第三章波音公司使用复合材料的现状1-2

课
题
第三章波音公司使用复合材料的现状（1/2）
目的与要求明确民用飞机的发展与复合材料之间的关联关系基本熟悉复合材料与民机性能制件的连续
熟悉波音公司制造飞机用碳纤维的特性
了解目前波音使用的碳纤维的型号和使用部位了解目前正在使用的有波音发起指定的行业标准
重点基本熟悉复合材料与民机性能制件的连续熟悉波音公司制造飞机用碳纤维的特性
难
点
了解目前波音使用的碳纤维的型号和使用部位
教
具
复
习提问了解目前波音使用的碳纤维的型号和使用部位了解目前正在使用的有波音发起指定的行业标准
新知识点考查明确民用飞机的发展与复合材料之间的关联关系基本熟悉复合材料与民机性能制件的连续
布置
作业
课堂布置
课后
回忆
了解目前波音使用的碳纤维的型号和使用部位备注
教员
第三章波音公司使用复合材料的现状(1/2) 第2 页共8 页
图1 波音使用复合材料制作的B787窗框
图2 波音使用RTM工艺制造的航空部件
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1.复合材料与民用飞机的关系
民用航空要求高效率、经济性、舒适性和便利性，以及极高的环保性能，新一
代民用客机都以此作为目标。

美国波音公司新一代客机B787最初称为7E7，其中的
“E”字主要代表效率（Efficiency）、经济性（Economics）、超凡的乘坐舒适性和便
利性（Extraordinary comfort and convenience）以及环保性能（Environmental performance）。

怎样才能达到效率、经济性、舒适性和便利性、以及环保性能呢？答
案是大量采用先进复合材料。

碳纤维复合材料，具有比强度高、比模量高、耐疲劳性能和尺寸稳定性好等一
系列优点，是国防高技术发展的基础，是新一代武器装备发展的基础，也是军用和民
用飞机发展的基础。

在飞机上采用先进复合材料可以大幅度减轻机体结构质量、改善
气动弹性，提高飞机的综合性能，因此先进复合材料在军用和民用飞机上的应用不断
得到扩大。

当前美国航空航天领域先进复合材料的市场约为70亿美元，由于新一代
民用客机上大量采用复合材料，预测到2026年将增长4倍，达到280亿美元。

从民用飞机发展来看，美国波音公司第一代民用客机B707上没有采用复合材
料，复合材料的用量为零。

1960、1970年代先进复合材料在民用飞机上的用量还只
有1%～3%，像DC-9、DC-10、MD80和L1011等客机上先进复合材料的用量还只有
1%左右，B747飞机的先进复合材料的用量当时比较高，也只有2%～3%。

20世纪
80年代民用飞机先进复合材料的用量有所提高，波音公司B757先进复合材料的用量
为3%～4%，B767则达到4%～5%。

欧洲空中客车公司的先进复合材料的用量比美国波音公司高，A300-600达5%～
6%，A310接近10%，而A320则大于10%接近12%。

到90年代欧洲空中客车公司
的A321、A330和A340的先进复合材料的用量都增长到13%～15%，A322则在15%～
16%。

波音公司的B777在10%～11%。

表明在80年代到90年代先进复合材料在民
用客机上的应用，欧洲空中客车公司领先于美国波音公司。

21世纪以来，美国波音
公司大力开展扩大先进复合材料在民用飞机上应用的研究，取得很大成绩，具体反映
在最新一代的民用客机B787上。

B787用的材料见表1，铝合金用量约占20%，而先
进复合材料在B787的用量高达50%。

同期欧洲空中客车公司大型客机A380上先进
复合材料的用量在25%左右。

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表1 波音公司B787的材料
国外民用航空的发展表明，随航空技术的发展，飞机应用的材料也在不断变化
和发展。

材料应用最明显的特点就是先进复合材料的比例在不断增长，包括在主承力
构件、次承力构件和内装饰的应用，例如波音B787采用碳纤维复合材料制造机翼和
机身结构，波音B787先进复合材料典型构件－机身段，它是长7m和宽6m的整体
结构件。

