干货·用复合材料制造民机有多好啊 全面解析民机用复合材料优缺点

本文是杨超凡研究员原创于2019年3月19日，已获授权发布。

波音787机体(仅指结构,不包括发动机、系统和设备)大约50多吨。其中50%，约25吨是用复合材料制造的。这25吨中，主要是碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)。特别是机身、机翼主要受力结构件，使用的是T800量级碳纤维、增韧环氧树脂基基材的碳纤维复合材料（波音787机身、机翼用T800S/3900-2B; 空客A350机身、机翼用IMA/M21E）。

☆ 减重是复合材料使用的最大优点之一。碳纤维复合材料的密度只有铝的60%，因此它们的强度重量比比金属高得多，有时甚至高达20%。一般说法,相同结构使用复合材料要比使用金属轻20%（目前用在民机上，还没有达到）。波音787设计目标是与当时畅销的金属飞机空客A330-200竞争。

☆ 解决了飞机的疲劳问题。金属飞机的疲劳问题，长期困扰着工程技术人员。疲劳是指，金属飞机在多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏。飞机升空后，机身客舱要增压，着陆要减压。机身一直承受着，增压—减压这样的重复载荷。

50年代,英国接连有三架“慧星”号喷气客机，就是在这样的重复载荷作用下，金属机身在空中解体。另外，机身蒙皮厚度一般只有2毫米左右。特别是，蒙皮和长桁是用铆钉连接。用铆钉连接就得在结构上钻孔、锪窝、打铆钉。一个铆钉孔、窝就是一个疲劳源。多少年来，工程技术人员在小小的铆钉孔、窝和铆钉上费了不少的心思，想提高抗疲劳的能力。但效果并不理想。要想较好地解决疲劳问题，最好是不用钻孔、锪窝、打铆钉。但对金属材料用其他连接工艺，如胶接、点焊、胶接点焊，都存在难以克服的问题。现在用树脂基碳纤维复合材料制造蒙皮、长桁，不再钻孔、锪窝、打铆钉，彻底解决了疲劳问题。制造机身使用树脂基碳纤维复合材料的波音787，被西方誉为民机工程一次技术革命。

☆ 由于复合材料强度重量比比金属高，客舱的压力可以提高。金属飞机的座舱压力相当于，海拔2400公尺的压力。复合材料飞机座舱压力相当于，海拔1800公尺的压力。客舱玻璃比金属飞机客舱玻璃大2/3。复合材料不腐蚀，因此座舱内可以加湿。树脂基碳纤维复合材料,对声波有阻尼作用、吸收声波能量,因此降低客舱的躁音。这几方面的共同作用，提高了座舱的舒适度。

☆ 树脂基碳纤维复合，其中树脂俗称“塑料”。塑料的设计、制造优势在于，零件综合集成。零件综合集成的结果是零件数量减少、连接件减少、连接用的紧固件也减少了。波音787的机身充分应用了这一优势。使得直径6米、长13米的机身段（蒙皮内有100多根长桁）的巨大壳体，成为一个零件（见图）。

☆ 机翼使用复合材料制造，除了解决疲劳问题，还给空气动力带来很大的好处。机翼蒙皮是在凹模中用复合材料模塑成形的。蒙皮外形准确、且光滑流线，再加上它与长桁连接不用铆钉。装配好的机翼，比金属机翼阻力小。

复合材料比强度高，机翼做的比金属机翼薄。薄机翼阻力小。特别复合材料机翼，可以做到比金属机翼展弦比大。展弦比大，机翼的升力就大。展弦比大就是机翼窄长，像滑翔机、太阳能飞机，为追求大的升力，都有很长的机翼（展弦比特别大）。

☆ 综合上述好处，使用50%复合材料制造的波音787，给飞机的用户航空公司带来更诱人的好处—节省燃油。波音787使用G E公司的 GEnx-1B或者罗罗公司的 Trent 1000两款发动机中任何一款。这两款新型发动机本身可节省燃油20%。根据波音公司测算，安装新型发动机的波音787，能节省燃油20%。具体由下列组成：

    新型发动机节油8%；

    先进气动节油3%；

    先进机内系统节油3%；

    使用复合材料节油3%；

    以上3项综合作用，节油3%。

☆  波音787和空客A350，全机表面几乎都是复合材料（见图）。全机喷漆不再用油基漆，而改用水性漆。这样一来，施工简单又环保。

☆  复合材料不腐蚀。因此使用50%复合材料的波音787，机体基本是长寿命的。飞机在使用中节省了机体维护费用。下面图片是波音公司给出，787与金属飞机767的维护成本的比较。

☆  复合材料用量达到50%的波音787,全面改变了飞机制造工厂的面貌。制造铝合金机身蒙皮、长桁、框、连接角片，等钣金零件的钣金车间，工作量大大减少了。巨大的加工设备，如蒙皮拉伸机、型材拉弯机、橡皮囊液压机、超宽剪床、超宽滚床等，使用的机会很少了。部、组件装配车间，由复合材料制造零件开始，直到完成部件是全新的生产组织。车间里一台台全新的自动化设备，一改车间的面貌。

结束语：

用复合材料制造民机有上述如此多的好处，波音787才用到50%，空客A350用到53%。为什么不多用点呢？

简单说，因为碳纤维的形态是点（短切纤维）、线（丝束）、面（纺织布），它只适合制造大面积、曲率小的零件。如：机身、机翼蒙皮、长桁、机身普通框、梁、连接角片等。它不适合制造立体、形状复杂、承受集中载荷的接头类零件（此处也有例外，A350客舱门绞链大接头是复合材料制造的）。

另外，树脂基碳纤维复合材料压缩强度低，不适合制造承受剪切应力大的零件，如机翼翼肋（波音787和空客A350翼肋全部是铝合金的）。实际上是能用复合材料制造的零件，基本上都用到了。