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理智看待高比例复合材料飞机的得失

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发表于 2014-8-26 13:51 | 只看该作者回帖奖励

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作者：候知健

导语：

　　波音最新一代的“梦想”787客机依靠极高比例的复合材料应用，实现了极其优异的飞行性能。然而在安全和环保方面，以787为代表的新一代飞机却仍然潜藏着不少隐患。

一：飞机上的复合材料多指纤维增强塑料，重量轻强度高

　　传统的飞机制造以钢、铝、钛合金为主要材料，这三者各有千秋，在结构中各司其职。超高强度合金钢的密度最大（超过7.8克/立方厘米），相同体积下最重，但在三者中能达到的绝对强度指标最高，适用于对尺寸和强度要求都最为苛刻的部位。比如除了轻型、超轻型飞机外，现代高性能起落架的材料，唯有使用超高强度合金钢进行锻造一途可选。所谓3D打印、钛合金起落架之类的新闻，都是宣传上的噱头，不足为信。

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2014-8-26 13:50 上传

图：波音747起落架（飞友网飞鹰摄影）

　　相同体积下铝合金部件的重量最轻（密度2.8克/立方厘米），但是强度也最低，此外它对于高温的耐受能力很差。而钛合金（密度4.5克/立方厘米）则介于钢、铝合金之间，同体积部件比钢材轻很多，强度和耐热性比铝合金高很多。它适合用于飞机上的主承力结构、高温结构——比如发动机燃烧室附近；可以取代钢材、镍基合金以减轻重量，取代铝合金以减少空间占用。但是由于加工困难，钛合金部件的成本一直很高。

　　而现在越来越流行的复合材料，它的主要取代对象正是传统飞机上应用比例最大、构成轻质结构主体的铝合金，在要求较低的场合下也能取代一部分钛合金。在谈及飞机等航空器时，我们所指的复合材料主要都是指纤维增强塑料（fiber reinforced plastic）；它是以高性能纤维作为增强体，用树脂作为基体将纤维粘结在内部并固化成型的高性能塑料。

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2014-8-26 13:50 上传

PAN（聚丙烯腈）碳纤维丝

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2014-8-26 13:50 上传

这就是碳纤维丝放大后的截面

　　由于玻璃纤维性能较低，钨丝芯硼纤维高毒性、高成本，而芳纶纤维对环境耐受性不好（水分、紫外线）等诸多因素；目前在复合材料中应用最广、最具有代表性的则是PAN（聚丙烯腈）碳纤维。

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2014-8-26 13:50 上传

图：波音787铺设复合结构机身，图中黑色束状物就是由预浸过树脂的碳纤维所组成

　　飞机制造上应用广泛的7050、7075等铝-锌系高强度铝合金，在放弃韧性等其它重要性能的极端情况下，最高强度也只能接近0.65GPa，一般在0.43-0.46GPa左右。第一种实用化的碳纤维T300系列，其抗拉强度在1971年试验性生产时就达到了2.8GPa，现阶段的T300J则达到4.21Gpa。而波音787上使用的是更高级的T800S，抗拉强度达到5.88GPa。

　　与密度达到2.8克/立方厘米左右的铝合金相比，先进的碳纤维复合材料密度一般在1.45-1.6克/立方厘米左右；而拉伸强度可以达到1.5GMPa以上，超过铝合金部件的3倍，接近超高强度合金钢制部件的水平。这种密度低而强度刚度高的优势，使飞机的复合材料结构部件在获得与先进铝合金部件在强度刚度等综合性能方面相当的水平时，重量可以大幅减少20~30%。

　　以波音787为例，它每架飞机需要消耗23吨碳纤维，结构比例中有50%是重约35吨的复合材料，这意味着它从材料密度上就减轻了15吨左右的重量。而空客也不甘示弱，新的A350客机结构中，复合材料的比例达到了52%，是现在所有大型商用飞机中最高的。作为世界上仅有的两个大型商用飞机研制巨头，波音、空客先后推出复合材料占结构比例达到、超过50%的主力型号，这意味着大型客机结构设计以复合材料为主要材料的时代已经全面来临。

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2014-8-26 13:50 上传

二：复合材料使民用飞机性能提升巨大

　　波音787等新一代复合材料飞机上实现的性能提升，并不仅仅是低密度材料减重得来。实际上复合材料在工艺、结构力学设计上，都有着传统金属材料所完全无法具备的优势。比如复合材料可以做出超大尺寸的整体结构部件，而且尺寸大小不会随着温度高低而产生变化。

