復合材料在商用大飛機上的應用現狀

摘 要 復合材料在商用大飛機制造中的應用已成為不可逆轉的主流趨勢，其使用比例不僅是衡量飛機先進性的重要指標，更是反映航空制造業技術水平和創新能力的關鍵參數。近年來，國內外商用大飛機上的復合材料使用占比正不斷攀升，這一趨勢不僅推動了飛機性能的提升，也促進了復合材料技術的快速發展。簡要概述了國外商用大飛機使用復合材料的發展現狀，分析了復合材料在商用大飛機中的應用價值，論述了復合材料在國外商用大飛機上的應用產品，并對中國商用大飛機的發展歷程進行闡述，提出中國商用大飛機與國外先進水平相比還需提供復合材料相關產業鏈多個環節，為后續發展提供一定參考。

關鍵詞 商用大飛機；復合材料；應用現狀；發展趨勢

Application of Composite Materials in Commercial

Large Aircrafts

ZHANG Chen，LIU Jiaqiu，LI Jun，WU Weiping，ZHAO Hanyu，HAO Chenwei

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The application of composite materials in the manufacturing of commercial large aircraft has emerged as an unstoppable mainstream trend. The proportion of their utilization serves as a crucial benchmark not only for evaluating the advancement of aircraft but also for mirroring the technological sophistication and innovative prowess of the aviation manufacturing industry. In recent years， the percentage of composite materials in both domestic and international commercial aircraft has been steadily ascending， a trend that has not only bolstered aircraft performance but also fueled the rapid advancement of composite material technology. This article concisely outlines the current status of composite material usage in foreign commercial large aircraft， analyzes their application value in this context， discusses the specific products incorporating composites in leading international aircraft， and delves into the developmental journey of China’s commercial aircraft. It further posits that China’s commercial large aircraft， compared to advanced foreign counterparts， necessitate enhancements across multiple segments of the composite material supply chain， thereby offering valuable insights for future progress.

KEYWORDS commercial aircraft; composite material; application status; development trends

1 引言

復合材料在商用飛機領域的應用從最初的非承力構件逐步發展到主承力構件，顯著減輕了飛機重量，提高了飛行性能和燃油效率，降低了維護成本。復合材料工藝技術的發展為商用飛機大部件的整體設計與整體制造的實現提供了可能，使飛機結構零部件數量大大減少，提高了飛機的生產效率和可靠性［1］。目前，采用復合材料取代金屬等常規材料已經成為商用飛機制造業的主流趨勢。因此，本文分析國外商用大飛機復合材料發展趨勢和應用情況，分析其在提升飛機性能、促進技術創新等方面的重要價值，探討中國商用大飛機在復合材料應用方面的發展歷程及未來趨勢。通過對比國內外商用大飛機在復合材料應用上的具體案例和技術特點，為復合材料在國產商用大飛機領域的進一步應用提供參考和借鑒，也對國產商用大飛機的發展提出建議和展望。

2 復合材料簡介

2.1 復合材料特點

復合材料是由兩種或多種不同性質的材料通過物理或化學方法復合而成的新型材料。與傳統金屬材料相比，復合材料具有質量輕、抗裂性強、抗沖擊性強、能根據商用飛機需要進行專項設計等優勢［2］。但是復合材料的層間強度較低、成本較高、難以回收使用等缺陷也較為突出。復合材料在20世紀70年代初開始應用于飛機結構，隨著技術的發展，如今被廣泛應用在飛機的各種結構中，在航空工業中發揮越來越重要的作用［3-4］。

2.2 復合材料主要制造工藝

復合材料按產品制造工藝分類，可分為纖維預浸工藝和預成型液體成型工藝兩大類，傳統復合材料成型工藝主要有手工鋪貼、模壓成型、熱壓罐成型、拉擠成型和纏繞成型等［5］，近年來自動鋪絲法也逐漸成熟。預成型工藝如RTM、RFI、VARI等工藝也成為航空領域復合材料制造和研發的重點，主要制造工藝分類如表1所示。

商用大飛機復合材料制造工藝以熱壓罐工藝為主，在主承力結構上已開始廣泛使用低成本制造技術，自動化檢測技術也日趨成熟，復合材料產品專業化、規模化生產的逐步建立極大提高了生產效率和質量穩定性，典型復合材料的效率和成本優勢如表2所示。

自動鋪放技術是實現商用大飛機低成本制造的技術之一，主要分為自動鋪帶和自動鋪絲兩類［6］，其中自動鋪帶技術特別適用于機翼部件的制造［7］。B787機翼和中央翼蒙皮采用了A350機翼上下蒙皮均由自動鋪帶成型技術制造，如圖1所示。

B787、A350機身與B777X、MS21機翼蒙皮則是采用了自動鋪絲技術進行制造，如圖2所示。

3 商用飛機應用的復合材料

3.1 國外大型商用飛機應用復合材料情況

大型商用飛機對安全、經濟、環保和舒適性有較高的需求，因此先進復合材料產品成為解決以上需求的首選。并且衡量大型商用飛機復合材料結構用量使用部位及范圍已經成為判斷其先進性的重要指標，復合材料在商用大飛機上的應用呈現4個特點：（1）結構用量跨越式增長；（2）主承力結構大量使用；（3）運用整體、共固化成型工藝；（4）自動化制造工藝和設備迅速發展。

