碳纤维增强复合材料在航空中的应用
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引言
复合材料是指两种或者两种以上的不同材料通过特定的工艺和方法，进行融合制造形成具有全新特性和性能的材料，在材料融合之后能够充分地发挥不同材料的优势，从而最大限度地提升复合材料的协同效应。当前我国应用广泛的复合材料之一便是碳纤维增强复合材料（CFRP），其最大优势是可以兼顾碳纤维与基体性能，它具有耐高温、耐腐蚀、高强度、轻质、可塑性强等特点，是一种能优化工程结构、具有高强性能的功能性材料而被称为“21世纪新材料之王”，是国防建设不可或缺的战略材料，作为武器装备的基础性原材料已成为国家“十三五”战略性新兴产业的发展重点。
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种类及特点
碳纤维是由聚丙烯腈、黏胶丝或沥青等有机体在高温、惰性气氛下裂解、碳化而成，碳含量在95%以上的高分子纤维，它是一种由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴线方向堆砌而成的一种丝状的碳素材料，如图1所示。碳纤维增强复合材料按照纤维几何形态可以分为单向连续纤维增强、编织连续纤维增强和随机短纤维增强复合材料，如图2，图3所示。
图1碳纤维SEM照片
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图2碳纤维单向增强复合材料 |
图3碳纤维编织复合材料 |
碳纤维增强复合材料是复合材料行业中质轻、性能好、强度高的代表，它与其他材料相比减重效果明显，缺点是成本较高，如表1所示。
表 1 碳纤维增强树脂基复合材料的减重效果与其对应的成本
但在航空领域，减重是永恒的目标，相比而言碳纤维增强复合材料是最为理想的复合材料，同其他金属材料相比，碳纤维增强复合材料具有一系列的力学性能优势，如表2所示，利用这种材料对飞机等飞行器进行组装，可以有效的增加其推力，同时也能够降低飞行器在飞行时所产生的噪音。由于其本身比重较轻，因此所能消耗的动力也相应的较少，可以有效的降低飞行器耗费的燃料，从而达到节约能耗的目的。
表 2 不同材料物理性能对比
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在民用飞机上的应用
碳纤维增强复合材料在民用飞机的应用大概经历了4个过程。1960年代西方发达国家将碳纤维增强复合材料应用于航空领域，主要用于制作舱门、口盖、整流罩等尺寸较小的非承受力结构；1980年代中期，主要应用在受力较小的升降舵、襟副翼等构件；随后逐渐用于制作垂尾、平尾、鸭翼等受力、尺寸较大的次承力结构件；随着自动铺设技术及热压罐成型工艺的成熟，复合材料制件逐渐向机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力构件发展。
碳纤维增强复合材料在民用飞机上用量不断提升，早期的A310、B757和B767占比仅为5%-6%。随着技术的不断进步，波音和空客先后推出了以先进的碳纤维增强复合材料为主受力结构件的商用飞机，波音787机体的复合材料用量占比高达50%，如图4所示。采用 T800 级别碳纤维增韧环氧树脂(T800S-3900-2B)制作机身和机翼，运行时可降低空气阻力，延长机体寿命，提高疲劳强度，同时节省燃油消耗。空客A-350中碳纤维增强复合材料(IMA/M21E)结构件的质量超过了53%，空客A380后机身蒙皮壁板所采用的碳纤维增强复合材料质量占20%。具体应用在客机主承力结构部件如主翼、尾翼、机体、中央翼盒、压力隔壁等，次承力结构部件如辅助翼、方向舵及客机内饰材料，开创了先进复合材料在大型客机上大规模应用的先河。最新的B787和A350，复合材料的用量接近甚至超过50%，如机头、尾翼、机翼蒙皮等部位均采用了碳纤维增强复合材料。
图 4 波音787飞机各部件复合材料使用情况
国内商飞C919 客机中的中央翼、襟翼等部件均采用碳纤维增强复合材料，克服了结构复杂、外形公差等技术难关，但其质量仅占飞机结构总质量的12%。其主要用于 C919的尾翼和中央复合材料壁板以及主起落架舱门工作包、前起落架舱门工作包、翼身整流罩工作包和垂直尾翼工作包等，机轮刹车系统则涉及C/C复合材料及高温合金的生产与制造。图5所示为民航客机的复合材料占比。
图 5 民航客机复合材料占比
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在军用飞机上的应用
由于碳纤维增强复合材料在结构轻量化中无可替代的性能优势，其在军用航空中得到了广泛应用和快速发展。1970年代至今，国外军用飞机从最初将复合材料用于尾翼级的部件制造发展到今天用于机翼、口盖、前机身、中机身、整流罩等多个部位。以美国军机为例，F-14A战机碳纤维增强复合材料用量仅有1%，到F-22和F-35为代表的第五代战斗机上碳纤维增强复合材料用量分别为24%和36%， B-2战略轰炸机的碳纤维增强复合材料占比达到38%，如图6所示。随着我国新型战机的换代升级，军机碳纤维使用比例也将不断提升。
图 6 美国各类机型碳纤维复合材料所占比例
