碳纖維增強復合材料在航空航天領域的應用

黃億洲，王志瑾，劉格菲

(⒈南京航空航天大學 a.能源與動力學院; b.航空學院，南京 210001；2.浙江大學 能源工程學院，杭州 310012)

0 引言

航空航天器一直以來被譽為工業皇冠，各類航空航天器的研制越來越受到各國的重視。先進的航空航天器及其重要結構部件，如飛機(包括民用和軍用)、航空發動機、火箭及發動機等航空航天領域的產品成為了各國綜合國力的象征。從人類生產的第一架飛機“飛行者一號”開始，各種飛行器結構設計的目標之一就是滿足強度、剛度的同時盡可能減輕重量。隨著社會科學技術的發展，各類航空航天器的設計追求的是高速、輕質和高承載能力。已有的研究表明，飛行器每減重1 kg就會顯著提高經濟效益，且隨著飛行器飛行速度的增加，其所提高的效益顯著增加，如圖1所示[1]。

圖1 飛行器每減重1 kg所取得的經濟效益與飛行速率的關系

采用先進材料是實現航空航天器減重的有效方法之一。從航空航天領域來看，進入本世紀以來結構材料進入以復合材料為主的發展階段。新型先進復合材料的出現在很大程度上推進了航空航天器結構減重的發展，與此同時，復合材料的用量也逐漸成為評判航空航天器設計先進程度的一個指標。近年來，碳纖維增強復合材料在航空航天領域應用范圍越來越廣，本文以碳纖維增強復合材料為分析對象，總結其在航空航天器上的應用，并對先進復合材料在航空航天器上應用的發展趨勢進行了分析。

1 碳纖維增強復合材料的特點

復合材料是由界面分明、物理化學性能不同的材料構成的性能優異的多相材料[2]。目前，航空航天領域使用的主要是纖維增強復合材料。纖維增強復合材料中常用的纖維有碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維和硼纖維。其中，碳纖維是由有機纖維經過熱處理轉化而成的含碳量高于90%的無機高性能纖維，既具有碳材料的固有特性，又具有紡織纖維的柔軟可加工性。與碳纖維相比，玻璃纖維質量較大，芳綸纖維拉伸彈性模量較低，而硼纖維價格較高，因此，碳纖維增強復合材料在航空航天領域的應用比較廣泛。此外，碳纖維還具有產品大絲束化的特點，可以提高復合材料生產效率，降低生產成本。

碳纖維增強復合材料的特點主要包括兩個方面：與結構有關的特點和性能特點。

1.1 與結構有關的特點

如前所述，碳纖維增強復合材料是由基體材料和碳纖維增強體構成，碳纖維增強體與基體材料之間有明顯的相界，由此決定了碳纖維增強復合材料具有非均質性的特點。由于纖維增強體主要承受軸向載荷，而對于其他類型的載荷承載能力較弱，因此，碳纖維增強復合材料還具有明顯的各向異性。此外，還可以對單層材料的纖維方向、數量進行設計，也可以對多層復合材料的層數、鋪層順序進行設計以提高結構效率，減輕重量。可見，碳纖維增強復合材料具有結構的可設計性。

1.2 性能特點

在同樣的強度和剛度條件下，碳纖維增強復合材料的質量明顯小于金屬結構材料，這說明碳纖維增強復合材料與傳統金屬結構材料相比較而言具有高比強度和高比模量。在結構設計時，可以根據構件載荷對碳纖維增強復合材料進行力學設計，以達到結構減重的目的。碳纖維增強復合材料和金屬材料疲勞破壞機理不同之處在于復合材料一般沒有主裂紋，而其大量微裂紋的形成和擴展會消耗大量能量，由此決定了碳纖維增強復合材料的抗疲勞性能優于金屬材料。由于碳纖維復合材料的比模量高，其固有頻率也比金屬材料的高，因而可以避免結構在工作狀態下產生共振，且碳纖維增強復合材料是多相材料，阻尼系數大，振動衰減快，表明碳纖維增強復合材料具有良好的抗振動性能。此外，碳纖維增強復合材料還具有良好的化學穩定性，耐濕性能[3]。與航空航天常用的鋁合金材料相比較而言，碳纖維增強復合材料還具有良好的耐腐蝕性能。

