飞机材料结构的百年变化

飞机材料结构的百年变化曹春晓中航工业北京航空材料研究院南昌航空大学目录1前言2一百多年来飞机机体的材料结构经历了四个阶段的发展,正在跨入第五阶段3复合材料为主的时代正大踏步地向我们走来4为什么飞机材料结构会出现以复合材料为主的新格局5钛合金在飞机机体结构中的用量不断创造新记录6为什么飞机机体结构中的钛用量会不断创造新记录7铝合金和钢仍在飞机机体中占不可或缺的重要地位8结束语1前言●航空材料通常处于材料领域的最前沿，其技术含量之高和技术难度之大表明它无愧于高技术领域的一员。●2006年10月19日，当时的军委副主席兼国防部长曹刚川在视察北京航空材料研究院时强调“一代材料，一代装备”，阐明了材料在武器装备研制中的重要地位。●“一代材料，一代飞机”是航空发展史的真实写照。一百多年来，材料与飞机一直在相互推动下不断发展。材料必须先行，没有先进的材料，就没有先进的飞机。●本文首先回顾了一百多年来飞机机体材料结构变化的历程,从二十一世纪初开始已进入一个新的发展阶段。这一新阶段的特点是：飞机机体材料结构已以复合材料为主、钛合金用量不断创新高、铝合金和钢仍占不可或缺的地位。本文进而详细分析了出现这一新格局的原因，并在此分析过程中很自然地呈现出复合材料、钛合金、铝合金和钢等四大结构材料近期发展的众多亮点。2一百多年来，飞机机体的材料结构经历了四个阶段的发展，正在跨入第五阶段。第一阶段（1903～20世纪10年代）：木、布结构第二阶段（20世纪20年代～40年代）：铝、钢结构第三阶段（20世纪50年代～70年代）：铝、钛、钢结构第四阶段（20世纪80年代～21世纪初）：铝、钛、钢、复合材料结构（以铝为主）第五阶段（21世纪初～）：复合材料、铝、钛、钢结构（以复合材料为主）3复合材料为主的时代正大踏步地向我们走来欧美客机上复合材料用量的变化材料结构以复合材料为主的各类飞机代表性型号飞机型号F-35B-2A400M波音787V-22“虎”式X-45B飞机类型第四代战斗机战略轰炸机军用运输机民用运输机倾转式旋翼机直升机无人作战机复合材料用量%363835～405050＞8090F-35(JSF,2010或2011年开始服役，空中霸主）◇轻型多用途◇Mmax=2.5◇隐身◇价廉◇美三军和英皇家海军共订购3002架，以色列、新加坡、希腊、波兰、韩国、澳大利亚都要加盟复合材料36%钛27%B-2（幽灵，已服役，隐形轰炸机）◇隐形，雷达截面积0.1m2◇远程，航程（空中加油一次）＞18530km◇精确制导，每架可投掷16颗2000磅钻地弹◇与F/A-22组成一支能快速部署的全球隐身打击特遣部队复合材料38%钛26%铝19%钢6%欧洲军用运输机A400M复合材料用量35%～40%波音787复合材料用量50%，铝合金用量20%，钛用量15%，钢用量10%V-22Osprey飞机复合材料用量约50%注：战术运输直升机NH-90的复合材料用量达95%复合材料用量80%以上“虎”式直升机X-45(无人作战飞机）◇飞行高度最终目标为1.2万米◇让无人作战机与人工驾驶机混合战斗训练◇2002年5月22日X-45A首次秘密试飞成功◇隐身、无尾复合材料用量X-45A50%X-45B90%4为什么机体的材料结构会出现以复合材料为主的新格局?●C纤维和树脂的更新换代进一步提高了性能水平和降低了原材料成本。例如已发展到以T800S/3900为代表的第三代C纤维/环氧树脂复合材料已用于波音787,其CAI高达315～345MPa,原材料成本已降低至120～190美元/千克.C纤维T800S的拉伸强度比波音777用的T800H高300MPa。●复合材料不仅比强度、比刚度高，而且便于整体结构化，因而显著减轻了飞机结构重量（例如波音787减重4500kg），相应地显著减少了燃油消耗（例如波音787减耗8%）波音787复合材料整体机身段是新一代大型飞机材料技术的第一亮点波音787的整个机身是由若干个整体机身段组成的，从而减少了1500个零件和4～5万个连接件，显著减轻了结构重量，大幅度地降低了制造、装配、运营和维护成本。