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2014-8-26 13:50 上传

图：波音787机身的基本制造原理与实物

　　以波音787的机身为例，它由数个分段组成，分段主体都是单个完整的复合材料筒状结构。它的大概制造原理是首先制造出复合材料长桁，将这些长桁固定在成型模具上并涂胶；然后利用碳纤维铺放机将预浸过热固性树脂的碳纤维按照设计好的角度和层数缠绕铺设在旋转的成型模具上形成筒状的复合材料壳体，然后送入热压罐内进行高温固化一体成型。而要用金属材料做出这样的结构，至少在目前是完全不可能的。

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2014-8-26 13:50 上传

成形的机身分段

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2014-8-26 13:50 上传

巨大的热压罐

　　即使是因为时代限制，复合材料结构水平远逊于波音787的F22上，这种结构一体化带来的效益也是非常可怕的：11000个金属零部件被减少到450个，135000紧固件（螺栓、铆钉等）被减少到600个。而在波音787上，每一个机身段都因此取消掉了1500个左右的铝合金板件和40000~50000个紧固件。这不仅带来了额外的大幅减重收益，而且极大的减少了装配环节的成本。

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2014-8-26 13:50 上传

图：波音787 的一个机身分段主结构件，这个状态下还没有任何的紧固件

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2014-8-26 13:50 上传

当然，内部隔框还是要紧固件的

　　复合材料飞机装配成本降低其实还存在另一个因素：结构部件随温度高低热胀冷缩而带来的尺寸变化问题被消除了。金属材料中确实存在着热膨胀系数很低的种类，比如殷钢；但用于制造飞机的钢铝钛却基本上都不具备这种特点。尤其是大型飞机的尺寸巨大，温差会使接头、安装孔的尺寸都会出现比较明显的变化；带来很大的装配难度和额外的加工成本。

　　事实上在强调生产、装配环境温度一致性之前，夏天制造的飞机结构质量普遍不如冬天制造的，原因就是夏季的温差要大得多。仰仗于碳纤维的热膨胀特性很低、甚至为负，飞机的复合材料部件可以做到0膨胀系数，外形尺寸不随温度高低而变化。

　　依靠复合材料，设计师还可以做出传统金属材料所无法达成的气动力学设计——比如超声速飞行的前掠翼飞机。由钛、钢、铝这些传统材料制造出来的金属飞机部件，其原子、晶体的分布都是相当均匀的，这使它内部在各个方向上的力学性能都高度相同。而由碳纤维对性能进行增强的复合材料则完全不同。比如对于碳纤维都以单向铺设的部件来说，在顺着纤维方向和垂直方向这两种情况下，强度等力学性能相差1~2个数量级——也就是十倍、百倍的差距。

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图：虽然做不出F-22、J-20那样的高机动飞行，但波音787 的机翼变形过程中一样蕴含着人类现阶段顶级的空气动力学水平

　　这种各向异性、而且可以进行人为设计的特性，催生了被称之为气动弹性剪裁的技术。设计师通过调整机翼复合材料结构中各个铺层的方向角度、厚度、顺序；机翼刚度完全可以在各个方向上都满足针对性的设计要求，进而控制机翼飞行中产生的弹性形变向对性能有利的方向发展。在设计得当的情况下，它能使飞机以更低的重量、更小的飞行阻力，获取高的多的升力表现。

三：复合材料的劣势

　　虽然复合材料有着诸多好处，但是波音787仍然保留了20%的铝，15%的钛，10%的钢，这是复合材料不耐高温、不耐冲击的特点所决定的。碳纤维本身虽然不怕热，但是将其粘结成型的树脂基体却很难耐受高温；尤其是波音787上普遍使用的环氧树脂类产品，一般最大工作温度不高于150摄氏度。F22由于存在超声速巡航需求，飞机外表会长时间与空气高速摩擦；因此在机翼复合材料上不惜使用韧性更差、更不耐冲击的双马来酰亚胺树脂基体以获得260摄氏度的最大工作温度。波音787的钛、钢结构中，就有相当一部分是用于发动机吊架等高温结构。