2 碳纖維增強復合材料在航空領域的應用

碳纖維增強復合材料是航空工業應用比較廣泛的復合材料之一，由于其密度僅為鋁合金的60%，在飛機結構設計中大量使用可以使結構質量減少20～25%。飛機上最常用的是碳纖維增強復合材料是樹脂基復合材料(CFRP)。早些時候，碳纖維增強復合材料主要應用于飛機的非承力部件上，如飛機雷達罩、艙門、整流罩等。后來，碳纖維復合材料的應用逐漸過渡到飛機尾翼的垂直尾翼、水平尾翼及方向舵等一些非主要承力部件上，例如法國幻影2000戰斗機尾翼的設計采用了復合材料。隨著復合材料制備工藝越來越成熟，結構設計水平越來越高，碳纖維增強復合材料開始應用于飛機的主要承力部件。圖2所示為近五十年先進復合材料在軍機及民機設計中的使用情況，由圖2可知，先進復合材料在飛機結構設計上應用越來越廣泛[4]。

圖2 先進復合材料在飛機設計中使用情況

2.1 碳纖維增強復合材料在民機領域的應用

在民用飛機方面，美國波音公司和歐洲空中客車公司等世界著名的民用飛機生產商都在碳纖維增強復合材料應用上取得了顯著的成果。俄羅斯因受美國制裁，由美國和日本提供的先進復合材料受到限制，其MS-21客機用復合材料從機翼開始將逐步由全俄航空材料研究院提供的復合材料替代。表1所示為有代表性的機型上所用碳纖維增強復合材料及其應用部位。

表1 部分民用客機及其使用的碳纖維增強復合材料

波音公司生產的B777客機采用的復合材料僅占全機結構重量的9%，而B787客機中碳纖維增強復合材料和玻璃纖維增強材料已占全機結構重量的50%，可節省燃油20%。B787客機采用碳纖維增強復合材料為：機身、機翼和尾翼采用的是碳纖維層合板復合材料；升降舵和方向舵采用的是碳纖維夾芯復合材料[5]。B787客機使用材料的分布圖如圖3所示[6]。此外，美國著名公務機公司設計的灣流G650水平尾翼、垂直尾翼、升降舵和方向舵是由CF/PPS熱塑性復合材料構件焊接而成的[7]。圖4所示為灣流G650公務機具有可拆卸前緣和后緣多肋舵，圖中構件1～6采用的是熱塑性復合材料，構件7～9采用的是金屬材料[8]。

圖3 B787材料使用分布圖

圖4 灣流G650具有可拆卸前緣和后緣多肋舵

Mrazova等[9]詳細介紹了歐洲空中客車公司所產飛機復合材料的使用情況。A350XWB飛機的機身壁板、框架、窗框和艙門均由碳纖維增強復合材料制成。由于大量使用復合材料，使得A350XWB飛機的維修時間間隔從6年增加到12年，大大降低了客戶的飛機維護成本。如前所述，碳纖維復合材料具有良好的抗疲勞性能和耐腐蝕性能，因此在客機結構中大量使用復合材料既降低了對疲勞相關檢查的需求，也減少了對腐蝕相關維護檢查的需求。A380客機是首次使用碳纖維增強復合材料中央翼盒的飛機，與傳統結構相比較可使結構減重1.5 t，燃油消耗量降低13%[10]。此外，A380客機的上地板梁和后壓力艙壁也采用碳纖維增強復合材料，其整機鋁含量僅為61%[11]。A380客機使用材料的分布圖如圖5所示[12]。

