航空复材零部件制造业应用及发展趋势
思瀚产业研究院 佳力奇    2024-08-16

（1）复合材料及其在航空零部件领域的应用

复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的新型材料。目前，航空复材零部件制造业所使用的复合材料主要为碳纤维增强的树脂基复合材料。复合材料相比金属材料的特点主要有：

1）比强度和比模量较高

比强度是指材料强度与密度的比值，比模量是指材料弹性模量与密度的比值，高比强度和比模量意味着较少的材料能承受较高的载荷。由上表可知高强度复合材料的比强度是钛合金的近 5 倍，比模量是钛合金的近 4 倍，远超金属材料，因此在相同的强度要求下，使用高强度复合材料相比金属材料能大幅降低航空器结构重量，增加航空器航程，充分体现出节能减排的效益。

2）各向异性和性能可设计性

层压复合材料是由单向预浸带逐层叠合并固化而成的，宏观上表现出非均匀性和各向异性。单向带沿纤维方向的性能与垂直纤维方向的性能差别很大，因此按不同的方向铺设不同比例的单向带，可以设计出不同性能的层压板来满足不同的结构要求，这种性能可设计性也叫性能“剪裁"。通过这种“剪裁”，可以使复合材料的效率充分发挥。

例如在主承力方向，可以适当增加纤维含量比例以达到提高承载能力的效果，而不需要额外增加结构的重量。各向异性也给结构设计、分析和制造增加了困难，这是复合材料结构设计的特点之一。

3）损伤、断裂和疲劳

复合材料的各向异性、脆性和非均质性，特别是层间性能远低于层内性能等特点，使复合材料层压板的失效机理与金属完全不同，因而它们的损伤、断裂和疲劳性能也有很大差别。另外，复合材料构件制造目前主要靠人工铺叠和热压成形，再加上加工、运输过程中可能受到的外来物冲击，其制件会比金属制件更易带有程度不等的缺陷或损伤。

4）环境影响

除了极高的温度，一般不考虑湿热对金属强度的影响，但复合材料结构必须考虑湿热环境的联合作用。这是因为复合材料的基体通常为高分子材料，湿热的联合作用会降低其玻璃化转变温度（使用上限温度），从而引起由基体控制的力学性能（如压缩、剪切等）的明显下降。

5）导电性

金属有着良好的导电性，复合材料的导电性则差得多。因此对复合材料的结构设计必须有专门的防雷击措施，油箱部位要有专门的防静电设计，同时对安装大量仪器仪表的设备舱和雷达罩，要进行特殊的电磁相容性设计。

综上，复合材料在航空器应用的最主要原因在于减轻航空器重量、增加航程，同时复合材料还具备耐腐蚀性、可设计性、抗疲劳性、热膨胀系数低、电磁屏蔽性好等优点；但是复合材料同时存在材料昂贵、在湿热条件下性能降低、易发生冲击损伤等劣势。

（2）行业发展情况

1）复合材料在军用飞机上的应用

复合材料在军机应用的部件从小受力构件向主承力构件发展，应用情况分为四个阶段：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、阻力板、起落架舱门等；第二阶段是应用于承力较大的尾翼等次级主承力结构件，如垂直安定面、水平安定面、全动平尾、鸭翼等；第三阶段是应用于主承力结构，如机翼盒段、机身等；第四阶段是应用于起落架系统等。

根据中国航空工业集团公司复合材料技术中心主编的《航空复合材料技术》，2000 年前后世界先进军机中复合材料用量占全机结构重量的 20%-50%不等，如 B-2 隐形轰炸机使用的复合材料占飞机总重量高达 50%。

我国从 20 世纪 60 年代开始进行复合材料在飞机结构上应用的研究；70 年代中期成功研制某歼击机复合材料进气道壁板，这是我国研发出的第一个复合材料飞机构件；1985 年带有复合材料垂尾的战斗机成功首飞；1995 年成功研制带有整体油箱的复合材料机翼。当前国内几乎所有在役军机在不同部件上均有采用复合材料。

根据中国复合材料学会发布的《军工复合材料深度研究报告》，在四代机之前的军机上，复合材料的应用范围限于尾翼、鸭翼等次承力结构上，用量占结构重量的比例在 10%以下；在新一代军机上，复合材料主要应用在机翼、鸭翼、尾翼、垂尾、中机身壁板、腹鳍、武器舱门等处，用量达到结构重量的约19%。预计随着相关复合材料和结构材料技术的突破，未来国产军机将在机翼、机身等主承力结构上更多地采用复合材料，用量占比将提高到 25%左右。

2）复合材料在民用飞机上的应用

民用飞机作为以载客飞行和运营为目的的交通工具，对安全可靠性和经济性要求更加严格，对结构减重也有迫切的需求，从 20 世纪 70 年代初也开始加入了应用复合材料的进程。复合材料在大型民机上的应用，以美国为例，大致经历了四个阶段：

第一阶段主要应用于受力较小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件；

第二阶段主要应用于受力较小的部件如升降舵、方向舵、襟副翼等，该阶段约于80 年代中期结束，我国 ARJ21 支线飞机的复合材料技术水平大致在这个阶段；

第三阶段复合材料应用在受力较大的部件上，主要是垂尾和平尾等；

第四阶段复合材料进入飞机最主要受力部件机翼、机身等的运用，波音 787 飞机的复合材料用量为 50%，超过了铝、钛、钢的用量总和，主要应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，是第一个采用复合材料机翼和机身的大型商用客机，代表了飞机结构复合材料化的发展趋势。