先进复合材料主要指的是不同类型的碳纤维增强树脂基复合材料。

由于碳纤维
增强树脂基复合材料用量比例大幅度增长，因此，对碳纤维的需求量也不断地增长，
这是近年来国际市场上碳纤维供应日趋紧张的重要原因。

先进复合材料的大量采用,降低了飞机结构质量，而新型的发动机和创新的流线
型机翼设计，使B787飞机比目前同类飞机节省20%的燃油消耗，此外波音B787除
了让中型飞机尺寸与DX飞机航程的实现结合，也将以0.85倍音速飞行，这与当代
速度最快的民用飞机波音747速度是相同的，这也使其点对点远程不经停直飞能力得
以更好的体现。

2.波音公司应用情况
2.1.民用航空对先进复合材料和碳纤维的需求
波音公司是民用飞机最有名制造商之一，波音B787梦想飞机（Dreamliner）是
波音公司推出的首款全新机型，属于200～300座级飞机，航程随具体型号不同可覆
盖6500～16000km范围。

B787的低燃料消耗、高巡航速度、高效益及舒适的客舱环
境，可实现更多的点对点不经停直飞航线，得益于大量采用先进复合材料。

每架B787
飞机上先进复合材料的具体用量，不同的资料有不同报导，从约25t到约75t。

从日本东丽公司和美国波音公司签订的碳纤维供货合同可知,每架B787飞机碳
纤维的需求量为30t，因合同规定东丽公司向美国波音公司每架B787飞机供应30t
碳纤维，一直到2021年。

如果先进复合材料中碳纤维量占60%左右，可以推算出每
架B787飞机上先进复合材料的用量在50t上下。

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除了波音公司以外，空中客车公司是世界上另一个最大民用飞机制造商。

空中
客车公司研制发展两个新机种A380和A400M，前者是民用客机，后者是运输机。

A380是当今世界上最大型客机，可载客555人，飞行距离15000km，无间断直接在
欧洲和亚洲之间飞行。

空中客车公司两个新机种A380和A400M也要大量碳纤维复合材料。

A380客机
大量采用碳纤维复合材料和玻纤增强铝合金，碳纤维复合材料构件包括：襟翼、副翼、
梁、后隔板、舱壁、地板梁、前缘、中央机翼盒、机身段、垂直稳定翼等。

A380飞
机采用复合材料的比例虽没有波音B787高，量也没有波音B787大，但A380对碳纤
维复合材料的需求量约为1000t/a。

A400M是新型运输机，为了大幅度增加其运载量而大量采用复合材料。

A400M
采用复合材料的比例约占结构质量的35%～40%，碳纤维复合材料构件包括：稳定翼、
机动翼、主翼盒等，这是首次在这么大的翼盒上采用复合材料。

波音公司B787、空中客车公司A380和A400M，共3个机种的碳纤维复合材料
的需求量约为大于3000t/a。

随这些飞机产量的提高，碳纤维复合材料的需求量将不
断增长。

2.2.波音飞机对碳纤维的要求
波音公司民用飞机对先进复合材料用碳纤维品种和规格的要求如下：
⑴波音747飞机用复合材料对碳纤维的需求为：
·复合材料机翼上用的碳纤维是：T300-3K小丝束碳纤维和平纹碳布。

·发动机上应用的有：T300、G30-500、AS-4、平纹碳布和8H缎纹碳布。

⑵波音767飞机用复合材料对碳纤维的需求为：
·复合材料机翼上用的是T300-3K平纹碳布和TG30-500 3K 平纹碳布。

·机身用的是T300-3K平纹碳布。

·垂直尾翼和水平尾翼上用T300-3K平纹碳布和G30-500 3K平纹碳布。

⑶波音777飞机用复合材料对碳纤维的需求为：
·复合材料机翼上用的是T300-3K 和T800-12K单向带（制蜂窝夹层）。

·机身用的是波音材料标准BMS 8-276单向带和平纹碳布；T800H-12K
（T800S24K）单向带和T300-3K（T700GC）平纹碳布。

·发动机上应用的是T300和G30-500平纹碳布和蜂窝夹层。

·尾翼上用T300-3K 带、单向带和蜂窝夹层。

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⑷波音787飞机上复合材料对碳纤维的需求为：
·无论是机翼、机身、垂直尾翼或水平尾翼，均采用T800、T700、IM类碳纤
维，包括：6 k、12k和24k。