圖5 復合材料在A380上的應用分布

我國國產飛機復合材料的使用情況與國外先進水平先比較差距還比較明顯。ARJ-21支線客機全機復合材料用量僅為2%；新舟700新型渦槳支線客機的尾翼、襟翼、副翼、小翼、整流罩、固定后前緣、短倉、中機身等部位使用了先進復合材料，占比為12%[13]；國產商用C919型干線客機中CFRP在機身結構中的占比為12%[14]，同時C919客機是我國首款使用T800高強碳纖維增強復合材料的民用飛機：其后機身和平垂尾等都使用了T800碳纖維增強復合材料。此外，C919客機的機翼前后緣、活動翼面、翼梢小翼、翼身整流罩等部件也采用了碳纖維增強復合材料。據報道，中俄聯合研制的CR929大型客機復合材料使用比例將超過50%，機身和機翼都將采用復合材料，有望達到世界先進水平[15]。圖6所示為國內外民用客機復合材料應用情況隨時間發展的變化關系[16]，由圖6可見，我國商用客機復合材料應用情況還與國外先進水平有較大差距。

圖6 國內外民用客機先進復合材料應用情況

2.2 碳纖維增強復合材料在軍機領域的應用

從國外軍機復合材料的使用情況來看，上世紀七十年代中期，碳纖維增強復合材料在軍機尾翼的垂直尾翼、水平尾翼等部件開始逐步使用，如F-15、F-16、Mig-29、幻影2000、F/A-18等軍機。在此之后，開始在軍機的機翼、機身等主要受力構件上使用碳纖維增強復合材料，如AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、陣風、JAS-39、臺風、S-37等軍機。其中，AV-8B的復合材料使用量約占結構重量的26%，使用范圍包括尾翼、機翼和前機身，使整體結構減重9%。而F-35的機翼整體結構油箱、機身壁板結構主承力件大量使用了復合材料。臺風的鴨翼、機身、機翼、腹鰭、方向舵等部位大量采用碳纖維增強復合材料使得碳纖維復合材料結構占比約為50%。A400M的大部分機翼、幾乎整個尾翼、后貨艙門、起落架艙門和螺旋槳葉片使用的都是復合材料，復合材料占比為30%[17]。軍機上廣泛使用復合材料可以減輕重量，從而顯著提高其作戰能力。表2所列為部分軍機復合材料使用情況。

表2 部分軍機復合材料使用情況

王平[18]對先進復合材料在航空領域的應用進行了分析，其中，先進復合材料在軍機上的應用情況如圖7所示。

圖7 先進復合材料在軍機上的應用

從國內軍機復合材料的使用情況來看，我國第三代殲-10的鴨翼結構，殲-11B的機翼外翼段、水平尾翼和垂直尾翼及殲-20的機身、機翼、垂直尾翼、進氣口以及鴨翼上均使用了碳纖維增強復合材料。

2.3 碳纖維增強復合材料在無人機領域的應用

由于無人機在現代戰爭中具有特殊優勢，近年來其需求量增長迅猛。表3中所列為部分中、美無人機復合材料的使用情況。

表3 部分中、美無人機復合材料的使用情況

表3中所列的美國先進RQ-4全球鷹無人偵察機的機翼、尾翼、發動機短艙、后機身都是由碳纖維增強復合材料制造的。美國中空長航時MQ-1捕食者無人機(現已退役)的機身大量采用了碳纖維織物/Nomex蜂窩夾層加筋壁板結構，內部關鍵位置有碳纖維增強梁和肋。AAI公司影子無人機的機身使用的是碳纖維增強環氧樹脂復合材料，尾翼使用的是碳纖維或芳綸纖維增強環氧樹脂復合材料，機翼則是由碳纖維增強環氧樹脂復合材料面板-蜂窩夾層結構制造的[19]。此外，表3中未列出的美國赫利俄斯太陽能無人機的主要結構由碳纖維/環氧復合材料制造的。我國彩虹4無人機除主梁外都是由復合材料制成的，復合材料用量占無人機機身重量的80%。我國微小型大疆Mavic Pro無人機的機體大量采用了碳纖維增強的復合材料。表4所示為復合材料在不同尺寸無人機的應用情況[20]。