复合材料在国内民用飞机上尚未实现大量应用，在材料工艺稳定性控制手段不足和有关试验数据尚不十分充分的情况下，提高复合材料的应用比例还需要大量实践的积累。根据中国商飞官方网站数据，C919 的复合材料用量占比为 12%，相比国外先进机型仍存在一定差距；CR929 的复合材料用量占比超过 50%，可与国外先进机型比肩。

（3）发展趋势及特点

1）复合材料实现技术突破，国产化率提高，有望突破“卡脖子”环节

复合材料是引领结构材料革命的典型代表，是反映国家航空航天制造能力、关系国家战略安全的新型军民两用材料，国际严格禁运。因此，各类国家级战略规划重点强调要提高核心零部件及关键基础材料相关自主研发生产能力和制造工艺水平，加快提升国产化率，以实现自主保障。

在碳纤维方面，我国 T1000 级碳纤维材料已取得了重大突破，完全拥有研发和生产百吨级 T1000 碳纤维的能力，打破了西方国家的技术垄断，对我国的国防科技工业发展也起到重大的推动作用。

在玻璃纤维方面，我国已成功实现浸润剂原料及配方技术的国产化替代，已有 85%的浸润剂化工原料已能够自主制造；目前我国已掌握国际领先的玻璃纤维配方技术，显著提升了产品的强度、耐腐蚀性和耐高温性等。

作为碳纤维的前驱体，高质量的聚丙烯腈原丝是制备高性能碳纤维的前提条件。国外先进企业生产聚丙烯腈原丝的工艺以干喷湿纺工艺为主。干喷湿纺具有较高的牵伸倍数，有利于形成致密化和均质化的丝条，为生产高性能聚丙烯腈原丝创造了有利条件。目前国内公司已突破相关技术壁垒，预计未来国产替代可获突破性进展。

在芳纶纤维方面，国内厂商已突破对位芳纶关键技术，基本型对位芳纶（Kevlar29 级）实现稳定批量生产和供应，高强型对位芳纶（Kevlar129 级）实现国产化供应，打破了国外企业垄断的局面。预计未来芳纶纤维国产化将进入快速提升期，有利于促进复合材料国产率的提升。

2）复合材料零部件趋于大型化、整体化、结构功能一体化，制造技术趋于自动化

要实现复合材料用量的突破，必须在机身、机翼等大型部件上实现复合材料的应用，并向大型化、整体化、结构功能一体化进行发展。大型化、整体化、结构功能一体化的大尺寸整体构件具备如下优点：

①整体构件系将原本的大型零部件组合整合为一个或几个零部件，有效减少了零部件结构的连接和分段，在实现高承载效率的同时，大幅度地降低了零部件重量，节省了制造成本；

②整体成型技术的应用可大幅减少紧固件以及连接件数量，降低装配成本，缩短装配流程，节约装配时间，提升生产效率。

由于大型化、整体化、结构功能一体化整体构件成型工艺复杂、设计和生产难度高，传统的手糊成型、卡板定位、人工组装已难以满足制造精度和周期要求，自动铺丝铺带技术、热隔膜成型以及自动化组装等自动化制造技术应运而生。近年来，我国航空复材零部件自动化制造技术的应用取得了一定的发展，目前已基本实现了数控下料、激光投影铺叠、数控铣切、自动化超声探伤等基本的自动化生产技术。

但由于基础薄弱、技术积累缺乏，我国航空复材零部件制造业与欧美国家相比自动化水平仍然偏低，自动化铺丝铺带技术、热隔膜成型以及自动化组装等自动化制造技术尚不能实现批量应用。因此，自动化制造技术的应用研究仍是我国航空复材零部件制造业需要积极开展的工作。

3）航空复材零部件制造技术向低成本方向发展

航空复材零部件制造向低成本方向发展所涉及的主要技术，包括如下方面：

①液体成型技术

复合材料制件相对于传统的金属构件制造成本要高很多，因此降低制造成本一直是航空复材零部件制造领域所追求的目标。液体成型技术是一种极具潜力的低成本制造技术，区别于传统的热压罐成型工艺，液体成型技术采用纤维常温或升温固化的工艺，可以极大地节省预浸料低温存放及热压罐工作过程中大量的能源消耗。

液体成型技术中，树脂转移模塑成形工艺作为一种闭模成型工艺，可以通过多个芯模的组装，一次成型较为复杂的复合材料构件，并且成品的表面质量相对于热压罐成型更好，生产效率也较高；真空辅助树脂灌注成型技术工艺不需要专门的模具，系利用真空将树脂吸入干纤维预成型体，制造成本较低，通过优化工艺可以制造出与热压罐固化工艺相当的复材零件，也是一种很有潜力的技术。

就目前来看，国内的液体成型技术虽取得了一定的研究进展，但离批量应用尚有一定距离，在模具设计、流道布置等方面也需要相应的技术积累。

②自动铺丝铺带技术

目前在国内的航空复材零部件生产过程中，铺叠环节高度依赖于手工作业，操作风险较高，材料利用率较低，且无法应用于超大部件。目前国内的自动铺丝铺带设备的应用较少，相比国外复材零部件的自动化水平偏低。

自动铺丝铺带技术系利用自动铺带（不同带宽的预浸料）或自动纤维铺放（干态或预浸的纤维束、丝束等）技术直接将纤维、丝束和不同带宽的预浸料按照设计要求铺放成形，然后通过传统的热压罐技术或先进的液体成形技术得到最终的结构制品。自动铺放的复合材料铺层结构与手工铺放的基本一致，但效率和精度更高，并且纤维的连续性不受手工铺放的限制，因此结构完整性更优越。

自动铺带及丝束铺放的材料利用率可达到 80%-97%，远高于人工铺叠的材料利用率。因此，发展自动铺丝铺带技术有助于提高材料利用率，降低材料成本，是航空复材零部件制造业未来发展的重点方向。

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