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作者| 喻媛，上海飞机设计研究院
今年5月，中国自主研制的大型客机C919成功首飞，随后又于近日成功完成首次城际“远行”。研制国产客机，关键之一就是提高先进材料的应用水平，而复合材料用量是判断民用客机先进性的重要标志，这款被网友们亲切称为“胖九”的国产大飞机，复合材料结构占全机结构总重的比例达到了11.5%，这个比例在民用客机里是个什么概念呢？我们从头说起。
（一）C919用了哪些复合材料？
复合材料一般指由两种或两种以上异质、异型、异性材料（一种作为基体，其他作为增强体）复合而成的具有特殊功能和结构的新型材料。C919大型客机应用的复合材料包括环氧树脂基/酚醛树脂基为基体、碳纤维/玻璃纤维为增强体的树脂基复合材料以及芳纶蜂窝材料。
1、后机身和平垂尾等使用了T800级碳纤维复合材料
碳纤维复合材料是目前国际上民用航空领域应用最为广泛的复合材料，其刚度和强度性能相当于或超过铝合金，而质量很轻，具有较高的比强度、比模量、较好的延展性、卓越的抗腐蚀性等特点。
C919大型客机是国内首个使用T800级高强碳纤维复合材料的民机型号。相比T300级材料，T800级材料强度、模量更高，韧性更强，具备更好的抗冲击性，C919上受力较大的部件，如后机身和平垂尾等都使用了T800级碳纤维复合材料。
T300属于第一代民机复合材料，其树脂基体为未增韧的脆性环氧树脂基体，增强纤维为T300碳纤维，其拉伸强度约为3.5GPa，拉伸模量约为230GPa。T300呈现脆性材料性能特征，对冲击载荷引起的分层损伤比较敏感，因此只能用于受力不大的次承力结构。C919上使用的T800材料采用增韧环氧树脂基体，增强纤维为T800碳纤维，拉伸强度和拉伸模量较T300提高50%左右，也是目前国际上民机主承力结构应用最为广泛的复合材料。
（殷立勤 拍摄）
2、雷达罩使用了玻璃纤维复合材料
相比碳纤维复合材料，玻璃纤维复合材料的力学性能稍低，但由于碳纤维介电常数较高，会影响雷达工作，C919大型客机的雷达罩使用了玻璃纤维复合材料。另外一些受力较小的部件，如襟翼也使用了玻璃纤维复合材料。因为玻璃纤维复合材料成本比碳纤维复合材料低，在受力较小的部件上应用，既可以达到设计要求，又可以降低制造成本。
3、舱门和客货舱地板使用了芳纶蜂窝材料
C919大型客机舱门和客货舱地板使用了芳纶蜂窝材料，这是一种采用酚醛树脂浸渍的芳纶纸制成的轻质高强非金属仿生芯材制品。它模仿蜜蜂的蜂巢设计，具有稳定、轻质的结构和很高的比强度，与泡沫芯材相比，它具有更高的剪切强度，与金属蜂窝相比，它更加耐腐蚀。同时，芳纶蜂窝材料还具有高韧性、良好的抗疲劳性能和防火性能，是一种比较理想的民机复合材料。值得一提的是，近期，C919飞机确定了首家国内芳纶蜂窝材料供应商，这也是C919飞机首次“牵手”国产复合材料供应商。
（张海峰 拍摄）
（二）要生产满足民用客机使用的复合材料并不容易
正如复合材料性能特点天然符合民用客机产业需求一样，其由于生产工艺带来的生产不稳定性也天然与民用客机产业需求相悖。
复合材料最早应用于军用飞机上。上世纪90年代开始，国外率先将复合材料应用在战机机身、主翼、尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，甚至在一些轻型飞机和无人驾驶飞机上，已实现了结构的复合材料化。
然而，与军用飞机更加注重性能优越不同，民用飞机更加注重的是生产的稳定性。适航要求飞机每飞行小时发生一次灾难性事故的概率在10-9以内，这个要求分解到材料上，就要求供应商保证生产出来的材料在大概率上能够达到平均性能。
