复合材料助力国产大飞机翱翔——访南京航空航天大学肖军教授

南京航空航天大学肖军教授

2017 年11 月，随着首架国产大飞机的试飞成功，复合材料作为航空航天领域重要的新材料也再次成为人们的焦点。由于大规模采用先进材料，C919 整体减重7% 左右。研制国产客机，关键之一就是提高先进材料的应用水平，而复合材料用量是判断民用客机先进性的重要标志之一。

目前，我国航空航天领域复合材料的发展现状如何？复合材料在应用方面是否存在垢病？未来的发展方向及趋势又有哪些？带着这些疑问，我们专访了南京航空航天大学肖军教授。

肖军教授毕业于哈尔滨工业大学复合材料专业，现任国家玻璃纤维标准化委员会副主任、结构性碳纤维复合材料国家工程实验室理事会理事、中国复合材料学会聚合物基复合材料分会副主任和复合材料制造技术专委会副主任。长期从事复合材料制造技术与装备方面的研究。

本刊：非常感谢您接受我们的专访。先请您简单介绍一下，目前，复合材料在航空航天领域的应用现状是怎样的？

肖教授：复合材料相比与其它材料具有性能可设计、轻质高强、抗疲劳耐腐蚀等突出优势，以及易于整体制造、装备的特点，成为航空航天领域的理想材料。目前航空航天领域应用最为广泛的是树脂基复合材料，金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳- 碳复合材料发展迅猛。

C919 机舱内部

先进复合材料的发展始于20 世纪60 年代，美国不遗余力地大力研发复合材料结构零件的设计与制造技术。飞机结构用高性能复合材料技术始于20 世纪60-70 年代，NASA( 美国国家航空航天局) 首先制订了航空复合材料技术发展和飞机应用计划，以推进和扩大复合材料的航空应用，使用碳纤维研制发展了受力较小的复合材料结构件如前缘、口盖、整流罩、方向舵和垂直安定面等，波音(Boeing) 公司的波音737 飞机扰流片、水平安定面和波音727 飞机的升降舵首先实现这类复合承力制件的装机试用，此时的复合材料称得上是第一代飞机复合材料。由于其优异的减重性能，复合材料开始用于飞机的次承力结构上。20 世纪70 年代末到80 年代，高性能复合材料开始成规模地应用于飞机的次承力结构，包括飞行控制面如副翼、升降舵、方向舵和扰流板等。

到了20 世纪90 年代，复合材料已能与金属结构件相互搭配用于主承力结构件上，但仅限于较小尺寸结构。这是因为制造大型复合材料结构件所需的大型热压罐成本非常昂贵，在成本因素考虑下，复合材料一直无法大量应用于航空工业界。

到了21 世纪的前10 年，高性能复合材料飞机应用的两个划时代意义的里程碑当数空客公司的A380 飞机和波音公司的“梦幻飞机”波音787 飞机。空客是首家在大型民用飞机上广泛采用复合材料的飞机制造商，率先使用碳纤维增强型复合材料替代金属材料。

目前，先进的复合材料已经大量应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体结构制造上。 飞机用复合材料经过近40 年的发展，已经进入成熟应用期，其设计、制造和使用经验日趋丰富。

装配中的C919

单从比例上说， 空客A350XWB 复合材料用量最大，比例达到52% ；波音787 复合材料的比例最早达到50%；加拿大庞巴迪C 系列比例为46% 复合材料；俄罗斯IrkutMC21 比例约40%；空客A380 最早达到25%；我国商飞C919 目前为12%。
 

本刊：我国国产的C919 复合材料应用情况如何？您能否介绍一下哪些部件使用了哪种复合材料呢？

肖教授：自20 世纪70 年代开始，我国就开始了对复合材料的研究工作，经过40 多年的研究与发展，我国先进复合材料的技术水平不断提高，取得了可喜的进步。现阶段，我国先进复合材料在航空航天领域中的应用，逐渐实现了从次承力构件向主承力构件的转变，被广泛地推广和应用在军机、民机、新型验证机和无人机、航空发动机；导弹、运载火箭以及卫星和空间站等领域，先进复合材料已经进入到实践应用阶段。

以C919 大飞机为例，其后机身段和平垂尾等使用了T800 级碳纤维复合材料。C919 大型客机是国内首个使用T800 级高强碳纤维复合材料的民机型号。相比T300 级材料，T800 级材料强度、模量更高，韧性更强，具备更好的抗冲击性。

雷达罩使用了玻璃纤维复合材料。相比碳纤维复合材料，玻璃纤维复合材料的力学性能稍低，但由于碳纤维复合材料不透波、影响雷达工作，C919 大型客机的雷达罩使用了玻璃纤维复合材料。另外一些受力较小的部件，如襟翼也使用了玻璃纤维复合材料。因为玻璃纤维复合材料成本比碳纤维复合材料低，在受力较小的部件上应用，既可以达到设计要求，又可以降低制造成本。

舱门和客货舱地板使用了芳纶蜂窝材料。C919 大型客机舱门和客货舱地板使用了芳纶蜂窝材料，与泡沫芯材相比，它具有更高的剪切强度；与金属蜂窝相比，它更加耐腐蚀。同时，芳纶蜂窝材料还具有高韧性、良好的抗疲劳性能和防火性能，是一种比较理想的民机复合材料。值得一提的是，C919 飞机确定了首家国内芳纶蜂窝材料供应商，这也是C919 飞机首次“牵手”国产复合材料供应商。

“心脏”使用了碳纤维复材及陶瓷基复材：航空发动机作为“航空之花”，可以说是航空技术和工业积累的完整体验。C919 的发动机为LEAP-X1C 发动机。它采用了18 片赛峰公司研制的碳纤维复合材料风扇叶片以及美国通用电气公司研制的陶瓷基复合材料涡轮部件。

本刊：请问大量采用复合材料是否存在隐患或垢病呢？是否存在发展瓶颈？

肖教授：复合材料有其自身的特性，应用得当才能发挥出自身的优势。在这个意义上说，不是应用复合材料存在隐患，而是不恰当的应用复合材料才会造成隐患。与所有装备一样，航空航天器应用复合材料一是充分利用其可设计性、尽可能的发挥材料的最大潜力；二是减重增加筹载，提高经济性或者技战术指标；三是充分利用制造上的特点提高航空航天器的综合效能。

如果说复合材料未来应用存在可能的瓶颈话，是在材料应用整个生命中周期的报废与再利用阶段：复合材料毕竟是属性差异很大的两种材料复合而得，这给回收和再利用带来困难，相比与金属材料和高分子材料，复合材料不能简单的再次成型或回收利用，如何解决复合材料绿色应用是目前国际上的重要研究课题。

本刊：您认为，复合材料未来在航空航天还有哪些应用潜力？复合材料的发展趋势是怎样的？

肖教授：复合材料材料在航天器、尤其是高轨道飞行器应用带来的效益及其显著，航天器主材料在逐步实现复合材料化，未来大型运载火箭、导弹武器的复合材料用量可望超过50% 以上。

在航空领域，随着复合材料材料与制造技术的进步、成本在大幅度下降，应用在逐年快速增减，特别在通用飞机、大型飞机上潜力非常大：目前大型客机复合材料机身和机翼研究项目研究已经开展多年，宽体客机C929 将在机身和机翼材料应用复合材料、可望超过50%。复合材料的发展趋势：材料- 结构多功能化，设计制造一体化。