從新材料、新工藝看飛機復合材料的發展
作者：楊洋 袁宇慧
航空復合材料應用情況
目前復合材料用量最大的民用客機為空客公司的A350飛機，其復合材料用量為結構重量的53%，其次是波音公司的B787飛機，用量為50%。從結構上看，飛機的機身、機翼等主要結構都采用碳纖維復合材料制造，很多次承力部件，如方向舵、升降舵、襟翼、副翼等也均為復合材料結構。大型主承力零件全部使用高性能環氧基碳纖維復合材料，部分次承力零件應用了液體成型工藝、模壓技術等非熱壓罐技術（如擾流板、窗框等）。總體上復合材料用量達到50%以上的水平，其中90%以上通過熱壓罐制造，選材則以高性能環氧碳纖維為主，部分為玻璃纖維增強。在產能方面，空客計劃到2028年將A350的產量提升至每月12架，波音B787飛機的歷史最高產量約為13架/月。
以上機型的實踐，將先進復合材料在民用航空的應用推向了新高度。復合材料零部件相關的設計、制造及驗證等技術不斷提高，在現有構型下接近了其使用極限。未來復合材料的使用將從量變轉向質變發展，很多新材料、新工藝迅速發展成熟，將推動民機復合材料向更高水平發展。尤其在下一代機型上，這種趨勢將更加凸顯。
復合材料液體成型技術
隨著商用飛機復合材料用量的提升，預浸料制造工藝復雜、復合材料熱壓罐工藝、裝配過程成本高等問題愈加明顯，為取代熱壓罐技術，自上世紀90年代直至2030年，歐美和俄羅斯逐步制定了一系列低成本復合材料制造技術的研發計劃，如復合材料經濟可承受計劃(CAI)、先進復合材料技術計劃(ACT)、飛機效能計劃（ACEE）、先進亞音速技術計劃（AST)、先進低成本機體結構計劃(ALCAS)、近期商業目標與對象的技術應用計劃(TANGO)等。其間涌現了多種液體成型技術，形成了樹脂傳遞模塑成型(RTM)、真空輔助樹脂灌注(VARI)、樹脂膜熔滲(RFI)等現代液體成型工藝。目前，復合材料液體成型技術已經成為主要的樹脂基復合材料非熱壓罐制造技術，并逐漸在國內外航空航天領域中獲得了應用。近年來，隨著工藝過程自動化程度的提高和相關原材料的性能提升（如更高性能的碳纖維材料、高韌性的環氧樹脂等），該技術正快速向部分主承力結構（如A220、MC-21機翼結構）推廣應用。
傳統的低成本液體成型技術主要采用手工鋪放織物，并結合樹脂灌注方式來實現零件的制造，該工藝已成功應用于B787的襟翼及活動板、A350、A380的龍骨梁角片、國內某型飛機的縫翼、梁、窗框及艙門等零件制造。液體成型工藝的應用，大大降低了上述復雜結構零件的制造成本和裝配要求。
隨著材料技術和工藝技術的發展，液體成型制造的復合材料正快速從小尺寸次承力結構向大尺寸主承力結構應用延伸。
借助裝備和自動化技術的發展，如大型可加熱模具、干纖維自動鋪放技術等，液體成型復合材料結構尺寸不斷突破，由早期的采用RTM工藝制造小尺寸制件向大型尺寸結構發展，如借助自動設備和輔助VARI成型，龐巴迪C系列飛機和俄羅斯MC-21飛機液體成型機翼零件尺寸達到了16米以上。
同時，該工藝也從次承力結構不斷向主承力結構延伸。早期的液體成型復合材料主要應用于艙門、活動翼面和整流罩等次承力或不承力結構，如今正逐步向起落架、機翼、翼梁和機身等絕對主承力結構應用拓展，如B787起落架撐桿、MC-21機翼與翼梁等，西班牙的MTorres公司甚至通過干纖維鋪放VARI成型工藝嘗試制造了通用飛機整體化復合材料機身。
以上主承力結構應用的實現，也得益于液體成型復合材料的綜合性能不斷提升，其性能逐步向預浸料熱壓罐復合材料性能靠近。通過纖維材料和環氧樹脂性能的不斷提升，之前作為液體成型復合材料的性能短板之一的沖擊后壓縮強度（CAI）已經達到了新一代預浸料熱壓罐復合材料的水平。如由Hexcel公司的HiTape®和Cytec公司DryTape®干纖維制備的液體成型復合材料，其CAI值甚至超過300MPa。
由于液體成型工藝不需要預浸料、可整體成型、不需要熱壓罐等特點，在制造成本上存在明顯的優勢。隨著自動化程度的提高、工藝仿真技術的進步，其產品一致性和可靠性將不斷提升。未來可望實現大尺寸、主承力結構的大規模應用和批產。
熱塑性復合材料技術
航空熱塑性復合材料及其應用技術近年來發展迅速。與環氧樹脂基復合材料等熱固性復合材料相比，其自身具有韌性高、阻燃性好、耐濕熱、方便回收利用等突出優點。加工制造方面，熱塑性復合材料可選擇多種非熱壓罐制造工藝，如模壓成型、拉擠成型、原位固結等。同時，其成型周期短（無化學反應固化過程），這也使得原材料不需要昂貴的低溫運輸和保存。因此熱塑性復合材料可以在成本降低的同時，依然保持較高的生產效率。
