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重新质料、新工艺看飞机复合质料的生长

宣布时间:

2025-09-02

先进复合质料用量是权衡大型民用客机先进性的主要指标。

重新质料、新工艺看飞机复合质料的生长

先进复合质料用量是权衡大型民用客机先进性的主要指标。近年来，种种机型的复合质料用量一直攀升。例如，波音和空客公司最先进的宽体客机机型（B787、A350）复合质料结构均凌驾了机体结构重量的50%。我国自主研发的宽体客机复合质料结构也将处于统一水平。当古板复合质料的使用抵达云云高的占比后（复合质料机身、机翼等），航空复合质料的进一步生长成为了必需面临的问题！近年来，诸多新质料和新工艺的泛起，一直推动先进复合质料向着高性能、高效率、低本钱和可一连等偏向生长，这将进一步提升民机复合质料的应用水平。

作者：杨洋袁宇慧

航空复合质料应用情形

现在复合质料用量最大的民用客机为空客公司的A350飞机，其复合质料用量为结构重量的53%，其次是波音公司的B787飞机，用量为50%。从结构上看，飞机的机身、机翼等主要结构都接纳碳纤维复合质料制造，许多次承力部件，如偏向舵、升降舵、襟翼、副翼等也均为复合质料结构。大型主承力零件所有使用高性能环氧基碳纤维复合质料，部分次承力零件应用了液体成型工艺、模压手艺等非热压罐手艺（如扰流板、窗框等）。总体上复合质料用量抵达50%以上的水平，其中90%以上通过热压罐制造，选材则以高性能环氧碳纤维为主，部分为玻璃纤维增强。在产能方面，空客妄想到2028年将A350的产量提升至每月12架，波音B787飞机的历史最高产量约为13架/月。

以上机型的实践，将先进复合质料在民用航空的应用推向了新高度。复合质料零部件相关的设计、制造及验证等手艺一直提高，在现有构型下靠近了其使用极限。未来复合质料的使用将从量变转向质变生长，许多新质料、新工艺迅速生长成熟，将推动民机复合质料向更高水一生长。尤其在下一代机型上，这种趋势将越发凸显。

复合质料液体成型手艺

随着商用飞机复合质料用量的提升，预浸料制造工艺重大、复合质料热压罐工艺、装配历程本钱高等问题愈加显着，为取代热压罐手艺，自上世纪90年月直至2030年，西欧和俄罗斯逐步制订了一系列低本钱复合质料制造手艺的研发妄想，如复合质料经济可遭受妄想(CAI)、先进复合质料手艺妄想(ACT)、飞机效能妄想（ACEE）、先进亚音速手艺妄想（AST)、先进低本钱机体结构妄想(ALCAS)、近期商业目的与工具的手艺应用妄想(TANGO)等。其间涌现了多种液体成型手艺，形成了树脂转达模塑成型(RTM)、真空辅助树脂灌注(VARI)、树脂膜熔渗(RFI)等现代液体成型工艺。现在，复合质料液体成型手艺已经成为主要的树脂基复合质料非热压罐制造手艺，并逐渐在海内外航空航天领域中获得了应用。近年来，随着工艺历程自动化水平的提高和相关原质料的性能提升（如更高性能的碳纤维质料、高韧性的环氧树脂等），该手艺正快速向部分主承力结构（如A220、MC-21机翼结构）推广应用。

古板的低本钱液体成型手艺主要接纳手工铺放织物，并连系树脂灌注方法来实现零件的制造，该工艺已乐成应用于B787的襟翼及活动板、A350、A380的龙骨梁角片、海内某型飞机的缝翼、梁、窗框及舱门等零件制造。液体成型工艺的应用，大大降低了上述重大结构零件的制造本钱和装配要求。

随着质料手艺和工艺手艺的生长，液体成型制造的复合质料正快速从小尺寸次承力结构向大尺寸主承力结构应用延伸。

借助装备和自动化手艺的生长，如大型可加热模具、干纤维自动铺松手艺等，液体成型复合质料结构尺寸一直突破，由早期的接纳RTM工艺制造小尺寸制件向大型尺寸结构生长，如借助自动装备和辅助VARI成型，庞巴迪C系列飞机和俄罗斯MC-21飞机液体成型机翼零件尺寸抵达了16米以上。

同时，该工艺也从次承力结构一直向主承力结构延伸。早期的液体成型复合质料主要应用于舱门、活动翼面和整流罩等次承力或不承力结构，现在正逐步向升降架、机翼、翼梁和机身等绝对主承力结构应用拓展，如B787升降架撑杆、MC-21机翼与翼梁等，西班牙的MTorres公司甚至通过干纤维铺放VARI成型工艺实验制造了通用飞机整体化复合质料机身。

以上主承力结构应用的实现，也得益于液体成型复合质料的综合性能一直提升，其性能逐步向预浸料热压罐复合质料性能靠近。通过纤维质料和环氧树脂性能的一直提升，之前作为液体成型复合质料的性能短板之一的攻击后压缩强度（CAI）已经抵达了新一代预浸料热压罐复合质料的水平。如由Hexcel公司的HiTape®和Cytec公司DryTape®干纤维制备的液体成型复合质料，其CAI值甚至凌驾300MPa。

由于液体成型工艺不需要预浸料、可整体成型、不需要热压罐等特点，在制造本钱上保存显着的优势。随着自动化水平的提高、工艺仿真手艺的前进，其产品一致性和可靠性将一直提升。未来可望实现大尺寸、主承力结构的大规模应用和批产。

