前言
      2002年10 - 11月，作者在美國北卡羅來納州首府洛利( Raleigh，NC)參加了2002年世界碳纖維會(huì)( Global Outlook for Carbon Fiber2002)，碳纖維復(fù)合材料在民用航空上的應(yīng)用也是其中議題之一，美國波音公司的SCOTTKRAJCA在會(huì)上還就此作了專題報(bào)告。會(huì)后參觀、訪問了北卡羅來納大學(xué)國家紡織實(shí)驗(yàn)室(State Textile Laboratory, North Carolina StateUniversity)和土木工程系，阿拉巴馬大學(xué)材料工程系（Departmentof Materials Engineering,Universityof Alabama），喬治亞理工大學(xué)復(fù)合材料教育研究中 心 ( Compo-site Education and ResearchCenter, Georgia University of Technology) 、 材料科學(xué)與工程系和機(jī)械工程系等，與有關(guān)教授、專家和學(xué)者，討論、交換對(duì)碳纖維、復(fù)合材料與先進(jìn)材料技術(shù)現(xiàn)狀、應(yīng)用與發(fā)展的看法，有很大收獲。本文簡(jiǎn)要介紹碳纖維復(fù)合材料在民用航空工業(yè)上的應(yīng)用，包括：從1960年代至今復(fù)合材料在世界上大型客機(jī)上的應(yīng)用、當(dāng)前最先進(jìn)和超大

型客機(jī)的代表，美國波音公司B777和歐洲空中客車公司A380-800飛機(jī)上復(fù)合材料使用情況以及國外對(duì)復(fù)合材料在民用航空上應(yīng)用的看法等，供有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和專家們參考。

1、   復(fù)合材料在大型民機(jī)上的應(yīng)用

      先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)上采用先進(jìn)復(fù)合材料可以大幅度減輕機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量、改善氣動(dòng)彈性，提高飛機(jī)的綜合性能，因此先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用不斷得到擴(kuò)大。根據(jù)美國復(fù)合材料制造商協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2001年世界上飛機(jī)生產(chǎn)對(duì)碳纖維的需求量約為900-1 000t。

      從大型民用飛機(jī)發(fā)展來看，美國波音公司第一代大型民用客機(jī)B707上沒有采用復(fù)合材料，復(fù)合材料的用量為0。第二代B747上復(fù)合材料的用量為2% - 3%，已經(jīng)有了明顯的增長。B757和B767屬于第三代大型客機(jī)，復(fù)合材料的用量增加到3% - 5%。波音公司最新的B777第四代大型客機(jī)，采用復(fù)合材料達(dá)到8-9t，占該機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的g%左右。歐洲空中客車公司生產(chǎn)的超大型客機(jī)A380-800可搭乘555名旅客，起飛質(zhì)量

56t，復(fù)合材料的用量高達(dá)25%。

       從1960年DC-9飛機(jī)到2004年A380-800客機(jī)，復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)上的用量根據(jù)美國宇航局( NASA)哈里斯(Harris，C．E．)和夏特( Shuart，M．J．)的統(tǒng)計(jì)詳見表1。 
          

         由表1對(duì)復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用可得出如下結(jié)論：

       (1) 世界上最大、最有影響生產(chǎn)大型民用飛機(jī)公司主要有美國波音公司、美國麥克唐納 道格拉斯公司（簡(jiǎn)稱麥道公司）、美國洛克希德公司和歐洲空中客車公司，因麥道公司已被波音公司兼并，洛克希德公司己退出民用飛機(jī)市場(chǎng)，因此，復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用，實(shí)際上就是看美國波音公司和歐洲空中客車公司在大型民用飛機(jī)生產(chǎn)中采用復(fù)合材料的水平。

      (2)復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)上的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)上的用量不斷增長，從1960年DC9的用量不足1%，1980年代逐步增長到A310的10%左右，而到2003年復(fù)合材料在A380的用量高達(dá)25%。

      (3)復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)上的應(yīng)用已接近在先進(jìn)軍用飛機(jī)上的應(yīng)用水平。F22是當(dāng)前美國最先進(jìn)的軍用飛機(jī)之一，復(fù)合材料的用量在26%左右。而2003年歐洲空中客車公司生產(chǎn)的A380超大型客機(jī)，復(fù)合材料的用量也高達(dá)25%，表明復(fù)合材料在先進(jìn)軍用飛機(jī)和先進(jìn)的大型民用客機(jī)上的用量已相當(dāng)。

