复材·复合材料机身 民机最新复材技术

本文摘要：（由ai生成）

单通道窄体客机如空客A320和波音737等虽使用金属材料，但新型飞机如波音787和空客A350已采用碳纤维复合材料，引领民机工业的“革命”。东丽公司研发的T1100/3960碳纤维复合材料预浸料为波音提供新型材料，Spirit AeroSystems公司提出集成蒙皮和长桁的创新机身壁板制造方案，节约成本30%。

这里的机身说的是单通道、窄体、100座以上的民机的机身。目前这类民机有空客A320、波音737、商飞C919、俄罗斯MC-21以及空客A220（原加拿大庞巴迪的C系列飞机）。

表1.  部件使用的材料

波音787和空客A350投入航线快十年了。航空公司和广大乘客都感受到碳纤维复合材料带来的福祉。民机使用复合材料已经成为衡量先进与否的重要标志之一。特别是机身使用复合材料被誉为民机工业的“革命”。

现A320和B737尽管机翼、机身都是用金属制造。但这种大小的飞机销路十分火爆，是这两家飞机制造公司的拳头产品、也是摇钱树。近些年其他公司新研发的飞机，仅机翼使用了复合材料。她们还不能对A320和B737的市场构成严重的威胁。因此，空客和波音对用复合材料制造机翼和机身的方案，迟迟没有启动。没有启动不等于不做工作。今年巴黎复合材料展会和航展，以及近期有关复合材料报道的文章，都清晰地看到空客和波音在A350和787投产后，结合它们的经验，一直在研究如何把复合材料更好地应用在单通道民机上。双方都想在用复合材料制造机翼、机身的单通道民机上，再争高下。如，东丽为波音研发的、制造受力结构的、新型树脂基碳纤维复合材料预浸料：T1100/3960。同时还展出了蒙皮、长桁、大梁集成的尾翼组件试验件。空客和他的合作伙伴也陆续发表了，在“明日之翼”项目合作研发的一些成果。“明日之翼”明确地表示，替代A320的新型号民机，机翼将是蒙皮、长桁、大梁集成的结构。同时要采用满足生产进度需求的树脂注入工艺。最近为空客和波音制造大部件的SpiritAeroSystems公司，公布了制造新一代单通道民机机身的创新方案。新机身创新壁板造使用新材料/新工艺结合，集成制造蒙皮和长桁，节约成本30%（图1.）。

图1.  在巴黎航空展上首次亮相的5.5×3.7米的展示机身板组件

在巴黎航空展上首次亮相的5.5×3.7米的展示机身板组件，集成了蒙皮和长桁，并提供了可观的成本节约和强大的性能。

创新材料

新机身创新壁板造使用新材料/新工艺结合，集成制造蒙皮和长桁，节约成本30%。制造蒙皮、长桁所用的材料是，东丽新研发的环氧树脂基碳纤维复合材料T1100/3960。

• 制造长桁用预浸3960基材树脂的QISO®准各向同性织物（又叫无卷曲织物 - NCF）。

• 制造蒙皮用T1100/3960预浸基材树脂的碳纤维无捻纱带。

T1100是2017年东丽引入市场的。它不但提高了强度，而且还提高料模量。它是介入中模量（IM）和高模量（HM）之间的一种新纤维，被称为IM+纤维。

T1100碳纤维使用了东丽定量技术，达到精细级控制纤维结构。结果是显著的性能改进超过东丽的其他碳纤维，见表2.和表3.。

表2.  碳纤维强度性能数据

表3. 碳纤维性能范围

东丽下一代3960预浸料系统展示了航空材料性能的下一个飞跃。它使用“纳米-合金-基础”的技术，以实现拉伸强度和抗压强度。3960树脂系统与先进的T1100碳纤维的互补配对（Complementary pairing），为未来的材料提供了无与伦比的性能。高韧性，卓越的抗拉性能，以及保持121°C(250°F)的热湿性能，使3960系统成为航空航天工业未来需求的明确选择。   

T1100/3960它比其广泛使用的前辈—东丽的T800S/3900预浸料—提供了20%以上的刚度，但没有通常伴随刚度增加而出现的强度下降。（T800S/3900-2B是波音787机身、机翼，以及波音777X机翼使用的材料。）

T1100/3960的抗拉强度为3797 MPa，抗拉模量为173GPa，（T800S/3900-2B抗拉强度为2960 Mpa，抗拉模量为153 GPa。飞机使用的高强度铝合金7075拉伸强度为510Mpa，抗拉模量为71GPa。）

