国产大飞机复合材料应用概况

2023 年 5 月 28 日，国产大飞机 C919 完成载客首秀，成功开始商业之旅。其机身采用第三代铝锂合金材料、先进复合材料，其用量分别达 8.8% 和 12%。复合材料比金属等传统材料轻，将其应用于航空航空领域，有助于减排、降本、减重、延长飞机结构部件的使用寿命等。由于大规模采用先进复合材料，C919 机体约减重 7%。据波音公司估算，喷气客机重量每减轻 1kg，其在使用期限内可节省 2200美元。因此，机体结构复合材料化是飞机先进性的重要标志。

 

图：C919 飞机的各类材料应用比例如图所示

 

图：国产 C919 飞机

 

复合材料优势

（一)具有高度通用性

复合材料不受传统材料的限制，能够模制成复杂的配置，构建定制的零件以满足飞机特定要求。

（二）具有高比强度和比刚度

复合材料重量轻，强度和刚度大，将其应用于飞机部件，可大幅减重，降低制造成本。

（三）具有极强的耐候性和抗疲劳性

复合材料可承受异常高温且耐疲劳，主要应用于建造飞机和航天器的主要承重结构，例如机翼、机身、起落架、发动机舱等。

（四）具有优越的减振性能

复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大，振动衰减时间较短，因此具优异的减振性能。

机体主要复合材料使用情况

01 碳纤维树脂基复合材料

C919 大型客机是国内首个使用 T800级高强碳纤维复合材料的民机。相比 T300级材料， T800级材料强度、模量更高，韧性更强，具备更好的抗冲击性。C919 受力较大的部件，如后机身和平垂尾等都使用了 T800级碳纤维复合材料。其发动机风扇叶片也采用碳纤维复合材料。C919 上使用的 T800 材料采用增韧环氧树脂基体，拉伸强度和拉伸模量较 T300 提高约 50%，其是目前国际上民机主承力结构应用最为广泛的复合材料。

02 玻璃纤维复合材料

相比碳纤维复合材料，玻璃纤维复合材料的力学性能稍低。然而，碳纤维介电常数较高而影响雷达工作，故 C919 大型客机的雷达罩使用玻璃纤维复合材料。另外机体受力较小的部件，如襟翼也使用玻璃纤维复合材料。因为玻璃纤维复合材料成本比碳纤维复合材料低，在受力较小部件上应用，既可达到设计要求，又可降低制造成本。

03 陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料是指在陶瓷基体中引入增强材料，形成以引入的增强材料为分散相，以陶瓷基体为连续相的复合材料。其具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、耐化学腐蚀等优异性能，在航空、航天等众多领域有着广泛应用。其中，C919的涡轮部件则是采用陶瓷基复合材料。

04 芳纶蜂窝材料

C919 大型客机舱门和客货舱地板使用芳纶蜂窝材料，其是采用酚醛树脂浸渍的芳纶纸制成的轻质高强非金属仿生芯材制品。它模仿蜜蜂的蜂巢设计，具有稳定、轻质的结构和高比强度。与泡沫芯材相比，它具有更高的剪切强度；与金属蜂窝相比，它更加耐腐蚀。另外，芳纶蜂窝材料还具有高韧性、良好的抗疲劳性能和防火性能，是理想的民机复合材料。

05 芳砜纶纤维

芳砜纶简称 PSA 纤维，由聚砜酰胺组成。其具有优良的电绝缘性和耐热性；具有高阻燃性能，极限氧指数超过 30%；具有优异的耐化学稳定性，除了几种极强的溶剂和浓硫酸外，常温下不易受到化学品腐蚀。芳砜纶不仅可以用于制作多种耐高温滤材和高温高压电器中的绝缘材料，而且还可加工成运输工具中的高级阻燃织物等。C919 机舱内部首次启用芳砜纶纤维制作椅罩、门帘，飞机减重至少 30 公斤以上。

 

图：复合材料在 C919 飞机上的应用部位示意图

 

复合材料未来发展趋势

2022 年全球航空复合材料市场约为 300亿美元，预计 2027 年将达到 516亿美元。复合材料具有卓越的性能，可以可承受严苛的条件，是航空航天结构领域的支柱。随着全球对节油飞机的需求不断增长，未来飞机结构复合材料化的趋势将不断扩大。目前，国内航空高端碳纤维复合材料主要依赖日美进口。国内光威复材、博云新材等复合材料制造商一起开展同 C919 的适航认证工作，其研发的复合材料有望进入 C919 产业链。此举有助于加大复合材料国际市场占比，同时减少进口受制于人的局面。