     (4)歐洲在大型民用飛機(jī)上采用先進(jìn)復(fù)合材料量己大大高于美國。從表1可明顯地看出，歐洲空中客車公司生產(chǎn)的大型民用飛機(jī)，其復(fù)合材料的應(yīng)用程度比美國要高得多。歐洲空中客車公司，在1985年生產(chǎn)的A300-600，復(fù)合材料的用量已經(jīng)達(dá)到5% - 6%，該公司生產(chǎn)的A320、A321、A322等復(fù)合材料的用量都達(dá)到或超過15%，而A380高達(dá)25%。美國波音公司在1990年生產(chǎn)的B747-400，復(fù)合材料的用量僅為~2%，1995年生產(chǎn)的B777是美國波音公司生產(chǎn)的大型民用飛機(jī)中采用復(fù)合材料最高的，復(fù)合材料的用量也只有～9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同時(shí)期歐洲空中客車公司生產(chǎn)大型民用飛機(jī)復(fù)合材料的采用量。

2、復(fù)合材料在美國波音公司B-TT7飛機(jī)上的應(yīng)用

      美國波音公司的B777客機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料的比例達(dá)到9%，是該公司應(yīng)用復(fù)合材料比例最高的民機(jī)機(jī)種，在B777客機(jī)上，先進(jìn)復(fù)合材料主要應(yīng)用在飛機(jī)尾翼、襟翼、副翼、天線罩、整流罩、短艙和地板梁等構(gòu)件，具體包括：

      (1)垂直安定面翼盒；

      (2)平尾翼盒；

      (3)方向舵；

      (4)升降舵；

      (5)前后緣壁板；

      (6)地板梁70根；

      (7)外側(cè)副翼；

      (8)外側(cè)襟翼；

      (9)襟翼；

      (10)襟副翼；

    （11）整流包皮；

    （12）內(nèi)外側(cè)擾流板；

      (13)后緣壁板；

      (14)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙；

      (15)發(fā)動(dòng)機(jī)支架整流罩；

      (16)前起落架艙門；

    （17）機(jī)身下主起落架艙門；

      (18)固定前緣；

      (19)雷達(dá)天線罩等。

      美國波音公司制備碳纖維復(fù)合材料的原材料主要采用日本東麗公司的產(chǎn)品，包括：T800H高強(qiáng)中模碳纖維、3900-2增韌環(huán)氧樹脂等，用T800H高強(qiáng)中模碳纖維增強(qiáng)3900-2增韌環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料T800H/3900-2，用于制造B777的主承力構(gòu)件。S-2玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂用于制作雷達(dá)天線罩。玻璃纖維和碳纖維混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹脂用作機(jī)身下主起落架艙門和固定前緣。

      美國波音公司認(rèn)為在波音系列客機(jī)中可以進(jìn)一步采用碳纖維復(fù)合材料的主要有：機(jī)翼結(jié)構(gòu)與蒙皮、機(jī)身（前、后、中）及其蒙皮、壓力艙等。是否在下一代新機(jī)種上采用碳纖維復(fù)合材料要有一系列因素決定，減重絕對(duì)不是唯一決定因素，成本才是重要因素，性能和價(jià)格要統(tǒng)一考慮。這里必須指出，性能和價(jià)格除了通常人們所說的飛機(jī)速度、航程、載重等以及原材料價(jià)格、制造成本、設(shè)備與折舊、工資等等外，還要包括操作性能與費(fèi)用、維護(hù)與費(fèi)用、市場(chǎng)與銷售費(fèi)用等，所有因素統(tǒng)一折衷平衡。所以全面的性能／價(jià)格比才是決定因素。

為了促進(jìn)復(fù)合材料在民用客機(jī)上的應(yīng)用，一是要降低碳纖維復(fù)合材料成本；二是提高碳纖維復(fù)合材料制備效率；三是改進(jìn)大型復(fù)合材料構(gòu)件制備工藝技術(shù)。