以及标准模量12k碳纤维布。

·发动机用标准模量3k 碳纤维。

民机上应用的碳纤维可归纳为表2。

表2 民机上应用的碳纤维
从波音公司民用飞机应用先进复合材料发展的历程，我们可以总结出以下几点：
⑴复合材料在民用飞机上的用量在不断扩大。

从最初波音B747仅为1%左右，
发展到最新一代的波音B7E7，复合材料用量已经超过50%以上。

⑵较大丝束的碳纤维在不断扩大应用，较小丝束碳纤维则被较大丝束碳纤维所
取代。

在最初的波音B747和波音B767飞机上，制备复合材料用的碳纤维基本上都
是3k小丝束碳纤维。

而在波音B767飞机上，部分3k碳纤维已经被12k碳纤维所取
代。

到最新一代波音B787飞机，制备复合材料用的碳纤维主要是6k、12k和24k较
大丝束的碳纤维。

⑶T700和T800等较高性能的碳纤维逐步取代T300类碳纤维。

波音B747和波
音B767飞机制备复合材料用的碳纤维基本上是T300类碳纤维，而波音B777和波音
B787则大量采用T700、T800和IM系列高强度碳纤维。

2.3.民用航空对先进复合材料工艺和质量的技术要求
民用航空对先进复合材料的要求最主要的是要“稳定”、“可靠”和“可重复”。

也就是先进复合材料的材料工艺、性能和质量必须做到稳定性、可靠性和可重复性，
这要求：
（1）纤维复合材料用的原材料必须严格执行材料技术条件；
②测试性能和为设计提供数据用的试样必须根据工艺技术条件制备；
③复合材料部件的生产必须根据工艺技术条件。

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（2）为了达到这些要求，必须建立材料和工艺的技术条件和质量要求，包括：
①纤维及其生产线；
②碳布及其织机；
③编织物及其编织机；
④预浸料和预浸料生产线；
⑤生产设备；
⑥制造工艺；
⑦工艺装备等。

（3）波音公司已制订了碳纤维及其织物的相应技术标准，包括：
①BMS9-8，《标准模量碳纤维及其织物技术标准》。

②BMS9-17，《IM类碳纤维和T800H、T800S技术标准》。

③BMS9-22，《供编织用碳纤维技术标准》。

④BMS9-223，《编织物、预制件技术标准》。

（4）民用航空对碳纤维质量的要求非常严格，不仅对碳纤维物理性能和力学性能有要求，更是对碳的生产工艺和关键工艺参数控制有要求。

美国波音公司对碳纤维束丝物理性能和力学性能要求检测的项目有：
①碳纤维的密度；
②碳纤维束的线密度；
③上浆剂含量；
④碳纤维打捻数；
⑤抗拉强度、弹性模量和断裂应变。

此外对取样方法、每批或每筒的取样数都有规定要求。

为了便于追踪，还要求
碳纤维的供应厂商记录和提供聚丙烯腈原丝的批次号、碳纤维的批次号和碳纤维的筒
号。

（5）波音公司的工艺控制文件要求碳纤维生产商确定关键工艺参数，以及这些关键工艺参数的控制范围。

包括：
①聚丙烯腈原丝。

原丝的原材料、牵伸工艺、温度和保温时间、纤维的纤
度等。

②制备碳纤维的原材料。

包括：聚丙烯腈原丝、碳化用惰性气体、上浆用
树脂、表面处理用电解液等。

③预氧化工序。

预氧化时的炉温及其均匀性，氧化气氛中空气纯度的一致
性。

④碳化工序。

碳化时惰性气体纯度的一致性，碳化炉温及其均匀性。

⑤表面处理工序。

表面处理时电解液的浓度，电流密度。

⑥上浆工序。

上浆液的浓度及其一致性，干燥工艺等。

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3.作业
3.1.简要陈述复合材料与民用飞机发展的关系
3.2.波音公司对用于飞机制造用碳纤维有哪些具体要求？
3.3.波音公司已制订哪些与碳纤维及其织物有关的技术标准？。