碳纤维复合材料在民用航空上的应用

关 键 词： 碳 纤 维 ； 复 合 材 料 ； 民 用 航 空 ； 飞 机
中图分类号： V258+.5
文献标识码： A
文章编号： 1007-9815（2003）03-0001-04
前 言
先进复合材料具有高比强度、高比模量等优
点，在飞机上采用先进复合材料可以大幅度减轻
2002 年 10－ 11 月 ， 作 者 在 美 国 北 卡 罗 来 纳 机 体 结 构 质 量 、 改 善 气 动 弹 性 ， 提 高 飞 机 的 综 合
观、访问了北卡罗来纳大学国家纺织实验室（ State Textile Laboratory ， North Carolina State
900－ 1 000t。 从大型民用飞机发展来看，美国波音公司第
一 代 大 型 民 用 客 机 B707 上 没 有 采 用 复 合 材 料 ， 复合材料的用量为 0。第二代 B747 上 复 合 材 料 的
第二十八卷 第三期 2003年 06月
高科技纤维与应用
Hi-Tech Fiber & Application
Vol.28, No.3 Jun., 2003
碳纤维复合材料在民用航空上的应用
赵稼祥
（航天材料及工艺研究所，北京 100076）
摘 要： 本文介绍碳纤维复合材料在民用航空上的应用，包括碳纤维复合材料在民用飞机上的应用、在 B777 和 A380-800 客机上复合材料采用情况以及国外对民用航空上应用复合材料的看法。
⑿ 内外侧扰流板； ⒀ 后缘壁板； ⒁ 发动机短舱； ⒂ 发动机支架整流罩； ⒃ 前起落架舱门；
复合材料在先进军用飞机和先进的大型民用客机
⒄ 机身下主起落架舱门；
上的用量已相当。
⒅ 固定前缘；
碳 纤 维 补 强 片 材 杭 州 索 奇 先 进 复 材 公 司 ０ ５ ７ １ － ６ ３ ３ ７ ３ ２ ３ ６
-2-
高科技纤维与应用
第二十八卷
表1 复合材料在民用飞机上的应用
年份 型号 1960 D百度文库-9
复合材料用量 （ %）
备注
＜＼1
麦道公司
1968 B747
2－ 3
波音公司
1971 DC-10
＜＼1
麦道公司
1974 L1011
~1
洛克希德公司
1980 MD80
~1
麦道公司
1982 B757
3－ 4
波音公司
大型客机，采用复合材料达到 8－9t， 占 该 机 结 构 质 量 的 9% 左 右 。 欧 洲 空 中 客 车 公 司 生 产 的 超 大
料 科 学 与 工 程 系 和 机 械 工 程 系 等 ， 与 有 关 教 授 、 型 客 机 A380-800 可 搭 乘 555 名 旅 客 ， 起 飞 质 量
University） 和土木工程系，阿拉巴马大学材料工程 用 量 为 2％ － 3%， 已 经 有 了 明 显 的 增 长 。 B757
系（Departmentof Materials Engineering， University 和 B767 属 于 第 三 代 大 型 客 机 ， 复 合 材 料 的 用 量
⑶ 复合材料在大型民用飞机上的应用已接近 在 先 进 军 用 飞 机 上 的 应 用 水 平 。 F22 是 当 前 美 国 最 先 进 的 军 用 飞 机 之 一 ， 复 合 材 料 的 用 量 在 26% 左 右 。 而 2003 年 欧 洲 空 中 客 车 公 司 生 产 的 A380 超 大 型 客 机 ， 复 合 材 料 的 用 量 也 高 达 25%， 表 明
1983 B767
4－ 5
波音公司
1984 B737
~1
波音公司
1985 A300-600
5－ 6
空中客车公司