歐盟開展的“潔凈天空”計劃中，嘗試采用熱塑性復合材料制造下一代窄體客機的機身結構。其目標為較現有的鋁合金結構，減重20%以上，并實現月產100架，以期在不降低生產效率的條件下，提升窄體客機的先進性。
目前，該項目完成了熱塑性復合材料機身整體筒段的制造和裝配。制造過程中驗證了多項工藝技術。如機身蒙皮采用熱塑性預浸料原位固結工藝和熱壓罐成型，長桁、框、角片等采用模壓、沖壓工藝制造。地板梁采用了預浸料自動鋪放與熱壓罐成型工藝等。
同時，由于使用了熱塑性復合材料，使得零件之間的焊接成為可能。這降低了復合材料制孔的需求，避免大量使用緊固件。減重的同時提升了裝配連接效率。在機身壁板制造中，大量使用熱塑性復合材料的焊接技術。其中長桁與蒙皮的連接采用超聲波焊接，框與機身連接采用電阻焊接技術，上下機身壁板的裝配中創新性采用了激光焊接技術。以上焊接技術的應用為復合材料零件的連接和裝配提供了新的選項。
美國NASALangley研究中心主導的
TheHi-RateCompositeAircraftManufacturing(HiCAM)研究計劃中，同樣將航空熱塑性復合材料制造技術列為重點研究項目。其主要集中在熱塑性復合材料成型技術、裝配技術和自動鋪絲技術3個方面。HiCAM項目總目標為通過對熱塑性復合材料在內的多項高效率制造技術的開發，實現整機復合材料生產效率60～80架份/月的目標，同時制造成本下降30%～50%。
隨著航空產業對制造效率需求的牽引，熱塑性預浸料及相關技術的不斷進步。憑借可重復加工、制造工藝靈活的特點，其正在推動航空復合材料的低成本、高效率制造和可持續發展。目前，熱塑性復合材料及其相關技術已經成為發展最快的方向之一，研究應用工作持續升溫，創新成果也不斷涌現。在下一代機型上的大規模應用也在持續醞釀，必將成為未來航空先進復合材料應用的重要增長驅動。
綠色復合材料技術
復合材料及其制品綠色化，是推動復合材料可持續發展的重要手段。具體為采用可循環、天然的原材料研制復合材料，并應用于民用飛機的結構制造（尤其是內飾結構）。隨著復合材料在民用飛機上的應用比例不斷提高，復合材料的大規模應用帶來了資源回收利用及環境影響等新的問題。在2013年歐盟政府啟動其最大的科研創新框架計劃《地平線2020（Horizon2020）》中，“可持續發展與天然資源”在5個重點資助領域排名第二，其中就包括綠色航空復合材料。我國“十三五”規劃綱要和《中國制造2025》規劃中，也多處提出“綠色制造”概念和指標，開發“航空綠色復合材料”已經成為當前世界各國關注和研究的熱點。
目前綠色復合材料多處于研發驗證階段，主要采用可降解的高分子材料、來自植物資源的生物質樹脂、植物纖維材料、綠色紙蜂窩材料等來制備性能相當但更環保的復合材料，同時開展提高復合材料的可加工性、阻燃性及力學性能等研究。綠色復合材料的研發和應用對促進擴大內飾結構復合材料應用、推動航空復合材料可持續發展具有不可替代的作用。
預浸料新產品
隨著材料技術的進步，更強的纖維材料、性能更加優異的高分子樹脂使得復合材料的性能不斷提升。美國赫氏公司首先推出了IM10碳纖維，其拉伸強度接近7000MPa，模量突破了300GPa。隨后東麗公司于2021年推出T1100/3960預浸料系統，其中碳纖維T1100的拉伸強度達到7000MPa，模量為324GPa。3960樹脂為高溫固化的高韌性環氧樹脂，該預浸料可使用非熱壓罐固化成型。這意味著更低的制造成本和更輕的復合材料結構重量。
東麗先進復合材料（Torayadvancedcomposites）近期推出了用于夾層結構的聚醚砜基碳纖維預浸料TC1130，其與蜂窩具有良好的粘接性能，解決了熱塑性復合材料粘接強度低的問題，可廣泛應用于航空內飾結構。這使得蜂窩夾層結構的制造更加方便，產品更加耐用。
性能更加優異、功能更加豐富的新材料不但拓寬了航空復合材料的應用范圍，也使得現有零件的性能不斷提升，復合材料結構的應用將會獲得更大的收益！
結語
回顧商用飛機發展的歷史，復合材料的應用技術和水平不斷提升，復合材料的創新發展也日新月異！下一代飛機的復合材料水平必定會達到一個更新的高度。新材料、新工藝的不斷成熟與應用有力推動了商用飛機復合材料的高水平發展。其中液體成型技術、熱塑性復合材料、綠色環保復合材料和性能更優異的預浸料新產品等是重要的技術發展方向，具有重大產業價值。國內需加大對上述技術的投入和布局，為商用飛機復合材料的高水平應用和發展提供技術和政策保障，更好地面對未來的挑戰和機遇！
