解析ℱ国外碳纤维复合材料技术因何这么强，看这个你就明白了
摘要：国外复合材料技术较系统的持续发展计划促进了高性能碳纤维、高温高韧性树脂基体和先进的复合材料自动化制造技术、液体成形技术不断发展,推动了复合材料整体结构件在飞机上的应用,大幅提升了新一代飞机复合材料用量。国外飞机结构复合材料技术的发展可作为我国新一代飞机结构采用复合材料技术的借鉴。
正文：
先进复合材料比模量、比强度高（见表1），抗疲劳、耐腐蚀、可设计和工艺性好，因此复合材料受到飞机结构设计师的青睐，当前飞机整体复合材料结构技术成为了发展的重要方向。
数十年来欧美发达国家实施了由政府和军方组织、高校与科研机构参加的多个复合材料发展计划。这些计划的实施突破了航空复合材料结构设计、材料、工艺等关键技术，推动了复合材料技术的迅速发展，起到了显著的效果。
国外复合材料研究计划及应用
为了推动复合材料在飞机上大量应用，欧洲和美国从1986 年开始先后启动了TANGO、ALCAS、ACT和CAI等计划，见表2。
通过上述计划的实施，大幅提升了复合材料在飞机结构上的用量，F35 复合材料用量达到结构重量的36%，A400M 达到40%，波音787 达到50%，空客A350 达到52%（见图1）。
国外飞机复合材料中小结构件仍采用预浸带、层片自动裁剪、激光辅助定位/ 手工铺层和热压罐固化等工艺技术，而在飞机主承力整体结构件上不断拓宽自动铺带、自动铺丝、拉挤成形等高精度自动化成形技术的应用，在次承力整体结构件上拓展低成本的液体成形技术，并推出了相应的高性能碳纤维和基体树脂，已获得高性价比的飞机复合材料结构产品。
先进碳纤维和基体树脂
1高性能碳纤维
日本和美国等发达国家的碳纤维已经形成了系列化的生产供应体系。最具代表性的是日本东丽公司形成了从T300 到T1000 的T 系列碳纤维产品，东丽公司的碳纤维产品主要分为3 个系列：T 系列（T300、T400、T700、T800、T1000）碳纤维、M 系列碳纤维和MJ 系列碳纤维。美国Hexcel 公司20 世纪70 年代开发了AS 系列PAN 基标准模量碳纤维（包括AS4、AS4C、AS4D 及AS6 等碳纤维），还开发了IM 系列PAN 基碳纤维，形成了IM6、IM7、IM8、IM9、IM10 等系列产品，见表3。
2高性能树脂基体
高温固化树脂基复合材料形成了标准韧性、中等韧性、高韧性和超高韧性树脂基体系列。基本型环氧树脂基复合材料（标准韧性）的CAI 值大约为100MPa~190MPa（如3501-6/AS-4 等复合材料）；第一代韧性环氧树脂基复合材料（中等韧性）的CAI 值大约为170~250MPa（如R6376/T300、977-3/IM7 等复合材料）；第二代韧性环氧树脂基复合材料（高韧性）的CAI 值大约为245~315MPa（如8552/IM7、977-2/IM7 等复合材料）；而第三代韧性环氧树脂基复合材料（超高韧性）的CAI 值已经达到了315MPa 以上（如3900-2/ T800、977-1/ I M7、5276-1/IM7 和8551-7/IM7 等复合材料），参见图2。
3高性能复合材料在飞机上的应用情况
高性能碳纤维及高韧性树脂复合材料的出现，使复合材料在飞机结构上的应用已由原先的次承力结构发展到机翼、机身等主承力结构。复合材料在民机（以波音787 和空客A380 大型客机为例）主结构上的应用情况如表4 所示。从表4 可以看出，国外民机主结构在选材上采用了由T800 或相当于T800 的高强中模碳纤维与高温固化高韧性环氧树脂复合的高韧性复合材料，以满足复合材料主结构的设计损伤容限要求。
复合材料在军机（以F-22 为例）主结构上的应用情况如表5 所示。从表5 可以看出，美国军机主结构在选材上采用了由IM7 高强中模碳纤维与高温固化高韧性环氧树脂复合的高韧性复合材料，以满足复合材料主结构的设计损伤容限要求。
整体复合材料结构制造技术
先进飞机为获得最好的结构性能和经济效益，在结构设计中不断追求高减重、低成本和长寿命的目标，为此，新一代飞机结构的整体化大幅提升：将十几个零件甚至几十个零件集成为尺寸从十几米到几十米的整体结构，尽量减少由于连接所付出的重量、连接所引起的应力集中以及众多中小零件制造、装配所需的工时和工装，以降低 制造和维护成本。因此复合材料整体化结构的应用已成为新一代飞机结构的发展方向。
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结束语
国外复合材料技术较系统的持续发展计划促进了高性能碳纤维、高温高塑性树脂基体和先进的复合材料自动化制造技术、液体成形技术不断发展，推动了复合材料整体结构在飞机上的应用，大幅提升了新一代飞机复合材料用量。国外飞机结构复合材料技术的发展可作为我国新一代飞机结构采用复合材料技术的借鉴。
来源：刘善国，原文标题是国外飞机先进复合材料技术，2014年发表于《航空制造技术》。
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