热塑性复合质料手艺

航空热塑性复合质料及其应用手艺近年来生长迅速。与环氧树脂基复合质料等热固性复合质料相比，其自身具有韧性高、阻燃性好、耐湿热、利便接纳使用等突出优点。加工制造方面，热塑性复合质料可选择多种非热压罐制造工艺，如模压成型、拉挤成型、原位固结等。同时，其成型周期短（无化学反应固化历程），这也使得原质料不需要腾贵的低温运输和生涯。因此热塑性复合质料可以在本钱降低的同时，依然坚持较高的生产效率。

欧盟开展的“清洁天空”妄想中，实验接纳热塑性复合质料制造下一代窄体客机的机身结构。其目的为较现有的铝合金结构，减重20%以上，并实现月产100架，以期在不降低生产效率的条件下，提升窄体客机的先进性。

现在，该项目完成了热塑性复合质料机身整体筒段的制造和装配。制造历程中验证了多项工艺手艺。如机身蒙皮接纳热塑性预浸料原位固结工艺和热压罐成型，长桁、框、角片等接纳模压、冲压工艺制造。地板梁接纳了预浸料自动铺放与热压罐成型工艺等。

同时，由于使用了热塑性复合质料，使得零件之间的焊接成为可能。这降低了复合质料制孔的需求，阻止大宗使用紧固件。减重的同时提升了装配毗连效率。在机身壁板制造中，大宗使用热塑性复合质料的焊接手艺。其中长桁与蒙皮的毗毗邻纳超声波焊接，框与机身毗毗邻纳电阻焊接手艺，上下机身壁板的装配中立异性接纳了激光焊接手艺。以上焊接手艺的应用为复合质料零件的毗连和装配提供了新的选项。

美国NASALangley研究中心主导的TheHi-RateCompositeAircraftManufacturing(HiCAM)研究妄想中，同样将航空热塑性复合质料制造手艺列为重点研究项目。其主要集中在热塑性复合质料成型手艺、装配手艺和自动铺丝手艺3个方面。HiCAM项目总目的为通过对热塑性复合质料在内的多项高效率制造手艺的开发，实现整机复合质料生产效率60～80架份/月的目的，同时制造本钱下降30%～50%。

随着航空工业对制造效率需求的牵引，热塑性预浸料及相关手艺的一直前进。依附可重复加工、制造工艺无邪的特点，其正在推动航空复合质料的低本钱、高效率制造和可一连生长。现在，热塑性复合质料及其相关手艺已经成为生长最快的偏向之一，研究应用事情一连升温，立异效果也一直涌现。在下一代机型上的大规模应用也在一连酝酿，必将成为未来航空先进复合质料应用的主要增添驱动。

绿色复合质料手艺

复合质料及其制品绿色化，是推动复合质料可一连生长的主要手段。详细为接纳可循环、自然的原质料研制复合质料，并应用于民用飞机的结构制造（尤其是内饰结构）。随着复合质料在民用飞机上的应用比例一直提高，复合质料的大规模应用带来了资源接纳使用及情形影响等新的问题。在2013年欧盟政府启动其最大的科研立异框架妄想《地平线2020（Horizon2020）》中，“可一连生长与自然资源”在5个重点资助领域排名第二，其中就包括绿色航空复合质料。我国“十三五”妄想纲要和《中国制造2025》妄想中，也多处提出“绿色制造”看法和指标，开发“航空绿色复合质料”已经成为当宿天下各国关注和研究的热门。

现在绿色复合质料多处于研发验证阶段，主要接纳可降解的高分子质料、来自植物资源的生物质树脂、植物纤维质料、绿色纸蜂窝质料等来制备性能相当但更环保的复合质料，同时开展提高复合质料的可加工性、阻燃性及力学性能等研究。绿色复合质料的研发和应用对增进扩大内饰结构复合质料应用、推动航空复合质料可一连生长具有不可替换的作用。

预浸料新产品

随着质料手艺的前进，更强的纤维质料、性能越发优异的高分子树脂使得复合质料的性能一直提升。美国赫氏公司首先推出了IM10碳纤维，其拉伸强度靠近7000MPa，模量突破了300GPa。随后东丽公司于2021年推出T1100/3960预浸料系统，其中碳纤维T1100的拉伸强度抵达7000MPa，模量为324GPa。3960树脂为高温固化的高韧性环氧树脂，该预浸料可使用非热压罐固化成型。这意味着更低的制造本钱和更轻的复合质料结构重量。

东丽先进复合质料（Torayadvancedcomposites）近期推出了用于夹层结构的聚醚砜基碳纤维预浸料TC1130，其与蜂窝具有优异的粘接性能，解决了热塑性复合质料粘接强度低的问题，可普遍应用于航空内饰结构。这使得蜂窝夹层结构的制造越发利便，产品越发耐用。

性能越发优异、功效越发富厚的新质料不但拓宽了航空复合质料的应用规模，也使得现有零件的性能一直提升，复合质料结构的应用将会获得更大的收益！

结语

回首商用飞机生长的历史，复合质料的应用手艺和水平一直提升，复合质料的立异生长也日新月异！下一代飞机的复合质料水平肯定会抵达一个更新的高度。新质料、新工艺的一直成熟与应用有力推动了商用飞机复合质料的高水一生长。其中液体成型手艺、热塑性复合质料、绿色环保复合质料和性能更优异的预浸料新产品等是主要的手艺生长偏向，具有重大工业价值。海内需加大对上述手艺的投入和结构，为商用飞机复合质料的高水平应用和生长提供手艺和政策包管，更好地面临未来的挑战和机缘！

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