2023 年 5 月 28 日，國產(chǎn)大飛機 C919 完成載客首秀，成功開始商業(yè)之旅。其機身采用第三代鋁鋰合金材料、先進復合材料，其用量分別達 8.8% 和 12%。復合材料比金屬等傳統(tǒng)材料輕，將其應(yīng)用于航空航空領(lǐng)域，有助于減排、降本、減重、延長飛機結(jié)構(gòu)部件的使用壽命等。由于大規(guī)模采用先進復合材料，C919 機體約減重 7%。據(jù)波音公司估算，噴氣客機重量每減輕 1kg，其在使用期限內(nèi)可節(jié)省 2200美元。因此，機體結(jié)構(gòu)復合材料化是飛機先進性的重要標志。

 

圖：C919 飛機的各類材料應(yīng)用比例如圖所示

 

圖：國產(chǎn) C919 飛機

 

復合材料優(yōu)勢

（一)具有高度通用性

復合材料不受傳統(tǒng)材料的限制，能夠模制成復雜的配置，構(gòu)建定制的零件以滿足飛機特定要求。

（二）具有高比強度和比剛度

復合材料重量輕，強度和剛度大，將其應(yīng)用于飛機部件，可大幅減重，降低制造成本。

（三）具有極強的耐候性和抗疲勞性

復合材料可承受異常高溫且耐疲勞，主要應(yīng)用于建造飛機和航天器的主要承重結(jié)構(gòu)，例如機翼、機身、起落架、發(fā)動機艙等。

（四）具有優(yōu)越的減振性能

復合材料的纖維和基體界面的阻尼較大，振動衰減時間較短，因此具優(yōu)異的減振性能。

機體主要復合材料使用情況

01?碳纖維樹脂基復合材料

C919 大型客機是國內(nèi)首個使用 T800級高強碳纖維復合材料的民機。相比 T300級材料， T800級材料強度、模量更高，韌性更強，具備更好的抗沖擊性。C919 受力較大的部件，如后機身和平垂尾等都使用了 T800級碳纖維復合材料。其發(fā)動機風扇葉片也采用碳纖維復合材料。C919 上使用的 T800 材料采用增韌環(huán)氧樹脂基體，拉伸強度和拉伸模量較 T300 提高約 50%，其是目前國際上民機主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛的復合材料。

02?玻璃纖維復合材料

相比碳纖維復合材料，玻璃纖維復合材料的力學性能稍低。然而，碳纖維介電常數(shù)較高而影響雷達工作，故 C919 大型客機的雷達罩使用玻璃纖維復合材料。另外機體受力較小的部件，如襟翼也使用玻璃纖維復合材料。因為玻璃纖維復合材料成本比碳纖維復合材料低，在受力較小部件上應(yīng)用，既可達到設(shè)計要求，又可降低制造成本。

03?陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料是指在陶瓷基體中引入增強材料，形成以引入的增強材料為分散相，以陶瓷基體為連續(xù)相的復合材料。其具有耐高溫、耐磨、抗高溫蠕變、耐化學腐蝕等優(yōu)異性能，在航空、航天等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。其中，C919的渦輪部件則是采用陶瓷基復合材料。

04?芳綸蜂窩材料

C919?大型客機艙門和客貨艙地板使用芳綸蜂窩材料，其是采用酚醛樹脂浸漬的芳綸紙制成的輕質(zhì)高強非金屬仿生芯材制品。它模仿蜜蜂的蜂巢設(shè)計，具有穩(wěn)定、輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)和高比強度。與泡沫芯材相比，它具有更高的剪切強度；與金屬蜂窩相比，它更加耐腐蝕。另外，芳綸蜂窩材料還具有高韌性、良好的抗疲勞性能和防火性能，是理想的民機復合材料。

05?芳砜綸纖維

芳砜綸簡稱 PSA 纖維，由聚砜酰胺組成。其具有優(yōu)良的電絕緣性和耐熱性；具有高阻燃性能，極限氧指數(shù)超過 30%；具有優(yōu)異的耐化學穩(wěn)定性，除了幾種極強的溶劑和濃硫酸外，常溫下不易受到化學品腐蝕。芳砜綸不僅可以用于制作多種耐高溫濾材和高溫高壓電器中的絕緣材料，而且還可加工成運輸工具中的高級阻燃織物等。C919 機艙內(nèi)部首次啟用芳砜綸纖維制作椅罩、門簾，飛機減重至少 30 公斤以上。

 

圖：復合材料在 C919 飛機上的應(yīng)用部位示意圖

 

復合材料未來發(fā)展趨勢

2022 年全球航空復合材料市場約為 300億美元，預(yù)計 2027 年將達到 516億美元。復合材料具有卓越的性能，可以可承受嚴苛的條件，是航空航天結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的支柱。隨著全球?qū)?jié)油飛機的需求不斷增長，未來飛機結(jié)構(gòu)復合材料化的趨勢將不斷擴大。目前，國內(nèi)航空高端碳纖維復合材料主要依賴日美進口。國內(nèi)光威復材、博云新材等復合材料制造商一起開展同 C919 的適航認證工作，其研發(fā)的復合材料有望進入 C919 產(chǎn)業(yè)鏈。此舉有助于加大復合材料國際市場占比，同時減少進口受制于人的局面。