A380飞机复合材料中央翼盒（总重8.8吨，其中复合材料5.3吨，减重1.5吨）A380率先在中央翼盒上大量采用复合材料（原为金属结构）是新一代大型飞机材料技术的一个亮点。激光检测技术的出现，使F-35进气道可以改用复合材料整体件，与原钛合金焊接件相比，减少95%紧固件，降低成本20万美元，减重36千克。F-22也采用这样的复合材料进气道。●液态复合成型（LCM）和自动化铺层等新型制造技术的发展和应用，如虎添翼地促进了复合材料的扩大应用。LCM主要有RTM（树脂转移模塑）和RFI（树脂膜浸渗）两种制备技术。自动化铺层则分为ATL(自动铺带)和AFP(自动铺丝)两种制备技术。上述技术既提高了质量和改善了工作环境，又缩短了制造周期和降低了制造成本（从90年代的1100美元/千克左右降至当前的300美元/千克左右），而且有利于构件的大型化和结构的整体化。铺放效率自动铺带技术(ATL)[kg/h]10%100%自动铺丝技术（AFP)手工铺贴技术50%25%80%低中等复杂非常复杂模具的复杂性程度自动铺带技术(ATL)和自动铺丝技术（AFP)RTM技术应用实例：F-35垂尾是首次采用RTM成型技术的全复合材料整体尾翼构件，其规格很大（长3.6m，重90kg），结构复杂，使垂尾的零件数从原来13个减至1个，紧固件取消了1000个，制造费用减少60%以上；F-22的进气唇口、前机身部分隔框、正弦波梁和驾驶舱地板加强件等400多个构件；F119发动机进口风扇机匣；A380中央翼盒的5个工字梁、襟翼滑轨面板、后机身框、尾翼翼盒框；波音787起落架撑杆。RFI技术的应用实例：波音787地板横梁；A380襟翼轨梁；A380压力隔框。上舱门地板梁:CFRP,拉挤成型压力框:CFRP,RFI/易变形织物水平尾翼:IMFiber,ATL垂直尾翼:IMFiber,ATL机翼前缘:玻璃纤维增强热塑性复合材料外侧襟翼:CFRP,ATL中央翼盒:HT&IMFiber,ATL非增压后机身，CFRP,AFP襟翼导轨面板:CFRP,RTM复合材料自动化和LCM技术的发展和应用自动铺丝技术在军用飞机上的应用飞机部件每架飞机件数制造商材料V-22后机身1波音IM6/3501-6V-22中机身侧蒙皮2波音IM6/3501-6V-22舷侧突出部蒙皮4波音IM7/8552蜂窝V-22机身侧边条2波音IM6/3501-6V-22受油探管1波音IM7/8552V-22旋翼桨叶柄6贝尔直升机IM7/8552F/A18-E/F水平安定面蒙皮4波音IM7/8552F/A18-E/F进气道蒙皮16诺斯罗普AS4/977-3F/A18-E/F机身蒙皮12诺斯罗普AS4/977-3T-45水平安定面蒙皮4波音IM7/977-3C-17整流罩检查门8诺斯罗普AS4/8552-1C-17起落架舱整流片4波音AS4/3501-6蜂窝F-22水平安定面枢轴2Alliant技术系统IM7/977-3A380的非增压后机身也采用了自动铺丝技术自动铺带技术自动铺丝技术与铝合金相比，复合材料的损伤容限和抗蚀性要好得多，这显著有利于耐久性的提高，同时也提高了安全性。安全性首先取决于材料的技术成熟度。美国把成熟度分为10级，级别越高，成熟度越高。在波音公司看来，复合材料经过30多年的研究和应用，技术上已十分成熟，当前在B787上把用量扩大至50%是安全的。●复合材料飞机结构件的设计、使用、维修技术更趋成熟空中客车A350复合材料用量37%(新53%)铝合金(含铝锂合金)用量34%(新19%)钛合金用量9%(新14%)钢用量14%(新6%)其它用量6%(新8%)●层间混杂复合材料（纤维金属层板）的出现进一步扩大了复合材料的应用范围金属金属纤维/树脂金属纤维/树脂第一代ARALL→第二代GLARE→第三代CARE→第四代TiGr◇与ARALL相比，GLARE的密度较高和模量较低，但其成本显著降低，而且显著提高了疲劳性能、拉伸强度、压缩性能、冲击性能和阻尼性能，因此GLARE层板一问世，就引起世界各大飞机制造公司的关注。