919向取得适航证并投入航线运营迈出关键一步。由于大规模采用先进材料,C919整体减重7%左右。研制国产客机,关键之一就是提高先进材料的应用水平,而复合材料用量是判断民用客机先进性的重要标志。

C919由复材制成的零件中,有大尺寸复合材料壁板结构(水平尾翼、垂直尾翼)、蜂窝三明治夹层结构(活动面)、大曲率变截面(后机身)等复杂结构,加之尺寸很大,使得制造难度增加。

在C919身上    
先进材料得到了大规模应用    

C919为双发涡扇中型机,长38.9米,连翼展35.8米,高12米,最大可容纳190人之多。在它的“皮肤”上,第三代铝锂合金材料、先进复合材料的用量分别达8.8%和12%,而此前在ARJ客机上的应用量仅有1%。ARJ的新材料,用于非承力结构,而C919使用在机身后段以及平尾等承力部位。对标波音737和空客A320两种型号的“竞争对手”,C919上先进复合材料的使用量也更多。

因此,C919被认为“在我国材料领域具有里程碑式的意义”。公开资料显示,新材料使体型较大的C919减重7%以上。飞机上使用的复合材料主要是指碳纤维增强树脂基复合材料,具有质量轻、耐腐蚀的特点,不仅能降低飞机的自重、增加载客量,而且减少了后期维护的费用。此外,还有玻璃纤维复合材料及芳纶蜂窝材料的使用。


1
 
后机身和平垂尾等使用了T800级碳纤维复合材料  


C919大型客机是国内首个使用T800级高强碳纤维复合材料的民机型号。相比T300级材料,T800级材料强度、模量更高,韧性更强,具备更好的抗冲击性,C919上受力较大的部件,如后机身和平垂尾等都使用了T800级碳纤维复合材料。


T300属于第一代民机复合材料,其树脂基体为未增韧的脆性环氧树脂基体,增强纤维为T300碳纤维,其拉伸强度约为3.5GPa,拉伸模量约为230GPa。T300呈现脆性材料性能特征,对冲击载荷引起的分层损伤比较敏感,因此只能用于受力不大的次承力结构。C919上使用的T800材料采用增韧环氧树脂基体,增强纤维为T800碳纤维,拉伸强度和拉伸模量较T300提高50%左右,也是目前国际上民机主承力结构应用最为广泛的复合材料。

2    
 
雷达罩使用了玻璃纤维复合材料  


相比碳纤维复合材料,玻璃纤维复合材料的力学性能稍低,但由于碳纤维介电常数较高,会影响雷达工作,C919大型客机的雷达罩使用了玻璃纤维复合材料。另外一些受力较小的部件,如襟翼也使用了玻璃纤维复合材料。因为玻璃纤维复合材料成本比碳纤维复合材料低,在受力较小的部件上应用,既可以达到设计要求,又可以降低 制造成本。


3
 
舱门和客货舱地板使用了芳纶蜂窝材料  

C919大型客机舱门和客货舱地板使用了芳纶蜂窝材料,这是一种采用酚醛树脂浸渍的芳纶纸制成的轻质高强非金属仿生芯材制品。它模仿蜜蜂的蜂巢设计,具有稳定、轻质的结构和很高的比强度,与泡沫芯材相比,它具有更高的剪切强度,与金属蜂窝相比,它更加耐腐蚀。同时,芳纶蜂窝材料还具有高韧性、良好的抗疲劳性能和防火性能,是一种比较理想的民机复合材料。值得一提的是,近期,C919飞机确定了首家国内芳纶蜂窝材料供应商,这也是C919飞机首次“牵手”国产复合材料供应商。

4    
 
“心脏”使用了碳纤维复材及陶瓷基复材  


航空发动机作为“航空之花”,可以说是航空技术和工业积累的完整体验。C919的发动机为LEAP-X1C发动机。它采用了18片赛峰公司研制的碳纤维复合材料风扇叶片以及美国通用电气公司研制的陶瓷基复合材料涡轮部件。

民用客机中    
的复合材料    

复合材料最早应用于军用飞机上。上世纪90年代开始,国外率先将复合材料应用在战机机身、主翼、尾翼及蒙皮等部位,起到了明显的减重作用,大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能,甚至在一些轻型飞机和无人驾驶飞机上,已实现了结构的复合材料化。


然而,与军用飞机更加注重性能优越不同,民用飞机更加注重的是生产的稳定性。适航要求飞机每飞行小时发生一次灾难性事故的概率在10-9以内,这个要求分解到材料上,就要求供应商保证生产出来的材料在大概率上能够达到平均性能。


复合材料飞机应用的两个划时代意义的里程碑当数空客公司的A380飞机和波音公司的“梦幻飞机”波音787飞机——在A380上高性能复合材料用量达到飞机结构用量的25%,而波音787复合材料整体机身段成为新一代大型飞机材料技术的第一亮点,由于减少了1500个零件和4万~5万个连接件,故显著减轻了结构重量,大幅降低了制造、装配、运营和维护成本。

复合材料零件生产对操作人员、操作工艺、操作环境等有着十分严格的要求,甚至不同的人按照同样的工艺生产,产出的零件性能却可能有较大差异,这对民机复合材料结构零部件生产的质量控制而言是个巨大挑战。


新生事物在初始阶段总是带着这样那样的问题,国外民机在复合材料应用方面也走过了从手工铺贴到自动化、从生产不稳定到稳定、从次要结构到主要承力结构的探索过程。因此,C919复合材料应用在民机领域的探索作用可能远大于型号收益本身。

结语  

国产大飞机C919在雷达罩、机翼前后缘、活动翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后机身、尾翼等主承力和次承力结构上使用了复合材料,占全机结构总重的比例达11.5%。这是中国民用航空制造领域第一次在主承力结构、高温区、增压区使用复合材料,并且实现了T800级高强碳纤维增韧复合材料的应用,为复合材料在民机制造领域的应用积累了宝贵的工程实践经验。

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来源:碳纤维生产技术
疲劳复合材料通用航空航天材料仿生控制
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首次发布时间:2024-04-20
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