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2014-8-26 13:50 上传

图：发动机吊架等部位不能使用复合材料

　　波音787上的铝合金结构主要承担的则是预防飞鸟撞击的功能，以避免复合材料在高能量冲击下直接解体引发灾难性事故。F22上也有过类似的反复：它的机翼大梁等核心承力结构最初计划使用复合材料，但试验证明它抗机炮破坏的能力远远无法达到要求，最终又换回了钛合金材料。这源自于复合材料的两个缺陷：首先它一层与一层之间的结合力非常薄弱，而一旦出现分层的情况，就会对其整体性能造成严重的破坏。其次用以粘结碳纤维、形成复合材料整体的树脂基体的韧性都很差。

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2014-8-26 13:50 上传

787静力试验中断裂的复合材料

　　事实上比起飞行中撞鸟、或者挨上几发炮弹这种概率比较低的情况，复合材料结构往往更怕的是日常的低能量冲击：比如被维修人员失手掉下的扳手给砸了——这就足以导致它形成内部的层间缺陷，然而从外表却很可能根本看不出痕迹。当一个复合材料部件的冲击损伤在表面已经可以勉强目视发现时，它内部已经出现大范围的基体开裂和分层，强度可以骤降到无损状态的40%。事实上飞机复合材料部件最多的损伤就是在维护过程中各种碰撞、拆卸而产生的。

　　在传统的钢、钛、铝合金部件加工过程中，人们几乎不需要考虑中毒的问题，环境污染也很易于控制，但是对复合材料部件生产来说这就完全不同了。虽然碳纤维本身主要是腈纶纤维碳化以后剩下的单质并无毒性，作为复合材料基体的树脂类材料也多数无毒或者低毒；但是促使液态树脂的小分子交联成三维立体高分子变成固体结构的固化剂，以及各种有机溶剂、助剂，它们带来的毒性和污染问题一直比较严重。

四：全复合材料飞机的大规模使用仍然存在诸多限制

　　无论是利用纤维走向带来的各向异性力学特性，还是纤维与基体本身性能的不同组合，都给复合材料提供了极大的设计自由度。但是这种特性也对结构设计、工艺提出了非常高的要求。如果力学设计与材料特性不能良好匹配、原料和工艺设计、质量控制水平不足，那么复合材料的性能和可靠性将会远不如铝合金材料。

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2014-8-26 13:50 上传

图：只有高度先进的自动化机械化加工，才能满足大型复合材料构件工艺控制要求

　　比如歼-11B战斗机设计过程中，由于只是基于刚度等代原则简单的将金属部件替换成复合材料，不仅很多部件比原来的还重，还引发了一连串的故障甚至是事故；比如平尾断裂破坏、进气道调节板前缘整体断裂最后又不得不用铝合金部件承担关键部位受力。尤其是大型复合材料构件的工艺控制，秉持世界领先水平的波音也是近年才得以突破；X-32就在很长时间内一直被机翼整体成型过程中不能完全排除气泡所困扰。

　　和金属材料相比，目前复合材料不仅在设计、分析、失效理论目前仍然很不成熟，对于试验数据和使用经验的依赖性非常高；就是在使用维护的过程中，其探测、修理的手段也多有不同。在损伤探测上复合材料结构需要很多针对性的新型设备，而且修理手段也以胶粘、固化处理为主；这不仅需要全新的技能培训体系和规章制度，而且对人员素质的要求非常高。

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沙发

发表于 2014-8-26 14:01 | 只看该作者

比如歼-11B战斗机设计过程中，由于只是基于刚度等代原则简单的将金属部件替换成复合材料，不仅很多部件比原来的还重，还引发了一连串的故障甚至是事故；

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板凳

发表于 2014-8-26 14:08 | 只看该作者

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地板

发表于 2014-8-26 17:17 | 只看该作者

我沈威武啊，以为飞机是家里打家具呢，刚度等代。。。

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5¹

发表于 2014-8-26 17:26 | 只看该作者

那要去查查777的复材百分比了，只有10左右，使用复合材料的零件有副翼、襟翼、升降舵、方向舵、发动机吊舱等

GETOBOYS 发表于 2014-8-26 17:21
纯洗地 777都十年了

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6¹

发表于 2014-8-26 17:29 | 只看该作者

感觉是乡镇企业的山寨风格。

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7¹

发表于 2014-8-26 19:48 | 只看该作者

不懂,俺当年的X21早掉粉了,还不如工程塑料,更不如镁铝合金

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8¹

发表于 2014-8-26 22:05 | 只看该作者

是很可笑的

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9¹

发表于 2014-8-26 23:38 | 只看该作者

- -民航机不用飞复杂的战术动作~对强度要求没那么高~

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