⑷ 欧洲在大型民用飞机上采用先进复合材料 量已大大高于美国。从表 1 可明显地看出，欧洲 空中客车公司生产的大型民用飞机，其复合材料 的应用程度比美国要高得多。欧洲空中客车公司 在 1985 年 生 产 的 A300-600， 复 合 材 料 的 用 量 已 经 达 到 5%－ 6%， 该 公 司 生 产 的 A320 、 A321 、 A322等 复 合 材 料 的 用 量 都 达 到 或 超 过 15%， 而 A380高 达 25%。 美 国 波 音 公 司 在 1990 年 生 产 的 B747-400， 复 合 材 料 的 用 量 仅 为 ~2%， 1995 年 生 产 的 B777 是 美 国 波 音 公 司 生 产 的 大 型 民 用 飞 机 中 采用复合材料最高的，复合材料的用量也只有 ~9%， 远 远 低 于 同 时 期 欧 洲 空 中 客 车 公 司 生 产 大 型民用飞机复合材料的采用量。
专 家 和 学 者 ， 讨 论 、 交 换 对 碳 纤 维 、 复 合 材 料 与 56t，复合材料的用量高达 25%。
先进材料技术现状、应用与发展的看法，有很大
从 1960 年 DC-9 飞 机 到 2004 年 A380-800 客
收获。本文简要介绍碳纤维复合材料在民用航空 机，复合材料在大型民用飞机上的用量根据美国
1986 A310 1989 A320 1990 B747-400
~10
空中客车公司
~15 空中客车公司 ２ 复 合 材 料 在 美 国 波 音 公 司 Ｂ７７７ 飞
~2
波音公司
机上的应用
1991 A340 1992 MD11 1993 A330 1994 A321 1995 B777 1997 A322 2004 A380
３ 复 合 材 料 在 欧 洲 空 中 客 车 公 司 Ａ３８０－８００飞 机 上 的 应 用［３］
正在建造中的欧洲空中客车公司 A380-800 飞 机 长 73m、 高 24.1m、 翼 展 79.8m，在最经济有 效 的 0.89M 飞行速度下，航程 1.4×10 km4 。它 是 民航飞机中最先进、最具代表性、也是采用复合 材 料 比 例 最 高 的 机 种 。 A380-800 飞 机 中 先 进 维 复 合 材 料 用 量 高 达 30－35t， 主 要 是 碳 /环 氧 复 合 材 料 ， 也 包 括 GLARE（ 玻 璃 纤 维 增 强 铝 ） 和 玻 纤/ 环 氧 。 此 外 ， 还 有 30t 玻 纤 /酚 醛 复 合 材 料 ， 用 于 飞机的内装修。
A380-800 飞 机 复 合 材 料 构 件 分 别 由 空 中 客 车 各分公司和合作伙伴完成。空中客车法国分公司
制 造 中 机 身 ， 包 括 中 翼 盒 、 机 头 和 驾 驶 舱 。 BAE 系统公司生产主机翼段。空中客车德国分公司制 造机身、前、后机翼（包括玻璃纤维增强铝 GLARE 的 组 装 ） 、 垂 直 尾 翼 和 后 压 力 舱 壁 等 。 空中客车西班牙分公司制造后机身、水平安定 面、腹部整流装置、方向舵和升降舵等。一些复 合材料次承力构件由欧洲、美国和日本等国转包 合同公司承担。第一架 A380-800 的 制 造 生 产 始 于 2002 年 1 月 23 日 ， 将 最 后 于 2004 年 在 法 国 吐 鲁 兹 （ Toulouse ） 组 装 。 A380-800 的 首 飞 亦 将 于 2004 年 实 施 。
和欧洲空中客车公司，因麦道公司已被波音公司
收稿日期：2003-03-25；修定日期 ：2003-04-30 作 者 简 介：赵稼祥（1933-），男，上海人，研究员，长期从事军用新材料发展战略和高性能纤维及其先进复合材料的应用研 究。
碳 纤 碳 布 芳 纶 芳 纶 布 混 杂 布 蜂 窝 芯 富 阳 特 纤 所 ０ ５ ７ １ － ６ ３ ３ ７ ２ ４ ６ ６
⑴ 垂直安定面翼盒； ⑵ 平尾翼盒；
兼并，洛克希德公司已退出民用飞机市场，因
⑶ 方向舵；
此，复合材料在民用飞机上的应用，实际上就是
⑷ 升降舵；
看美国波音公司和欧洲空中客车公司在大型民用 飞机生产中采用复合材料的水平。
⑸ 前后缘壁板； ⑹ 地 板 梁 70 根 ；
⑵ 复合材料在大型民用飞机上的应用不断扩
~13 4－ 5 ~13 ~15
~9 15－ 16
~25
空中客车公司 麦道公司 空中客车公司 空中客车公司 波音公司 空中客车公司 空中客车公司