材料的平均性能需要以足够的材料试验为依据。C919应用的复合材料按照国际通行的“积木式”（BBA）方法开展试验验证，以获取材料的静力性能、各向异性、疲劳性能、断裂韧性、疲劳裂纹扩展性能等一系列性能指标，建立材料规范体系和设计许用值体系。
积木式方法是指按照试件尺寸和试验规模、环境复杂程度逐级增加，试验数量逐级减少，后一级利用前一级结果进行试验与分析的复合材料结构设计研制和验证技术。
C919复合材料分试片级、元件级、组合件级、部件级和全机级五级试验，一个牌号的试片级试验达到数千件，进行了拉伸、压缩、抗冲击等力学试验，密度、厚度、玻璃化转变温度等物理实验，液相色谱、红外、DSC等化学试验，得到较为全面的材料性能数据。
复合材料零件生产对操作人员、操作工艺、操作环境等有着十分严格的要求，甚至不同的人按照同样的工艺生产，产出的零件性能却可能有较大差异，这对民机复合材料结构零部件生产的质量控制而言是个巨大挑战。
此外，国外一些先进的设备，如自动铺带机和自动铺丝机等对中国禁运，因此国内复合材料生产还存在自动化程度不高的困境。
（殷立勤 拍摄）
（三）C919复合材料应用的探索
相比于金属结构，复合材料在民用航空领域还是一个新生事物。
在结构选材时，金属材料有厚厚的《金属材料性能的确定与标准化》作为参考，里面详细列明了各种常见航空结构用金属材料的性能，是国际适航认可的行业标准“数据库”。这完全要感谢近百年来航空材料领域开展的试验验证工作，积累了大量有效数据，同时还要感谢金属本身的性能稳定性，只要选定一种材料和相应的工艺方法，金属的性能可以说就是一定的。
而复合材料却大不相同。目前复合材料性能可供参考的只有一本《复合材料手册》，针对的也只是原材料的性能。据介绍，复合材料根据铺层方向的不同，性能差异巨大。
一般单层原材料的厚度在0.2毫米左右，所以如果生产4毫米厚的零件，就要铺20层，而每一层增强纤维相交角度不一样，生产出来的零件性能就不一样。另外，生产工艺、生产环境不同，生产出来的产品也不同。因此，复合材料应用比金属复杂很多。
新生事物在初始阶段总是带着这样那样的问题，国外民机在复合材料应用方面也走过了从手工铺贴到自动化、从生产不稳定到稳定、从次要结构到主要承力结构的探索过程。因此，C919复合材料应用在民机领域的探索作用可能远大于型号收益本身。
C919大型客机球面框是首个完整按照国外先进验证方法进行适航符合性验证的复合材料部件。球面框安装在飞机增压客舱的后端，承担约半个大气压左右的压差载荷，是飞机重要的疲劳部件。在进行设计时，设计师采用了三维结构二维展开的方法，把这个双曲面的复材结构“裁”成十几条形状各异的长形，因此，虽然是手工铺贴，依然达到生产精度要求和稳定性要求。
球面框设计与验证的成功，表明了中国在现有的工业基础上，已经具备成功应用复合材料的能力。相信随着C919项目和其他一些高新技术项目的不断深化，复合材料的成熟应用指日可待。
结语
国产大飞机C919在雷达罩、机翼前后缘、活动翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后机身、尾翼等主承力和次承力结构上使用了复合材料，占全机结构总重的比例达11.5%。这是中国民用航空制造领域第一次在主承力结构、高温区、增压区使用复合材料，并且实现了T800级高强碳纤维增韧复合材料的应用，为复合材料在民机制造领域的应用积累了宝贵的工程实践经验。
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编辑| 史文慧
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