波音787是第一架在结构部件中广泛使用复合材料的商用飞机。 飞机的几乎所有部分都由碳纤维/环氧树脂制成的。今天就让我们来了解一下制造商为何使用了这种材料。

飞机上的碳纤维复合材料

在大型先进飞机中，碳纤维增强基复合材料（CFRP）被广泛用作主承力结构材料。且在研制成功的航空器中，CFRP也被用做结构材料。

20世纪70年代中期的石油危机是碳纤维应用于飞机制造的直接原因。为缓解能源危机，当时的美国启动了“飞机节能计划（AircraftEnergy Efficiency Program）”。现代飞机机身采用钢、铝、钛等金属和复合材料制成。为节约燃油和提高运营效益，减轻机身质量一直是飞机设计制造技术中的核心挑战之一。而CFRP在飞机机身制造上的成熟应用为减轻飞机机身质量提供了最有效的途径。例如，以金属材料为主制成的波音767飞机（CFRP用量仅占3%）机身质量为60 t，而将CFRP用量提升到50%时，新型波音767飞机机身质量下降到48 t，仅此就极大地提升了该型飞机的能源和环境效益。

波音世家与复合材料的故事

2009年12月15日，世界航空界的目光聚集在波音公司，其革命性作品，被称为“梦想飞机”的波音787成功完成首飞。该机型最引人注目的亮点之一是采用了大量碳纤维复合材料作为机身主要结构，且整机的复合材料用量占整机的50%。

复合材料在商业航空中的应用由来已久，近年来，复合材料在商用航空飞行器上的使用量更是显著增加，已成为航空领域的支柱材料。由于复合材料质量轻、具有较高的比强度、比模量以及较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高（低）温、耐烧蚀、透电磁波，吸波隐蔽性、可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武 器的理想材料。

波音777X型飞机和波音787型飞机，机身复合材料的用量都达到了50%。波音777X型飞机是波音公司以波音777飞机为基型，正在开发的一种大型双引擎客机，首架飞机于2020年交付投入运营。波音777X飞机的主翼由CFRP制成，其翼展长约72m（235英尺），是目前客机中翼展最长的机型之一。翼展越长，升力越大，因此，波音777X的单座燃油消耗和运营成本都非常有竞争力。

在波音系列飞机中，传统波音机型机身和机翼主要结构材料为铝合金，而波音B787是第一个大量采用碳纤维复合材料（CFRP）作为机身和机翼主要结构件的机型。

波音787为何大量使用碳纤维复合材料？

波音787飞机重量约50%、体积约80%使用了碳纤维复合材料，此外这款飞机也使用了20%的铝、15%的钛、10%的钢和5%的其他材料。波音公司可以从这种结构中受益，因为在重量方面可以节省大量费用。由于碳纤维复合材料构成了结构的大部分，使得总重量减少了20%。

此外，复合材料结构可以适应任何形状。随后，波音公司用多个管状部件组成了787的机身。这种方法被用来形成许多需要组装在一起的较小铝板。波音787比以往任何一款波音商用飞机都更多地使用了复合材料。与之相比，波音777中复合材料占比仅为10%。

波音公司指出：为特定应用选择最佳材料意味着要分析机身的每个区域，以确定最佳材料，考虑到部件在机身寿命内所经历的操作环境和载荷。例如，铝对拉伸载荷很敏感，但对压缩载荷处理得很好。另一方面，复合材料在处理压缩载荷方面效率不高，但在处理张力方面表现出色。复合材料的广泛使用，特别是在机身的张力加载区域，大大减少了与铝制结构碰撞时的疲劳维护。

基于上述因素的分析也导致钛的使用增加。当负载表明金属是首选材料系统，但环境考虑表明铝是一个糟糕的选择时，钛是一个很好的低维护设计解决方案。使用钛有几个优点：它能比铝更好地承受类似的载荷，疲劳问题要少得多，而且具有很强的耐腐蚀性。

波音公司列举了在客机上使用复合材料的几个优点：

①复合材料可以制成更坚固的压力舱，使得B787机舱内的压力保持在6000英尺高度时的气压，而不是通常的7000~9000英尺，乘客会感觉更加舒适。

②因为复合材料不会腐蚀（金属机身的最大敌人），机舱内湿度可以恒定在10~15%，而金属机身内只能保持在5~10%之间，这也同样增加了乘客的舒适度。

③复合材料适应载荷方式的能力，可以在不影响结构完整性或增加额外重量的情况下，安装更大的窗户（大约大出65%）。

④维护成本的最大组成部分是为保证飞机飞行增加的劳动时间，因为复合材料耐疲劳性能优异和腐蚀及其更强的抗损伤性，B787的检修间隔期可以更长，与相应的金属机型相比，B787维护成本更低。

复合材料在飞机结构中应用的三个阶段：

第一阶段是应用于受载不大的简单零部件，如各类口盖、舵面、整流罩、雷达罩、阻力板、起落架舱门等，据统计可减重20%左右。

第二阶段是应用于承力大的部件，如安定面、全动平尾、前机身段、机翼等，据估计可减重25%~30%。

第三阶段是应用于复杂受力部位，如机身段、中央翼盒等，据估计可减重30%以上。

展望未来

毫无疑问，未来的航空制造工艺中将继续在下一个篇章中部署复合材料。值得注意的是，波音公司为其未来的宽体777X建造了一个价值10亿美元、12.1万平方米的复合材料机翼中心。复合材料将继续是商业航空的一个重要特征。毕竟，更坚固的机身可以让运营商拥有更高效的机队。

此外，重量的减轻有助于航空公司运输更多的乘客，同时燃烧更少的燃料、飞行更远的距离。在这样一个成本敏感的环境中，航空公司有望将从复合材料中获得长期利益。

文章来源： 材图，复材云集，钱 鑫 博士