從民用飛機(jī)的發(fā)展歷史來看，先進(jìn)材料的選擇及應(yīng)用是民用飛機(jī)不斷創(chuàng)新進(jìn)步的重要力量，也是其占領(lǐng)商用市場的關(guān)鍵技術(shù)手段。同時(shí)，材料對飛機(jī)成本的影響越來越顯性化，先進(jìn)材料在不斷推動(dòng)航空技術(shù)革故鼎新，也帶來了制造成本的極大提高，需要飛機(jī)主制造商更加謹(jǐn)慎地權(quán)衡先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，更好地接受市場和客戶的檢驗(yàn)。

一、復(fù)合材料概述

從航空歷史的發(fā)展可見，從第四代飛機(jī)開始，以輕質(zhì)鋁合金為主導(dǎo)，輔以鈦合金和復(fù)合材料，第五代飛機(jī)則以復(fù)合材料為主導(dǎo)，輔以鋁合金和鈦合金材料。復(fù)合材料在第四代飛機(jī)以后獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用范圍和前景越來越獲得主機(jī)制造商的青睞。其中，復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料以纖維增強(qiáng)在商用飛機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

復(fù)合材料通常具有密度低、比模量高、耐腐蝕和易于成型等優(yōu)點(diǎn)，但也具有層間強(qiáng)度低、沖擊敏感、不導(dǎo)電、材料昂貴、壽命短和難回收等不足，如圖1所示。

復(fù)合材料主要的制造工藝可分為纖維預(yù)浸工藝和預(yù)成型液體成型工藝兩大類，傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型工藝主要有熱壓罐成型、拉擠成型和纏繞成型等，比較新型的成型工藝有自動(dòng)鋪絲法。預(yù)成型液體成型工藝如 RTM，RFI和VARI 等，近年來為了航空領(lǐng)域復(fù)合材料制造、研發(fā)的重點(diǎn)，主要制造工藝分類如圖2所示。

國外大飛機(jī)復(fù)合材料的應(yīng)用主要經(jīng)歷了以下四個(gè)發(fā)展階段：

其中主流寬體客機(jī) A350 復(fù)材用量占比達(dá)到了 52%，B787 復(fù)材用量占比為 50%，可以預(yù)見復(fù)合材料在未來新型大飛機(jī)上的應(yīng)用將越來越廣泛。

波音公司在民機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上應(yīng)用復(fù)合材料的嘗試始于B777 客機(jī)的尾翼，隨后在B787 客機(jī)上實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，將應(yīng)用范圍擴(kuò)大至機(jī)翼和機(jī)身，最新的B777X 機(jī)翼則集成了目前世界上最先進(jìn)的復(fù)合材料制造、裝配和檢測技術(shù)。

波音公司787 項(xiàng)目于2004 年4月啟動(dòng)，B787 客機(jī)于2009 年12 月首飛，2011 年9 月首架交付。B787客機(jī)是世界上第一款將復(fù)合材料應(yīng)用于機(jī)翼和機(jī)身主承力結(jié)構(gòu)的大型民機(jī)，復(fù)合材料單機(jī)用量約25t，占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的50% 左右。日本東麗公司為B787 客機(jī)研發(fā)了第三代增韌環(huán)氧復(fù)合材料T800S/3900–2B，屬于經(jīng)改進(jìn)的大絲束碳纖維，該材料的沖擊后壓縮強(qiáng)度值（Compression after impact, CAI）達(dá)到了315~345MPa。

B787 客機(jī)的機(jī)翼展長約60m，由日本三菱重工委托日本新明和工業(yè)株式會社研制。機(jī)翼壁板為整體的I 型加筋壁板，采用“濕蒙皮+ 干長桁”的共膠接工藝，蒙皮采用預(yù)浸料自動(dòng)鋪帶（Automated tape laying, ATL）工藝制造。機(jī)翼前、后梁長度均約為28m，分別由3 段組成，由人工在陽模上鋪貼、熱壓罐固化成型。B787 客機(jī)的機(jī)身由6 段筒體組成，每段機(jī)身筒體采用纖維自動(dòng)鋪放（Automated fiber placement, AFP）工藝制造，縱向桁條為帽形閉合剖面，與機(jī)身蒙皮共固化整體成型，隔框?yàn)椤癈”形剖面框。該機(jī)身筒體制造方案減少了約1500個(gè)零件和40000~50000 個(gè)緊固件。

B777X 客機(jī)于2020 年1 月25日首飛。客機(jī)采用全復(fù)合材料機(jī)翼，翼展達(dá)到了71.8m，是目前世界上最大的復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)，其代表了當(dāng)今最先進(jìn)的復(fù)合材料技術(shù)水平，使得大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造與裝配向著全自動(dòng)化邁進(jìn)了一大步。

B777X 機(jī)翼蒙皮、長桁和翼梁均采用了AFP 工藝，長達(dá)32m 的翼梁不分段整體鋪貼成型，大幅減少了零件數(shù)量和裝配工作量。B777X 機(jī)翼壁板和翼梁的制造使用了兩套創(chuàng)新的龍門式高速AFP設(shè)備。

