图文解说高性能碳纤维在航空领域的应用

1 碳纤维在飞机结构中应用

飞机结构分为主要结构(primary structure，又称初级结构)和辅助结构（secondary structure，又称次级结构)两大类。其中初级结构包含重要结构和其它主要结构。重要结构指传递飞行、地面或者增压载荷的关键结构件或者关键结构组件，结构件一旦失效，将导致飞机灾难性事故。

次级结构仅传递局部气动载荷或者自身质量力载荷的结构，结构失效不影响结构持续适航性/飞行安全。大多数次级结构主要作用为保证飞机气动外形、降低飞行。飞机主要结构和辅助结构主要结构如图1所示。

图1 飞机初级、次级结构主要组成

碳纤维在飞机结构件中首先是作为次级结构件应用，而且一般用量也不高，后续碳纤维性能稳定和提升，开始逐渐用于航空飞机的初级结构，碳纤维在飞机中初级、次级结构应用实例分别如图2、图3所示。

图2 碳纤维在飞机初级结构中应用

图3 碳纤维在飞机次级结构中应用

2 碳纤维复合材料在飞机领域用量

碳纤维复合材料在军机应用比例逐渐增加（图4），如欧洲台风战机碳纤维复合材料用量已占总重50%左右。碳纤维复合材料在军机应用转折点发生于上世纪70、80年代，由美国原麦道公司（现波音/Boeing）研发的F/A-18系列战机。

1976年原麦道公司率先研制了F/A-18的复合材料机翼，碳纤维复合材料的用量首次超过10%，后续通过进一步采用自动铺丝技术为FA-18E/F制造CFRP的12块机身蒙皮，10块进气管蒙皮，4块水平尾翼蒙皮，碳纤维复合材料用量也突破20%。目前国外军机上碳纤维复合材料用量约占机重20%~50%。

图4 碳纤维复合材料在军机中用量

目前碳纤维复合材料在波音787和空客A350商业民用飞机中用量也达到50%及以上（图5）。在波音B787飞机中，碳纤维复合材料已广泛应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位。波音787是全球首个同时采用碳纤维复合材料机翼和机身的大型商用客机。

图5 碳纤维复合材料在民机中用量

碳纤维复合材料在军机、民机中应用研究均始于上世纪70年代（图6），在上世纪90年代军机中碳纤维复合材料应用比例大幅度增加后，国外主要公司开始考虑在商用飞机中逐渐增加碳纤维复合材料用量。2000年前后军机中碳纤维复合材料用量接近30-40%，此时商用飞机中碳纤维复合材料用量仍在10%上下徘徊。

图6 碳纤维复合材料在军机、民机中应用发展

3 碳纤维在民用飞机应用发展史

美国波音和欧洲空客作为全球领先的两大商用民机生产商，关于碳纤维复合材料在民机应用开展了大量研究和实际应用，美国波音飞机中碳纤维复合材料应用发展可以参读公众号前期文章《东丽碳纤维在航空领域的应用》。本期则主要介绍欧洲空客飞机碳纤维复合材料应用发展史。

自上世纪70年代，欧洲空客飞机便开始碳纤维复合材料应用研究，如当时A300飞机在天线罩、整流罩等结构件中首次采用了碳纤维复合材料，随后几十年，空客飞机不断增加飞机中碳纤维复合材料用量，目前碳纤维复合材料可用于飞机主机翼、机身等结构件加工。

图7 碳纤维复合材料在欧洲空客飞机中应用

经过数十年研发，目前欧洲空客飞机用碳纤维复合材料成型加工及应用技术日臻成熟，以图8空客A380飞机为例，其后机身所有蒙皮壁板19段，22%的机身重量是碳纤维复合材料，尤其中央翼盒，总重8.8吨，碳纤维复合材料用了5.5吨，比金属材料减重达1.5吨，其燃料经济性相当可观。

图8 空客A380飞机中碳纤维复合材料结构件

（欢迎分享，转载请注明出处）