T1100/3960不用热压罐，在高温炉中固化。

T1100/3960不仅适用于自动铺丝机（AFP）,还适用于手工铺铺放。

QISO® 准各向同性织物（图2.）是A&P技术公司(美国俄亥俄州辛辛那提市)的产品（用哪种纤维没查到）。

图2. 准各向同性织物

创新工艺

图3.   机身长桁的演变

从图3.清晰地看出，复合材料长桁改变了原金属长桁的剖面。与蒙皮连接不再用铆钉，而是共固化或者共胶接。这两类长桁都是事先在长桁制造车间制造好的。

创新机身壁板长桁不再是单独预先制造出来。长桁由碳纤维QISO®准各向同性织物预浸片制成。先将预浸片放置在开槽的机身模具表面。然后，使用真空成型，预浸片被拉入长桁圆弧凹槽，形成具有长桁圆弧凹槽波纹的长桁板。接着，就像波音787或者A350机身中段曲面板所做的一样，用自动铺丝机（AFP）铺放T1100/3960纤维带，制造机身蒙皮。再在热压罐中固化。结果是机身蒙皮具有连续的内表层，并具有完全集成的长桁。创新工艺最突出的亮点是：

• 长桁和蒙皮集成制造；

• 蒙皮内表面贴合着一层无缝QISO®准各向同性织物；

• 无排气充气囊系统；

• 长桁剖面是圆弧状。

模具型面使用双马来酰亚胺(BMI)碳纤维复合材料。型面与支撑结构之间采用浮动连接。

板件制成后，SpiritAeroSystems公司与威奇托州立大学的国家航空研究所(NIAR)合作，开始了一项测试工作，旨在评估蒙皮和长桁板的不同纤维组合。该公司测试了抗冲击、强度、疲劳、环境冲击、雷击、FST(火焰、烟雾、毒性)和损伤容限。测试的结果，达到了公司的目标厚度。

铺放碳纤维带使用Electroimpact公司 (Mukilteo, 华盛顿州)自动铺丝机（AFP），该机器可操纵铺放放门开口周围的圆角（圆角半径6英寸- 152.4毫米）。

SpiritAeroSystems公司虽然展示的创新材料和工艺，最适合基于曲面板的机身结构（类似A350），但是它也可以适用于基于整体桶的机身结构(类似波音787)。此外，该公司还开发了一套制造生产线，称其可以满足单通道项目每月60架次的需求。 

编译感言

Ø 在介绍T1100/3960资料特别用到纤维与基材树脂“互补配对”（Complementary pairing）一词。这一点对国内研发复合材料十分重要。

Ø 图1所示的创新机身板件中，蒙皮和10根长桁共固化后，成为一个零件。两个复合材料框是在板件的装配夹具中安装的。框与蒙皮通过剪切角片与用铆钉连接。

Ø 创新机身壁板的确适合，由曲面板组合的机身结构。它要用于整体筒结构的机身，想像中还有问题。需要进一步跟踪、研究。

Ø Spirit在文章中还没有披露空客、波音，到底是用曲面板组合的机身结构，还是整体筒的机身结构。

Ø 单通道民机机身（包括机翼）使用复合材料，一个共识是，在成本控制的前提下，“要有铝合金的制造速度，又要有复合材料的优越性能”。固化时间是一个重要因素。文章中还没有固化时间。

Ø 单通道民机机体重量在23吨左右。如果机翼、机身使用复合材料，再加上尾翼用的复合材料，复合材料用量占机体重量的50%左右，即11.5吨。新型号民机目标产量是每月60架，这也就是说每月需要600多吨碳纤维复合材料。

Ø SpiritAeroSystems(美国堪萨斯州的威奇塔)她收购了，波音公司在威奇塔的飞机部件制造厂。目前是世界第一大的飞机部、组件制造公司。其中最突出的是：目前她每月至少要向波音公司737在西雅图的伦顿总装厂，提供50个737整机身。737整机身用火车，由威奇塔运输到伦顿总装厂（图.4）。每月至少向波音787总装厂交付16-17架787机头段。机头段用飞机运输（图.5）。 

另外，在美国北卡罗来拉州的金斯顿新建复合材料部件制造工厂。专门为空客生产A350的中机身复合材6块料曲面板（图.6）。带框的曲面板空运到法国图鲁兹的总装厂。

Spirit AeroSystems 还参加了空客的“明日之翼”项目的研发工作。 

图4. 火车运输737整机身

图5.  飞机运输787机头段

图6.  制造A350机身中段曲面板 

附：一组现搜索到的创新机壁身板详图：

参考资料：

《Spirit AeroSystems debuts next-generation composite fuselage pane》6/16/2019                                 

《SpiritAeroSystems collaborates on Wing of Tomorrow program》6/18/2019

《2019 Paris Air Show: Highlights》6/25/2019

《High-strength andHigh-modulus Carbon Fiber TORAYCA® T1100G》

《3960 PREPREG SYSTEM - Toray CompositeMaterials …》

《明日之翼》

本文作为向党的98岁生日献礼！

杨超凡

2019.6.26

作者简介：杨超凡，飞机制造高级专家，近年专攻民机复合材料。原航空工业部首批研究员级高级工程师，享受国务院特殊津贴。

注：本文由杨超凡研究员创作，如需转载请注明作者及出处，谢谢！

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