九五期间BAIM的疲劳试验结果表明，3/2GLARE的疲劳寿命为胶接铝板的23～35倍,这是由于纤维的桥接作用降低了铝板裂纹尖端的应力强度因子，经过一定循环次数后裂纹以近似恒定的速率扩展。◇在A380上GLARE机身壁板一共有27块，最长的一块为11米，总覆盖面积达470平方米（见下一页的图）。图中的橄榄色给出了GLARE在A380机身上的使用位置，此外GLARE还用在垂直尾翼的前缘和水平稳定面上。GLARE用量占A380总结构重量的3%，使A380结构重量减轻800Kg，还提高了使用寿命和可维修性，成本却与铝材相近。由于CARE很难彻底解决碳纤维与铝合金之间的接触腐蚀问题，因此迄今无商品化产品，而TiGr既无电化学腐蚀问题，又可进一步提高综合性能（特别是高温性能），因此就应运而生。据报导，波音公司将选用TiGr制造B787的机翼和机身蒙皮。TiGr还可以用来作为蜂窝夹层的面板。实践表明，用自动铺放的TiGr层板的性能高于手工铺叠的TiGr层板。●大型飞机钛用量随年代的变化5钛合金在飞机机体结构中的用量不断创新高美国军用飞机上各种材料用量占机体结构总量的百分比机型F-16F-17YF/A-18A/BF/A-18C/DF/A-18E/FF/A-22F-35B-1B-2复合材料389.5102324362938钛合金2712131541272126铝合金8373505029154119钢510151614596●美国军用飞机上钛合金用量也不断增高，在F/A-22上达到了高峰，坐上了第一把交椅。F/A-22（猛禽，2005年开始服役，四代机典型代表）◇隐身◇巡航M1.5，Mmax=2.0◇非常规机动性好◇先敌发现，先敌开火，先敌摧毁。2004年4月29日开始的使用试验证实，一次演习中用5架F-15对付一架F/A-22，F/A-22在3分钟内完成了攻击，F-15甚至还未看见F/A-22。钛41%复合材料24%铝15%钢5%F/A-22（猛禽，2005年开始服役，四代机典型代表）◇隐身◇巡航M1.5，Mmax=2.0◇非常规机动性好◇先敌发现，先敌开火，先敌摧毁。2004年4月29日开始的使用试验证实，一次演习中用5架F-15对付一架F/A-22，F/A-22在3分钟内完成了攻击，F-15甚至还未看见F/A-22。钛41%复合材料24%铝15%钢5%6为什么飞机机体结构中的钛用量会不断创造新记录？由于钛合金具有比强度高(Titan，大力神)、耐腐蚀性好(在0.9m/s流动海水中腐蚀速度趋近于零，而铝合金5mm/年，不锈钢3.6mm/年)、使用温度范围大(-269℃～600℃)、性能可调性好等优点，因此在那些需要减重或耐蚀而又不适于选用复合材料的部位，就往往不得不用钛合金取代铝合金或钢制成零部件。例如：●波音787虽然已大量采用复合材料，但在研制过程中发现仍存在结构重量超重问题，为了达到减重2500千克的目标，波音公司不得不在2006～2007年期间再投入3亿美元的经费，研究某些部位用钛合金取代铝合金以解决超重问题，否则将不能兑现减少燃油消耗20%的关键性承诺。●俄罗斯正在研制新一代的150座级的客机MS-21，计划在2015年推出。可能是考虑到俄罗斯的现有基础，MS-21客机的复合材料用量为40%，低于波音787的50%。为了达到减重等目标，俄罗斯采取了大幅度提高钛合金用量的技术途径来弥补。于是客机机体钛合金用量高达25%的新世界纪录将由MS-21创造（当前的世界最高纪录是波音787的15%）。●由于复合材料中的C纤维与铝合金之间存在较大的电位差，因此在选用材料时应避免C纤维复合材料与铝合金零部件直接接触而产生电化学腐蚀。然而，钛合金与复合材料之间却不会产生接触腐蚀，很适合用来制造紧固件等与复合材料接触的零部件。因此，在新一代客机大量选用复合材料