1 复合材料概述

1.1 复合材料的特点

复合材料通常具有密度低、比模量高、耐腐蚀和易于成型等优点，但也具有层间强度低、冲击敏感、不导电、材料昂贵、寿命短和难回收等不足，如图1所示。

典型复合材料的密度、强度和刚度等特性如表1所示。

材料类型	密度 (g/cm³)	拉伸强度 (MPa)	弹性模量 (GPa)	比强度 (MPa·cm³/g)	比模量 (GPa·cm³/g)
碳纤维/环氧树脂	1.5-1.6	1500-3500	120-200	1000-2200	80-130
玻璃纤维/环氧树脂	1.8-2.1	1000-2000	40-60	550-1100	22-33
芳纶纤维/环氧树脂	1.3-1.4	1300-2000	70-130	1000-1500	54-100
铝合金 (2024-T3)	2.78	450	73	162	26
钛合金 (Ti-6Al-4V)	4.43	900	114	203	26

1.2 复合材料的制造工艺

复合材料主要的制造工艺可分为纤维预浸工艺和预成型液体成型工艺两大类。传统的复合材料成型工艺主要有热压罐成型、拉挤成型和缠绕成型等，比较新型的成型工艺有自动铺丝法。预成型液体成型工艺如RTM、RFI和VARI等，近年来成为了航空领域复合材料制造、研发的重点，主要制造工艺分类如图2所示。

2 国外大飞机上的复合材料

2.1 复合材料应用的发展阶段

国外大飞机复合材料的应用主要经历了以下四个发展阶段：

(1) 受力很小的前缘、整流罩等部件阶段；

(2) 受力较小的升降舵、方向舵等部件阶段；

(3) 受力较大的平尾、垂尾等部件阶段；

(4) 主承力结构机翼、机身阶段。

在波音和空客主要机型上复合材料用量如图3所示。其中主流宽体客机A350复材用量占比达到了52%，B787复材用量占比为50%，可以预见复合材料在未来新型大飞机上的应用将越来越广泛。

从图4所示的波音公司复合材料的应用历程可见，从20世纪60年代B747开始，其复材用量占比仅为1%，到2000年B787飞机复材用量占比已高达50%，可见复合材料应用呈现与日俱增的趋势。

图5是空客公司复合材料的应用历程，其明星机型A320在20世纪80年代复合材料用量占比已达10%，到2000年A380飞机复合材料用量占比已达25%，到2013年A350远程宽体客机复合材料用量占比高达52%，其复材的应用发展速度与波音公司不相上下。

2.2 复合材料应用的范围

图6展示了A380飞机采用复合材料的部件，飞机关键部件如平尾和外侧襟翼均采用了碳纤维复合材料，并采用了自动铺带技术，可见复合材料已经从早期的受力较小的非关键部件逐渐应用到可承受重载荷的关键部件。

典型复材结构在机身上的应用如图7所示。

典型复材结构在机翼上的应用如图8所示。

2.3 主要材料及主要工艺

国外大飞机的主承力结构通常采用T800级碳纤维/增韧环氧材料，其主要性能如表2所示；次承力结构常采用T300级碳纤维/非增韧环氧材料，其他材料如热塑性复合材料、液体成型材料等也有应用。

性能指标	T300级	T800级	T1100级
拉伸强度 (MPa)	3530	5880	7000
拉伸模量 (GPa)	230	294	324
断裂伸长率 (%)	1.5	2.0	2.2
密度 (g/cm³)	1.76	1.81	1.80

表2 T系列碳纤维主要性能参数

大飞机上的复材以热压罐工艺为主，其低成本制造技术已开始在主承力结构上得到应用，同时自动化制造与检测技术广泛应用，复材专业化、规模化生产极大提高了生产效率和质量稳定性，典型复合材料的效率和成本优势如表3所示。

工艺类型	生产效率	成本优势	应用部件
热压罐工艺	中等	高	主承力结构
自动铺带技术	高	中高	机翼、平尾蒙皮
自动铺丝技术	高	中	机身、复杂曲面
液体成型工艺	中高	高	次承力结构

表3 不同复合材料制造工艺的效率和成本对比

自动铺放技术主要分为自动铺带和自动铺丝两类，其中自动铺带技术特别适用于机翼部件的制造。自动化工艺应用实例如图9所示。B787机翼和中央翼蒙皮采用了Forest-Line公司的两步法自动铺带机，A350机翼上下蒙皮采用了M·Torres公司的龙门式铺带机。

自动铺丝技术在B787和A350复合材料构件成型过程中最突出的应用是其机身的制造，B777X机翼蒙皮和MS21机翼蒙皮也采用自动铺丝技术，如图10所示。

自动化预成型技术在B787和A350上也有应用实例，如图11所示。

液体成型工艺在MS-21和A220飞机上的应用如图12所示。

2.4 复合材料应用的发展趋势

随着复合材料在国外大飞机上的应用越来越广泛，其在如下三个方面将逐步提升：

纤维性能的提升：从T800到T1100，模量从294 GPa提升至324 GPa、强度从5.9 GPa提升至7 GPa。

制造工艺的提升：通过以提高生产效率和降低生产成本为目标的制造工艺能力全面提升。

新材料新工艺的应用在逐步扩大，如高性能热塑性复合材料、液体成型工艺等。

3 国产大飞机上的复合材料

3.1 复合材料应用概述

目前，国产大飞机主要有三款，ARJ21和C919已经实现航线商业运营，C929宽体客机正在研发，其基本特点如图13所示。ARJ21飞机复材占比仅为2%，C919飞机复材占比达到了12%，预计C929飞机的复材占比将达到51%。

中国商飞型号复材应用占比的发展趋势与国外民机基本一致，ARJ21飞机与B737飞机复材用量占比相当，C919飞机与A320飞机复材用量占比相当，预计C929飞机将与B787和A350飞机复材用量占比相当。

3.2 应用现状

国产大飞机上的主承力结构主要采用T800级碳纤维/增韧环氧材料，次承力结构主要采用T300级碳纤维/非增韧环氧材料，此外热塑性复合材料（C929）和液体成型材料（C929窗框）也有应用，C919飞机和C929飞机复材应用范围如图14，15所示。

C919飞机复合材料的典型应用部位如图16所示。

C929飞机复合材料设计、制造与应用均有新突破，其典型应用部位如图17所示。

国产大飞机的复合材料以热压罐工艺为主，高端自动化制造技术已开始应用，技术成熟度和生产效率还有待提高，还没有全自动专业化生产线。材料体系与国外民机处于同一水平，随着碳纤维在国产民机上的应用越来越广泛，将逐步带动芯材、结构胶、复合材料半成品等体系的建设和发展。目前国内已具备的材料体系如图18所示。