2023 年 5 月 28 日,国产大飞机 C919 完成载客首秀,成功开始商业之旅。其机身采用第三代铝锂合金材料、先进复合材料,其用量分别达 8.8% 和 12%。复合材料比金属等传统材料轻,将其应用于航空航空领域,有助于减排、降本、减重、延长飞机结构部件的使用寿命等。由于大规模采用先进复合材料,C919 机体约减重 7%。据波音公司估算,喷气客机重量每减轻 1kg,其在使用期限内可节省 2200美元。因此,机体结构复合材料化是飞机先进性的重要标志。
图:C919 飞机的各类材料应用比例如图所示
(一)具有高度通用性
复合材料不受传统材料的限制,能够模制成复杂的配置,构建定制的零件以满足飞机特定要求。
(二)具有高比强度和比刚度
复合材料重量轻,强度和刚度大,将其应用于飞机部件,可大幅减重,降低 制造成本。
(三)具有极强的耐候性和抗疲劳性
复合材料可承受异常高温且耐疲劳,主要应用于建造飞机和航天器的主要承重结构,例如机翼、机身、起落架、发动机舱等。
(四)具有优越的减振性能
复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大,振动衰减时间较短,因此具优异的减振性能。
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。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 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。其发动机风扇叶片也采用碳纤维复合材料。C919 上使用的 T800 材料采用增韧环氧树脂基体,拉伸强度和拉伸模量较 T300 提高约 50%,其是目前国际上民机主承力结构应用最为广泛的复合材料。
相比碳纤维复合材料,玻璃纤维复合材料的力学性能稍低。然而,碳纤维介电常数较高而影响雷达工作,故 C919 大型客机的雷达罩使用玻璃纤维复合材料。另外机体受力较小的部件,如襟翼也使用玻璃纤维复合材料。因为玻璃纤维复合材料成本比碳纤维复合材料低,在受力较小部件上应用,既可达到设计要求,又可降低 制造成本。
图:复合材料在 C919 飞机上的应用部位示意图
2022 年全球航空复合材料市场约为 300亿美元,预计 2027 年将达到 516亿美元。复合材料具有卓越的性能,可以可承受严苛的条件,是航空航天结构领域的支柱。随着全球对节油飞机的需求不断增长,未来飞机结构复合材料化的趋势将不断扩大。目前,国内航空高端碳纤维复合材料主要依赖日美进口。国内光威复材、博云新材等复合材料制造商一起开展同 C919 的适航认证工作,其研发的复合材料有望进入 C919 产业链。此举有助于加大复合材料国际市场占比,同时减少进口受制于人的局面。
来源:综合消息、前沿材料