李東升

搞飛機的圈子里有這么一句話，“一代材料，一代飛機”。隨著材料技術的不斷發(fā)展，飛機的產(chǎn)品性能也在逐漸提高。20世紀初，飛機常用的材料是帆布和木頭。到了20世紀四五十年代，飛機基本上都是用鋁合金，后來還用上了鈦合金等先進材料。

碳纖維復合材料作為一種新材料，先是用在飛機的次承力結構上，慢慢發(fā)展到主承力結構，用量也是由少到多。無論是波音還是空客，主制造商們都經(jīng)歷了逐漸擴大復合材料用量的過程。

從0%到50%

以空客為例，復合材料最早應用于A320水平尾翼、垂直尾翼，后來還應用于A400M大型軍用運輸機機翼。進入21世紀后，A380碳纖維復合材料占比達到了25%，主要應用于中央翼和尾翼，另外，A380的機身蒙皮使用了纖維金屬層壓板（GLARE層板）。

波音較大規(guī)模地應用復合材料的標志是777尾翼，787是波音第一款大規(guī)模運用復合材料的飛機，其機身、機翼和尾翼等主結構都用了復合材料，復合材料占結構重量的比例達到了50%，因此787也被戲稱為“塑料飛機”。

在波音的壓力下，空客A350幾易方案，大量地增加復合材料的應用，最終把復合材料的占比增加到52%左右。

國內復合材料的使用也是一個漸進的過程。ARJ21新支線飛機復合材料用量為2%左右，主要應用于方向舵和翼梢小翼等部位。C919大型客機達到了11%～12%的水平，飛機尾翼、后壓力框之后基本上都是復合材料。CR929遠程寬體客機復合材料用量將占50%，與空客A350和波音787屬于同一個量級。

飛機先進性的標志之一

現(xiàn)在談到一款飛機，搞結構的、搞材料的人首先會問：用了多少復合材料？復合材料的用量已經(jīng)成為衡量一款飛機先進性的重要標志之一。那么，到底什么是復合材料呢？

業(yè)界對復合材料有一個定義，就是由2種或2種以上的材料，經(jīng)過一定的復合工藝而形成的一種新型材料。復合材料的特點在于，它那2到3種組份材料的結合是一種物理結合，而不是化學結合，是保留了各自的物理特性的。但在整體上，它又是一種新的材料，會有新的特質。

復合材料種類很多，可以按纖維品種分類，也可以基體的品種分類，還可以按纖維的存在形式分類等。我們在飛機上用得最多的就是碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）。

既然復合材料如此受歡迎，它究竟有哪些優(yōu)點呢？與傳統(tǒng)金屬相比，復合材料最大的優(yōu)勢在于它重量輕、強度高、剛度高。復合材料的密度僅相當于鋼的1/4、鋁合金的60%，所以，在飛機上使用復合材料，很大的一個動機是減重。

從性能上看，復合材料有三大優(yōu)點：一是抗疲勞性能好，二是耐腐蝕性能好，三是可設計性強。我們可以按任意的鋪層比例和鋪層方法去設計我們要的材料。比如說有些航天器上用的復合材料，需要體積隨溫度變化越小越好，這就可以通過比例和材料的組合，實現(xiàn)零熱脹率。

最后，復合材料還有非常重要的一個優(yōu)點，就是可以實現(xiàn)整體成形，從而降低制造成本。

從乘客的角度來說，復合材料給我們帶來的好處主要是舒適性。如果你去波音參觀787的生產(chǎn)線，他們就會給你講，復合材料做的機體，可以提高艙壓，從而給乘客帶來更高的舒適性。

一般情況下，常規(guī)的金屬飛機艙壓保持在海拔2400米左右的高度，相當于在高原上的感覺，乘客肯定感覺不舒服。

由于機身主要承受拉力，而復合材料抗拉性能好，因而可以增加艙壓，降到海拔1800米左右的壓力。乘客坐在里邊，感覺就舒服多了。

此外，金屬對腐蝕敏感，如果機艙里邊濕氣大的話，客艙壁上會形成一些水珠，從而造成金屬腐蝕。復合材料耐腐蝕性強，可以把濕度提高，乘客的感受當然也更好些。

缺點也不少

復合材料優(yōu)點多多，但缺點也不少。復合材料由2種或2種以上材料組成，并且材料和結構是同時形成的。這一點跟傳統(tǒng)金屬材料很不一樣。

金屬材料的性能是固定的，做零件時只需要對金屬材料進行加工就成，但復合材料不行，在制造之前它是散的，纖維是纖維，樹脂是樹脂。

制造復合材料零件的過程包括原材料選擇、工藝選擇、工藝控制以及結構設計。這個過程中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會影響產(chǎn)品件的性能，所以這是一件令人頭疼的事，我們要想辦法對付它。