目前世界先进军机中复合材料用量占全机结构重量的20%-50%不等，主要应用的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、机翼、中前机身等，其中碳纤维增强复合材料占比 36.7%，主要应用于翼梁、纵梁、机翼箱型梁、升降舵蒙皮、外翼盒接头等多种重要零部件。其中极具代表性的当属美国的B-2轰炸机，如图7、8所示，它大量采用先进的特种碳纤维增强复合材料，所用碳纤维的截面不是圆形，而是异型截面，如方形截面，并且在表面沉积一层多孔碳粒或附着一层多孔微球，实施对雷达波的散射和吸收，赋予其吸波功能。这种结构吸波和涂层吸波相叠加，大大增强了综合吸波动功能。也就是说特种碳纤维增强复合材料不仅是结构材料，而且也是结构吸波材料，这使得其雷达散射截面积（RCS）显著降低，不易被对方雷达发现而大大增加了突防能力和生存概率。
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图 7 B2战略轰炸机内部结构 |
图 8 B2战略轰炸机 |
伴随着我国航空产业的进步，碳纤维增强复合材料在各型号军机中的应用占比也持续提升。我国军机与美国相比存在代差，更新换代需求强烈，新机型列装将推动军用航空碳纤维增强复合材料市场规模增长。按照未来15年我国军机数量达到美国现有军机数量的70%测算，通过将各型军机数量与美国对标，按照各型军机空重和碳纤维增强复合材料占比，未来军机碳纤维需求量将达到14154吨，年均需求为944吨。如表3所示。我国军机碳纤维增强复合材料应用将呈现逐年递增的趋势，而全球的碳纤维需求量更是逐年递增，如图9所示。
表3 我国未来15年军机碳纤维用量预测
图 9 历年全球碳纤维需求量
第五代战机对隐身性能和超机动都有较高的标准，传统的金属材质是无法胜任其要求的，所以能够显著降低重量与雷达反射面积的碳纤维增强复合材料就成为了五代战机的首选。
美国五代机F-22“猛禽”飞机的碳纤维增强复合材料用量比原预计有较大降低，但其复合材料应用技术水平却比其他飞机前进了一大步，大量采用高性能树脂基体和率先用先进工艺制造飞机重要承力件是F-22应用复合材料的两大特点。其中碳纤维增强复合材料不只是用于蒙皮，而且用于机翼梁和垂尾梁。该机机体上应用复合材料的部件很多，主要有以下几方面：（1）前机身：蒙皮和骨梁、部分隔框和构架、燃油箱骨架和箱壁。（2）中机身：中机身结构重量的23.5%为复合材料。其中部分蒙皮、部分隔框和构架、燃油箱地板、武器舱门的蒙皮和帽型加强筋由复合材料制造。（3）后机身：结构重量的11 %为复合材料，复合材料主要用于其中的龙骨腹板。（4）机翼：结构重量的35 %为复合材料，其中蒙皮、中间梁和部分后梁用复合材料制造。（5）尾翼：蒙皮和前后缘、梁和肋、水平安定面枢轴。如图10、11所示为F22的剖视结构图，可以很清晰的看到复合材料的应用部位。
图10 F22剖视结构图一
图11 F22剖视结构图二
同样的，俄罗斯对碳纤维增强复合材料的制备和成品应用也取得了非常有效的实用成果，未上漆的苏57飞机显示其表面采用了大量的复合材料，除了机身的主结构、机翼、进气口的前缘耐热段、制动器基座和垂尾主体为金属外，外壳几乎全由复合材料打造。苏57的总设计师曾说过：复合材料占全机重量的25%与表面积的70%。在蒙皮、次承力结构上大量采用复合材料，有条件在保持飞机外廓尺寸和结构条件的同时明显降低结构重量，非金属复合材料外形连续性好的优点也有利于其隐身和减阻，尤其是前、中段机身外部蒙皮 采用复合材料为主，能够获得较好的减重和降低飞机雷达反射面积的整体效果，其中减重部分的收益对航空动力技术略有不足的苏57意义最大。
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在航空发动机上的应用
复合材料的用量和占比是衡量航空发动机先进程度的一个度量。碳纤维增强树脂基复合材料优异的比强度和比模量性能对于高推重比航空发动机的减重、提高推进效率、降低噪声和排放以及降低成本等都具有重要意义，它主要应用在航空发动机的冷端部件上，工作温度在150-200℃以下，例如涡扇发动机压气机叶片、导向叶片及其框架组件、涡扇发动机鼻锥及整流装置等。例如LEAP发动机风扇机匣应用3D编织预成型件和树脂传递模塑(RTM)工艺技术制造的发动机叶片，和铝相比减重30%，能够满足叶片飞出测试要求，不需要制造和组装单独的密封环。
另外，碳纤维增强复合材料也是制造巡航导弹、宇宙飞船部件、固体火箭发动机壳等的重要材料组成部分。飞行器在高速飞行过程中由于受到气动加热的影响，飞行器的鼻锥、发动机喷管等部位将面临超过3000℃高温的冲刷，因此，高温下仍具有优异的力学性能的C/C复合材料被认为是理想的航空航天高温结构材料。C/C 复合材料发动机叶片如图12所示。
图 12 C/C复合材料发动机叶片
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结语
“一代材料，一代装备”，碳纤维增强复合材料作为新型复合材料，其应用范围越来越广泛，作为先进技术的发展和支撑，其产业化水平已成为衡量一个国家经济发展、科技进步、综合国力的重要标志。为使我国尽快进入材料强国的行列，巩固国际上的军事地位，开展新材料的推广应用具有重要的战略意义。目前，我国碳纤维增强复合材料完整的产业链已基本形成，但与国外发达国家相比，在高性能碳纤维增强复合材料的高品质及低成本化方面仍存在一定差距，整体应用技术方案及产业相关的配套系统尚未健全，针对这些问题，我国应将碳纤维增强复合材料列入优先发展计划之内，更加注重基础知识和关键技术的研究，突破技术难题，掌握核心技术，全面提升碳纤维增强复合材料的制备工艺水平及应用水平，促进碳纤维增强复合材料在航空、航天领域的广泛应用。
END