碳纤维复合材料与铝合金、钛合金、合金钢并称为飞机机体的四大先进结构材料,在 小型商务飞机和直升飞机上的使用量达到 70%~80%,在军用飞机上占 30%~40%, 在大型客机上占 15%~50%。
碳纤维复合材料以 CFRP 为主。碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的 微晶石墨材料,与其它材料具有很高的相容性,兼备纺织纤维的柔软可加工性,并且 容易复合,具有很大的设计自由度。目前碳纤维复合材料以树脂基复合材料(CFRP) 为主,占全部碳纤维复合材料市场份额的 90%以上。CFRP 具有质量轻等一系列突 出的性能,在对重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定 性高的场合,碳纤维复合材料都具有很大优势。
2.1 民用飞机 CFRP 比例不断提升
碳纤维复合材料在军民用飞机上的用量逐年增加。由于碳纤维复合材料具有低密度、 高比强度、高比模量、可设计性强、等优点, 在飞机上采用先进复合材料可以大幅度 减轻机体结构质量、改善气动弹性, 提高飞机的综合性能, 大批量飞机零部件相继采 用碳纤维复合材料,并且采用复合材料的面积、部位和重量也日趋增加。将碳纤维复 合材料应用于飞机结构中可相应减重 20%-30%,这是其他先进技术很难达到的效果, 而且还可以带来结构和性能的改善, 以及运营成本下降的综合效益。因此,复合材料 在军民用飞机上的用量正逐年增加。但由于民机对安全性、可靠性、经济型的要求高 于军机,因此在应用上更加保守和延后。
由次承力构件向主承力构件过渡,碳纤维复合材料在客机上的应用比例逐步提升。 20 世纪 80 年代开始,碳纤维复合材料开始应用在客机上的非承力构件,在早期的 A310、B757 和 B767 上,碳纤维复合材料的占比仅为 5%-6%,随着技术的不断进 步,碳纤维复合材料逐渐作为次承力构件和主承力构件应用在客机上,其质量占比也 开始逐步提升,到 A380 时,复合材料占比达到 23%,具体应用在客机主承力结构 部件如主翼、尾翼、机体、中央翼盒、压力隔壁等,次承力结构部件如辅助翼、方向 舵及客机内饰材料等,开创了先进复合材料在大型客机上大规模应用的先河。而最新 的 B787 和 A350,复合材料的用量达到了 50%以上,有更多部件使用碳纤维,例 如机头、尾翼、机翼蒙皮等,使用量大大提升。
就国内民用客机产业而言,在 2017 年首飞的 C919 大客机上, 使用的复合材料占到 飞机结构重量的 12%,其应用范围涵盖方向舵等次承力结构和飞机平尾等主承力结 构,主要包括雷达罩、机翼前后缘、活动翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后机身、尾 翼等部件,其中尾翼主盒段和后机身前段使用了先进的第三代中模高强碳纤维复合材 料,主承力结构、高温区、增压区使用复合材料在国内民用飞机研制中也属首次。2018 年珠海航展上亮相的中俄合作研制的 280 座远程宽体客机 CR929 复合材料使用比例 有望超过 50%。