復合材料對沖擊敏感也是一個大問題。因為它是一層一層鋪的，怕沖擊，沿著厚度方向的載荷都會造成內部損傷、內部分層。

此外，復合材料導電性差。金屬材料遭受雷擊可以將電流擴散到更大的范圍，但復合材料就擴散不出去，會在局部造成損傷。

復合材料還對環(huán)境敏感。在濕熱的環(huán)境里，復合材料會吸濕，吸濕以后性能就降下來了。復合材料的熱膨脹系數(shù)跟金屬不一樣，所以需要考慮熱應力的影響。最后，復合材料的成本目前還是比較高的，這也是需要考慮的因素。

如何用好復合材料

面對“個性”如此鮮明的復合材料，我們怎么才能用好它呢？在應用復合材料的過程中，從設計到制造有一系列需要考慮的因素，先講三個方面：一是設計-制造-維修一體化;二是損傷容限理念;三是自動化制造。

所謂設計-制造-維修一體化，首先要保證設計出來的件可制造，能造出來。這個說說很簡單，但是要實施起來卻真不容易，要充分考慮復合材料的特點，結合現(xiàn)在工藝的水平、國內基礎設施的水平、工藝的掌握程度等等。這是一個很大的題目，也是我們業(yè)界在應用復合材料時整天掛在嘴邊的一句話，真正是說起來容易做起來難。

其次是要能維修。產(chǎn)品造出來，還必須能夠檢測，能夠維修，這也有諸多因素需要考慮。比如飛機機翼，服役時要有檢測計劃，人要進入機翼里定期檢查，需要保證關鍵部位一定能夠檢查得到，萬一出了問題能夠修理。

這是我們現(xiàn)在容易忽略的問題，我們往往只想到制造，還沒想到更遠的，但是飛機交出去以后，客戶用的時候，一定要讓它好用、好檢、好修，這是非常重要的一個方面。所有的設計，都需要把修理方案考慮周全，使強度能恢復到損傷以前的水平。

設計-制造-維修一體化需要有一個組織模式來保證，即：IPT工作模式。IPT是綜合性的技術團隊，這就是經(jīng)常提及的“并行工程”的理念。IPT工作模式可以讓整個團隊包括制造、裝配、維護檢測等各個專業(yè)人員，與設計人員一道開展設計，從而保證設計-制造-維修的一體化。

第二，損傷容限理念也非常重要。早期的飛機結構設計是按靜強度、剛度進行設計的，不考慮疲勞，不考慮損傷，更不考慮檢測。后來經(jīng)過諸如“慧星”號的事故，迫使飛機結構設計引入了疲勞設計概念。

20世紀70年代又出現(xiàn)了“破損-安全”設計理念。飛機的結構不再是單承載路徑，這個地方壞了，載荷可以分配到其他地方，仍然可以承載，飛機仍然可以飛，這是保證飛機安全性能非常重要的手段。

在這個基礎上，航空界實現(xiàn)了現(xiàn)在的損傷容限設計。這完全是一個新的體系，是一種新的設計理念，也是現(xiàn)在常用的一個設計理念。損傷容限設計的前提是允許在飛機的結構當中存在缺陷和損傷。當然這需要通過科學的設計、分析和檢測計劃，考慮諸多因素，包括沖擊源、沖擊損傷，檢測手段、檢測方法、檢測間隔等，還需要用概率計算的方法來確保結構失效的概率不能超過“10的負九次方”。

解決了復合材料應用過程中的設計理念之后，我們還需要解決自動化制造技術的難題。在中國航空制造界，自動化制造技術是急需解決的問題。只有通過自動化的專業(yè)手段，我們才能真正保證質量，提高生產(chǎn)效率。目前，常用的自動化手段包括自動鋪帶、自動鋪絲、自動鉆孔和自動檢測等技術，我們已取得了一些成就，但發(fā)展空間還很大。

未來的發(fā)展

在飛機制造中，復合材料越來越多地取代傳統(tǒng)金屬材料，已經(jīng)是大勢所趨。那么，在未來的應用中，復合材料還能給我們帶來哪些驚喜呢？

在設計理念上，到目前為止，飛機結構設計仍然沿用金屬的設計理念，復合材料還有很多潛力沒有發(fā)揮出來。這有待于我們真正充分考慮復材的特點，真正放開思維，不受目前設計概念的限制，開發(fā)出一些真正發(fā)揮復合材料優(yōu)勢的設計理念來。

在制造技術的發(fā)展上，我們希望，首先是更多地采用整體成型技術。飛機零件越少，質量管理就越容易，不容易出錯，生產(chǎn)效率也越高。其次是更多地采用低成本工藝，包括液體成型工藝、非熱壓罐工藝等。制造工藝的成本越低，自然飛機的成本也就越低。最后是更多地應用新材料、新工藝和新技術，如結構—功能材料、綠色環(huán)保材料。這些都是復合材料應用面臨的課題。