美 国 波 音 公 司 的 B777 客 机 应 用 复 合 材 料 的 比 例 达 到 9%， 是 该 公 司 应 用 复 合 材 料 比 例 最 高 的 民 机 机 种 ， 在 B777 客 机 上 ， 先 进 复 合 材 料 主 要应用在飞机尾翼、襟翼、副翼、天线罩、整流 罩、短舱和地板梁等构件，具体包括：
2002） ， 碳 纤 维 复 合 材 料 在 民 用 航 空 上 的 应 用 也 2001 年 世 界 上 飞 机 生 产 对 碳 纤 维 的 需 求 量 约 为
是 其 中 议 题 之 一 ， 美 国 波 音 公 司 的 SCOTT KRAJCA 在会上还就此作了专题报告 。 [1-2] 会 后 参
州 首 府 洛 利 （ Raleigh， NC） 参 加 了 2002 年 世 界 性 能 ， 因 此 先 进 复 合 材 料 在 飞 机 上 的 应 用 不 断 得
碳 纤 维 会 （ Global Outlook for Carbon Fiber 到 扩 大 。 根 据 美 国 复 合 材 料 制 造 商 协 会 统 计 ，
第三期
赵稼祥：碳纤维复合材料在民用航空上的应用
-3-
⒆ 雷达天线罩等。 美国波音公司制备碳纤维复合材料的原材料 主 要 采 用 日 本 东 丽 公 司 的 产 品 ， 包 括 ： T800H 高 强 中 模 碳 纤 维 、 3900-2 增 韧 环 氧 树 脂 等 ， 用 T800H 高 强 中 模 碳 纤 维 增 强 3900-2 增 韧 环 氧 树 脂 的 复 合 材 料 T800H/3900-2， 用 于 制 造 B777 的 主 承 力 构 件 。 S-2 玻 璃 纤 维 增 强 环 氧 树 脂 用 于 制 作 雷达天线罩。玻璃纤维和碳纤维混杂增强环氧树 脂用作机身下主起落架舱门和固定前缘。 美国波音公司认为在波音系列客机中可以进 一步采用碳纤维复合材料的主要有：机翼结构与 蒙皮、机身（前、后、中）及其蒙皮、压力舱 等。是否在下一代新机种上采用碳纤维复合材料 要有一系列因素决定，减重绝对不是唯一决定因 素，成本才是重要因素，性能和价格要统一考 虑。这里必须指出，性能和价格除了通常人们所 说的飞机速度、航程、载重等以及原材料价格、 制造成本、设备与折旧、工资等等外，还要包括 操作性能与费用、维护与费用、市场与销售费用 等，所有因素统一折衷平衡。所以全面的性能/价 格比才是决定因素。 为了促进复合材料在民用客机上的应用，一 是要降低碳纤维复合材料成本；二是提高碳纤维 复合材料制备效率；三是改进大型复合材料构件 制备工艺技术。
客 车 公 司 A380-800 飞 机 上 复 合 材 料 使 用 情 况 以 及 出如下结论：
国外对复合材料在民用航空上应用的看法等，供
⑴ 世界上最大、最有影响生产大型民用飞机
有关领导和专家们参考。
公司主要有美国波音公司、美国麦克唐纳·道格
拉斯公司（简称麦道公司）、美国洛克希德公司
１ 复合材料在大型民机上的应用
⑺ 外侧副翼；
大。随科学技术的发展，复合材料在大型民用飞机 上 的 用 量 不 断 增 长 ， 从 1960 年 DC9 的 用 量 不 足 1%， 1980 年代逐步增长到 A310 的 10% 左 右 ， 而 到 2003 年复合材料在 A380 的用量高达 25%。
⑻ 外侧襟翼； ⑼ 襟翼； ⑽ 襟副翼； ⑾ 整流包皮；
工 业 上 的 应 用 ， 包 括 ： 从 1960年 代 至 今 复 合 材 料 宇 航 局 （ NASA） 哈 里 斯 （ Harris， C.E.） 和 夏 特
在世界上大型客机上的应用、当前最先进和超大 型 客 机 的 代 表 ， 美 国 波 音 公 司 B777 和 欧 洲 空 中
（ Shuart， M.J.）的统计详见表 1。 由表 1 对复合材料在民用飞机上的应用可得
of Alabama），乔 治 亚 理 工 大 学 复 合 材 料 教 育 研 究 增 加 到 3％ － 5%。 波 音 公 司 最 新 的 B777 第 四 代
中 心 （ Compo-site Education and Research Center， Georgia University of Technology） 、 材