3、 復(fù)合材料在歐洲空中客車公司A380-800飛機(jī)上的應(yīng)用

      正在建造中的歐洲空中客車公司A380-800飛機(jī)長73m、高24.lm、翼展79.8m，在最經(jīng)濟(jì)有效的0.89M飛行速度下，航程1.4×10 m。它是民航飛機(jī)中最先進(jìn)、最具代表性、也是采用復(fù)合材料比例最高的機(jī)種。A380-800飛機(jī)中先進(jìn)維復(fù)合材料用量高達(dá)30 -35t，主要是碳／環(huán)氧復(fù)合材料，也包括GLARE（玻璃纖維增強(qiáng)鋁）和玻纖／環(huán)氧。此外，還有30t玻纖／酚醛復(fù)合材料，用于飛機(jī)的內(nèi)裝修。

      A380-800飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件分別由空中客車各分公司和合作伙伴完成?？罩锌蛙嚪▏止局圃熘袡C(jī)身，包括中翼盒、機(jī)頭和駕駛艙。BAE系統(tǒng)公司生產(chǎn)主機(jī)翼段?？罩锌蛙嚨聡止局圃鞕C(jī)身、前、后機(jī)翼（包括玻璃纖維增強(qiáng)鋁GLARE的組裝）、垂直尾翼和后壓力艙壁等?？罩锌蛙囄靼嘌婪止局圃旌髾C(jī)身、水平安定面、腹部整流裝置、方向舵和升降舵等。一些復(fù)合材料次承力構(gòu)件由歐洲、美國和日本等國轉(zhuǎn)包合同公司承擔(dān)。第一架A380-800的制造生產(chǎn)始于2002年1月23日，將最后于2004年在法國吐魯茲( Toulouse)組裝。A380-800的首飛亦將于2004年實(shí)施。

      A380-800飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的尺寸與其他同類飛機(jī)相比，無論長度或厚度都超過1倍，除了常規(guī)手工鋪層／壓力釜工藝外，A380-800飛機(jī)上采用一系列復(fù)合材料先進(jìn)制備技術(shù)，包括：先進(jìn)纖維鋪放技術(shù)( AFP)、預(yù)浸帶自動(dòng)鋪層技術(shù)(ATL)、樹脂膜浸滲技術(shù)(RFI)、樹脂傳遞模技術(shù)( RTM)、拉擠(Pultrusion)和熱塑性樹脂成型／焊接技術(shù)。A380-800飛機(jī)上采用的碳纖維、預(yù)浸料、樹脂等原材料詳見表2。
       

4、在民用飛機(jī)上應(yīng)用復(fù)合材料的看法

      總結(jié)歸納國外在民用飛機(jī)上應(yīng)用復(fù)合材料的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，可得到以下的看法：

      (1)復(fù)合材料可有效降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，改進(jìn)性能，因而隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步，復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用比例在不斷擴(kuò)大。

      (2)復(fù)合材料當(dāng)前價(jià)格相應(yīng)較高，因此，復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用比例不是越高越好，存在價(jià)格／性能比問題。目前，應(yīng)用復(fù)合材料比例最高的民機(jī)是歐洲空中客車公司A380-800飛機(jī)，復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的25%。以當(dāng)前復(fù)合材料的原材料價(jià)格和工藝技術(shù)水平來看，在民用飛機(jī)上的用量不宜超過此比例。

      (3)為了降低復(fù)合材料的價(jià)格，研究低成本復(fù)合材料技術(shù)對(duì)新一代的民用飛機(jī)非常必要，包括：低成本碳纖維制備技術(shù)、低成本復(fù)合材料制

備和成型技術(shù)等。

      (4)碳纖維、碳布、預(yù)浸料和基體樹脂等復(fù)合材料的原材料一方面要求降低價(jià)格，另方面還要求保證必要的性能，不能用犧牲性能來換取價(jià)格的降低。必須從生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)方案、技術(shù)路線、產(chǎn)品質(zhì)量等方面改進(jìn)、提高，從而達(dá)到降低價(jià)格的目的。

      (5)提高復(fù)合材料構(gòu)件制備質(zhì)量與效率十分關(guān)鍵，傳統(tǒng)的手工鋪層／壓力釜工藝，生產(chǎn)周期長、質(zhì)量以難以保證。采用復(fù)合材料制備新技術(shù)，達(dá)到縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率、減少廢品、提高質(zhì)量，對(duì)擴(kuò)大復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用極為重要。

      (6)民用航空工業(yè)是全球性的，因此，復(fù)合材料和碳纖維等也必然是全球性的。要著眼世界，從世界范圍內(nèi)考慮復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用問題。