表4 復合材料在無人機機體結構中的應用

2.4 碳纖維增強復合材料在直升機領域的應用

與傳統固定翼飛機相比，直升機的飛行速度慢、飛行高度較低，并且在濕熱、干旱、沙塵等惡劣環境條件下工作的情況較多，這對直升機結構的耐候性、耐蝕性提出了更高的要求。同時，直升機旋翼對材料抗疲勞性能具有較高的要求。如前所述，復合材料由于具有優良的抗疲勞性能、抗振動性能以及耐腐蝕性能，非常適合在直升機結構設計上應用。國外直升機先進復合材料應用情況如圖8所示[21]。

圖8 國外直升機先進復合材料應用情況

1974年首飛的美國CH-53E重型多功能直升機使用的復合材料僅約占5%，而它的接替者V-22傾轉旋翼機的機身和尾翼采用的是AS4/3501-6復合材料，使用量占比為41%，使整體減重13%，零件數減少35%，成本降低22%。RAH-66直升機機體結構使用了碳纖維/環氧(IM7/8552)復合材料，占比結構重量的51%，其機體前部組件、尾梁、主槳葉等也大量采用了碳纖維復合材料。NH-90直升機的旋翼使用了碳纖維和玻璃纖增強維復合材料。S-97直升機的共軸剛性旋翼使用了高模高強碳纖維增強復合材料。V-280直升機首次使用了全碳纖維復合材料傾轉旋翼葉片。貝爾公司針對XV-15傾轉旋翼機鋼制旋翼軸，在其孔內安裝碳纖維復合材料套筒使其重量減輕14%。H-160直升機是世界上第一款全復合材料民用直升機，其槳轂中央件采用碳纖維增強聚醚醚酮樹脂基熱塑性復合材料設計制備，可以降低制造成本、減輕質量并提高損傷容限和降低結構疲勞裂紋擴展速率[22]。我國直10和直19武裝直升機在機身框架結構、直升機旋翼、機翼蒙皮和直升機尾翼部件上也大量使用碳纖維增強復合材料[23]。

2.5 碳纖維增強復合材料在民用航空發動機領域的應用

航空發動機由于其技術難度大、研制周期長而被譽為工業皇冠上的明珠。民用航空發動機設計追求的目標可以總結為推重比高、油耗低、噪音低和污染物排放少。若想提高推重比和降低油耗，除了提高氣動、熱力設計水平外，減重也是有效的方法之一，因此碳纖維增強復合材料已經在民用航空發動機上得到了廣泛的應用，如表5所示。

表5 部分民用航空發動機碳纖維增強復合材料使用情況

3 碳纖維增強復合材料在航天領域的應用

3.1 碳纖維增強復合材料在導彈領域的應用

碳纖維大量使用可以減輕導彈的質量，增加導彈的射程，提高落點的精度，因此碳纖維復合材料常應用于導彈殼體、發射筒等結構中。

俄羅斯圓錘潛艇發射導彈、白楊-M型導彈的發動機噴管及大面積防熱層均使用粘膠基碳纖維增強的酚醛復合材料。美國的PAC-3發動機殼體使用IM-7碳纖維、戰斗部殼體使用T300碳纖維。THAAD薩德導彈采用了高強中模碳纖維樹脂基復合材料作為發動機殼體材料，并在其攔截器艙體結構中使用了高模高強碳纖維[24]。法國M51彈道導彈使用由碳纖維復合材料編織而成的發動機外殼。我國陸基洲際導彈東風-31彈頭使用了碳纖維增強復合材料，潛射洲際彈道導彈巨浪-II的發動機噴管采用的是碳-碳復合材料[25]。