空客公司的復(fù)合材料應(yīng)用比例是漸進(jìn)增長的，從最初在A300 上不足5%，到A310、A300 上約5%，再到A320升至10%，A380 則達(dá)到了25%，A400M升至30%，直到A350XWB 的52%。

A380 客機(jī)的復(fù)合材料用量為25% 左右，應(yīng)用部位包括了中央翼盒、尾翼、襟翼、副翼、擾流板、機(jī)身上壁板、機(jī)身地板梁、機(jī)身后體球框、整流罩等，其最大設(shè)計(jì)特點(diǎn)是首次將復(fù)合材料應(yīng)用于中央翼盒，并達(dá)到減重1.5t 的效果。A380 客機(jī)中央翼盒采用ATL工藝制造，復(fù)合材料層板厚度達(dá)到50mm 以上，翼身對接區(qū)更達(dá)到100mm 以上，突破了大厚度復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)證技術(shù)。

A380 客機(jī)的水平尾翼和垂直尾翼同樣采用了ATL 工藝，而在后機(jī)身和機(jī)翼外襟翼上使用了AFP 工藝，后機(jī)身壓力框采用了樹脂模滲透成型（Resin film infusion, RFI）工藝。

圖6展示了A380飛機(jī)采用復(fù)合材料的部件，飛機(jī)關(guān)鍵部件如平尾和外側(cè)襟翼均采用了碳纖維復(fù)合材料，并采用了自動(dòng)鋪帶技術(shù)，可見復(fù)合材料已經(jīng)從早期的受力較小的非關(guān)鍵部件逐漸應(yīng)用到可承受重載荷的關(guān)鍵部件。

典型復(fù)材結(jié)構(gòu)在機(jī)身上的應(yīng)用如圖 7 所示。

典型復(fù)材結(jié)構(gòu)在機(jī)翼上的應(yīng)用如圖 8 所示。

中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司作為國內(nèi)最大的民機(jī)主制造商，在推動(dòng)復(fù)合材料應(yīng)用于民機(jī)結(jié)構(gòu)方面做了諸多嘗試。

國產(chǎn)大飛機(jī)上的主承力結(jié)構(gòu)主要采用 T800 級碳纖維/增韌環(huán)氧材料，次承力結(jié)構(gòu)主要采用 T300級碳纖維/非增韌環(huán)氧材料，此外熱塑性復(fù)合材料（C929）和 液 體 成 型 材 料（C929 窗 框）也有應(yīng)用 ，C919飛機(jī)和C929飛機(jī)復(fù)材應(yīng)用范圍如圖 14，15所示。

C929飛機(jī)復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用均有新突破，其典型應(yīng)用部位如圖17所示。

2018 年底，由中國和俄羅斯聯(lián)合研制的CR929 攻破關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)，CR929 寬體客機(jī)復(fù)合材料前機(jī)身攻關(guān)全尺寸筒段順利總裝下線（圖12），該全尺寸筒段長約15m，直徑約6m，環(huán)向壁板分為4 塊，由縱縫拼接而成，最大框弧長約6m。該筒段的研制突破了壁板AFP 工藝、全尺寸級長桁制造和裝配等技術(shù)難題，是國內(nèi)首次采用全復(fù)合材料設(shè)計(jì)理念開展的寬體客機(jī)機(jī)身大部段研制工作。

CR929 遠(yuǎn)程雙通道寬體客機(jī)計(jì)劃在機(jī)翼及機(jī)身結(jié)構(gòu)上大面積使用復(fù)合材料，預(yù)計(jì)使用比例超過50%。此項(xiàng)目進(jìn)一步提升了我國復(fù)合材料機(jī)身研制技術(shù)成熟度。

國產(chǎn)大飛的復(fù)合材料以熱壓罐工藝為主 ，高端自動(dòng)化制造技術(shù)已開始應(yīng)用，技術(shù)成熟度和生產(chǎn)效 率還有待提高，還沒有全自動(dòng)專業(yè)化生產(chǎn)線 。材料體系與國外民機(jī)處于同一水平，隨著碳纖維在國產(chǎn)民機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛，將逐步帶動(dòng)芯材、結(jié)構(gòu)膠、復(fù)合材料半成品等體系的建設(shè)和發(fā)展 。目前國內(nèi)已具備的材料體系如圖18所示。

綜合大飛機(jī)的先進(jìn)性、使用特性、制造技術(shù)水平和成本考量等因素，主承力結(jié)構(gòu)使用復(fù)合材料已是大勢所趨，且向著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體化、大型化、制造與裝配自動(dòng)化前進(jìn)。出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，以液體成型為代表的非熱壓罐制造工藝以其整體成型、復(fù)雜型面成型的能力和低能耗、低成本的優(yōu)勢必將成為飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的主要發(fā)展方向。

先進(jìn)復(fù)合材料作為我國的一項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)，亟需突破復(fù)合材料應(yīng)用到主承力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析、制造裝配、試驗(yàn)驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)，建立符合適航標(biāo)準(zhǔn)的大型民機(jī)復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)研制全流程。