國外制造商用大飛機的公司主要為波音公司和空客公司，采用復合材料制造商用飛機發展時間較早，經驗較為豐富，發展過程如表3和表4所示。

兩家公司的主要機型都大量使用了復合材料進行制造并廣泛應用于機身筒段、中央翼、機翼、垂/平尾翼等主承力結構［11］。圖3為波音和空客公司在主要機型上的復合材料用量占比。

波音公司B787飛機是復合材料使用量首次達到50 %的大型民用飛機型號，其機翼、升降舵和方向舵等均采用了碳纖維復合材料，整流罩則采用了玻璃纖維。在制造機體的過程中使用了整體成型技術代替傳統壁板整合結構，整體成型機身段如圖4所示，該突破性的工藝使連接件減少近4萬個，不僅讓整機質量和裝配工時極大下降，機身的氣密性和抗疲勞性得到增強，還增強了整體的堅固性，降低油耗［14］。

客機A380的中央翼盒、機翼前緣、翼肋、機翼后緣操縱面、機身上蒙皮壁板、客艙地板梁、后壓力框、機身尾段、尾翼、機身機翼整流罩和起落架艙門等大量采用復合材料，用量達到30 t，占總質量的25 %，開創了大型商用飛機大量使用復合材料的先河。其機身上的蒙皮采用了27塊GLARE板（玻璃纖維增強鋁合金板）如圖5所示，總面積達到470 m2［12］。

空客A350是迄今為止復合材料用量占全機結構質量分數最大的民用飛機，整體占比為52 %，超過了波音787復合材料的用量。A350的機身段是由4塊碳纖維復合材料壁板連接而成，這種制造方式不需要采用大型熱壓罐，可以根據不同位置的具體需求進行單獨設計及優化。由機身的鋁合金框架將4塊復合材料板進行裝配連接如圖6所示。

3.2 國內大型商用飛機應用復合材料情況

截至目前，我國商用大飛機有3個型號，除C929外ARJ21和C919均已實現商用運營，主要特點如表5所示。

中國商用大飛機型號復合材料應用占比發展趨勢與國外基本一致。C919大型客機是中國首個主承力結構采用使用T800級高強碳纖維復合材料的民機型號。其復合材料在飛機結構中的應用比例達到12 %左右，主要用于機頭、機身、機翼、艙門、雷達罩等部分。這一比例相比之前的機型（如ARJ21支線客機，復合材料使用量約為2 %）有了顯著提升，與B777和A340相當。C919復合材料應用范圍與典型應用部位如圖 7和圖 8所示。

中國商飛C929寬體客機主體結構的復合材料應用占比將超過50 %，對標空客A350和波音787。這一比例的提升將進一步減輕飛機重量，增強設計靈活性，并提升飛機的整體性能。C929復合材料典型應用部位如圖9所示。

C929寬體客機對復合材料的大量使用將對我國的航空復合材料產業鏈提出更高要求。這包括材料研發、生產制造、檢測認證等多個環節。同時，這也為我國航空復合材料產業帶來了前所未有的發展機遇。

4 未來發展趨勢

復合材料是制造商用大飛機材料的首選之一，復合材料使用占比是體現產品先進性和競爭力的標志。國外復合材料在商用大飛機上的應用現狀，揭示了其作為現代航空制造業核心材料的重要地位。通過詳細分析如波音和空客等國外商用大飛機制造商在復合材料應用上的發展歷程，以及中國商用大飛機在復合材料技術領域的進展，預對復合材料在商用大飛機上的發展趨勢做出以下預測：

（1）復合材料的應用已成為推動商用大飛機性能提升和技術創新的關鍵因素。從最初的非承力構件到如今的主承力構件，復合材料的廣泛采用顯著減輕了飛機重量，提高了燃油效率，降低了維護成本，并增強了飛機的整體性能和可靠性。未來商用大飛機的設計將更加注重復合材料的集成與應用，以實現更高效的飛行性能和更低的運營成本。

（2）復合材料在商用大飛機上的應用將呈現更加多元化和深入的發展態勢。一方面，隨著材料科學的不斷進步，新型復合材料的研發將更加注重性能優化和成本降低，以滿足商用大飛機對材料性能、制造工藝及環境友好性的更高要求；另一方面，復合材料制造工藝的自動化和智能化水平將不斷提升，以推動復合材料產業鏈的整體升級。

（3）國際合作與交流將進一步加強。面對復合材料在商用大飛機應用中的復雜性與挑戰性。通過共享研究成果、協同技術創新及優化供應鏈管理，各國將能夠共同應對復合材料應用的難題，促進全球航空制造業的可持續發展。

綜上所述，復合材料在商用大飛機上的應用前景廣闊，其發展趨勢將深刻影響未來航空制造業的競爭格局和技術走向。中國商用大飛機產業應緊跟時代步伐，加大復合材料技術的研發和應用力度，為實現航空強國的夢想奠定堅實基礎。

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