3.2 碳纖維增強復合材料在運載火箭領域的應用

碳纖維增強復合材料在運載火箭上的使用可以使其在保證強度、剛度的前提下，降低自身結構重量，從而提高有效載荷。

日本的M-5火箭發動機殼體、法國的阿里安娜2型火箭、歐洲織女星運載火箭使用了IM-7碳纖維增強復合材料。俄羅斯Proton-M火箭使用了新型的CFRP點陣圓錐殼適配器。美國的大力神-4火箭的整流罩、級間段艙體、錐形尾艙承載結構、級間段蒙皮和錐形尾艙殼體均采用的是IM7/8552碳纖維復合材料。日本的H-2A火箭助推器使用T1000碳纖維增強復合材料[26]。據悉英國Orbex Prime采用了碳纖維增強鋁基復合材料，每枚火箭的重量僅為相同尺寸的火箭70%，并且能在60 s內從0加速到1330 km/h。我國長征-11運載火箭全整流罩采用碳纖維增強復合材料，不僅降低了裝配的難度，還提高了火箭的運載能力。

3.3 碳纖維增強復合材料在衛星領域的應用

高模量碳纖維增強碳復合材料常用于人造衛星結構體、太陽能電池板和天線中。部分衛星碳纖維增強復合材料使用情況如表6所示。

表6 部分衛星碳纖維增強復合材料使用情況

4 航空航天領域用碳纖維增強復合材料的發展趨勢

由上述內容可知，碳纖維增強復合材料在航空領域的應用前景是非常廣闊的。但是，由于航空航天用先進復合材料設計理念、方法、手段，尤其是其制備方法、配套工藝及設備都屬于國家的管控資源，公開的可供參考的文獻資料非常有限。從文獻的獲取的資料及我國近年來碳纖維增強復合材料的實踐來看，圍繞著制備技術對航空航天領域用碳纖維增強復合材料的發展趨勢提出幾點初步看法。

(1)應用先進計算機技術。飛機設計中傳統的積木式驗證方法正在向先進的計算機虛擬實驗的技術手段轉變，這將降低復合材料飛行器結構設計的周期與成本。另一方面，計算機自動控制的應用可以使復合材料生產自動化、標準化，從而提高復合材料可靠性。

(2)發展廣義樹脂轉移模塑、樹脂模注入成形低成本技術。樹脂轉移模塑、樹脂模注入工藝有下列優點：節省了成本高的預浸料工序；可以不使用熱壓罐；設備投資少；可連續自動化進行生產；采用預制件，結構零件數減少，工裝模具和裝配工作量減少；工藝輔助材料使用少。樹脂轉移模塑、樹脂模注入工藝的發展可以節省大量的纖維預浸、運輸以及保存的費用，整個復合材料生產成本得到大幅降低，使其在航空航天領域有更廣泛的應用。

(3)發展三維編織復合材料技術。對于有高尺寸精度要求的航空構件，由于其較為復雜，傳統織物鋪層復合材料很難制作。而三維編織復合材料具有結構可設計性可以很好地解決這個問題，如直升機的柔性梁、槳轂中央件、衛星的桁架、飛機耳片結構等。同時，三維編織復合材料克服了層狀復合材料層間強度低的弱點，具有較高的抗沖擊性能和損傷容限，這為復合材料在航空航天承力、連接構件上的進一步應用提供了可能。

(4)開展回收利用技術。航空航天用碳纖維制備成本高昂，而且碳纖維在使用后無法降解，造成嚴重的資源浪費和環境污染，因此航空航天復合材料的回收再利用技術研發和應用可以提高碳纖維的回收率和利用率，進一步降低碳纖維增強復合材料的制造和使用成本。

5 結語

碳纖維增強復合材料以其高模量、高強度的特性可以有助于飛行器減重，使其結構效率增加；碳纖維增強復合材料具有良好的抗疲勞性、良好的抗振動性和良好的耐腐蝕性可以提高結構的可靠性。雖然隨著國內設計和制造技術的不斷積累，先進復合材料在我國航空航天器上應用不斷擴大，但是與發達國家相比較而言還有明顯的差距，我們仍需要堅持自主創新，穩步提升在航空航天領域先進復合材料的使用水平，可以預期，碳纖維增強復合材料在將來國內的航空航天器得到更為廣泛的應用，先進碳纖維復合材料在國際航空航天領域的競爭力也將得到進一步增強。