摘　要：碳纤维复合材料在航空工业中的应用技术是―个很大的话题，本文在上半部分试图介绍其在商用飞机、发动机和短舱、直升机上的应用，以及预浸料和液体成型工艺；下半部分试图介绍胶膜、功能材料、航空复合材料的发展趋势。

1　复合材料在商用飞机上的应用

　　自复合材料诞生起，其轻质高强的性能就和航空航天飞行器结下了不解之缘，自上世纪40年代开始，复合材料就被用于军用飞机的修补。随着材料结构性能的不断提高和改善，复合材料作为结构材料先在军用飞机上得到了大量的使用。在积累了大量的经验和数据以后，自上世纪80年代起，复合材料也开始在商用飞机上得到逐步应用。随之而来的碳纤维革命，特别是中模量碳纤维性能的提高、技术的稳定，使得碳纤维复合材料终被用于大型商用飞机的主结构。以B787和A350为代表的大型商用飞机，其复合材料在飞机结构重量中的占比已经达到或超过了50％，大的商用飞机A380的翼也完全使用复合材料，这些都是复合材料在大型商用飞机上使用的里程碑。图1为复合材料在商用飞机上使用的发展历程。

　　目前，商用飞机上使用的复合材料大部分是碳纤维环氧复合材料，也包括一些玻璃纤维环氧复合材料，以及少量的特种基体树脂复合材料。其应用分为三个大类，即一级结构材料、二级结构材料和内装饰材料。
　　下面的三张图表分别介绍了在商用飞机上各个结构等级的复合材料部件。

　　实际上，中模量碳纤维的商品化为碳纤维复合材料在大型商用飞机上作为结构件，特别是一级结构件提供了可能。东丽的R00级材料、赫氏的M系列纤维成为这种应用的典型代表。所以，制造的碳纤维如果要在航空应用上有所突破的话，必须迈过中模量这道门槛。

2　复合材料在发动机和短舱上的应用

　　复合材料在商用飞机上的另一个主要应用领域是在发动机和短舱，而发动机叶片，例如，GE90的发动机叶片，则是这种应用的典范。GE90叶片使用的是8551-7／IM7预浸料，通过热压罐工艺成型获得，这种环氧中模量碳纤维预浸料具有极高的韧性和损伤容限，可以满足叶片苛刻的性能要求。
　　发动机复合材料叶片的另一种制作工艺是使用3D碳纤维织物，用环氧树脂灌注而成。这种技术充分利用了3D织物的特点，用其制得的复合材料具有低裂纹扩展性、高能量吸收性以及耐冲击、抗分层性能。即将用于C919客机的Leap-X1C即使用这种技术。
　　复合材料除了提供结构贡献以外，在发动机和短舱上的另―个贡献是降噪。在B787的发动机和短舱上使用了一种降噪蜂窝，用其作为芯材、环氧预浸料作为蒙皮的夹层结构起到了良好的降噪效果，使B787被誉为安静的飞机，这也是B787的亮点之一。
　　下图详解了复合材料在发动机和短舱上已经应用的―些复合材料部件。

3　复合材料在直升机上的应用

　　国外复合材料在直升机上的应用已经有了相当长的历史，并被誉为直升机的两次技术飞跃之一，对此，欧洲一直走在的前列。在直升机上使用复合材料的历史应该从哈飞的海豚项目开始，至今已有30年的历史。相对于商用飞机而言，复合材料在直升机上的应用更广泛，除机身、尾棵等结构件以外，还包括桨叶、传动轴、高温整流罩等对疲劳、湿热性能有更高要求的部件。特别是复合材料桨叶的使用，把桨叶的使用寿命从金属的2000小时提高到了复合材料的6000小时以上，甚至是无限寿命，并且两者的制造成本几乎相当，因此使用复合材料取代金属材料也成为必然。
　　在，直升机的传统应用是在军事领域，数量非常少，以至于汶川地震时没有足够的直升机，特别是大型直升机用于救灾。根据发展的需要，未来10年，的民用直升机市场将会得到深度的开拓，AC系列的民用直升机也将形成。复合材料结构，特别以碳纤维预浸料为主要原料的碳纤维复合材料结构必将成为直升机结构的主流。
　　根据新技术的发展以及直升机对复合材料性能的实际要求，赫氏对直升机各个部件的复合材料系列有个大致的推荐，具体的图示如下。

4　复合材料在通用飞机上的应用

　　相对于大型商用飞机而言，通用小飞机的结构则简单的多，有些小飞机的机身甚至可以使用玻璃纤维预浸料为蒙皮的蜂窝夹层结构，而外翼的翼棵则可以使用单向碳纤维复合材料制造。生产工艺上，从节约成本考虑，较为普遍采用的是非热压罐工艺。由于小飞机机身的曲率半径比较小，在制造蜂窝夹层结构时，往往采用工程蜂窝(engineering core)形式来制造夹层结构件，即将蜂窝采用切削、热定型等加工手段，针对不同的受力情况使用不同的蜂窝，加工成一个整体的芯材结构，然后一次成型成夹层结构部件的工艺。
　　另外，由于生产通用飞机的企业非常多，各企业不可能像波音空客那样投入大量的人力、物力和财力来制定各自的材料规范，各原材料生产商也不希望看到每个客户都使用自己的规范来采购。所以，为了统一材料标准和规范，在美国NASA的牵头下成立了AGATE这样一个组织，旨在为广大的中小通用飞机复合材料部件制造者提供一个共享的数据库。这个数据库是免费的，用户可以使用数据库中的数据来进行产品设计、质量管理、适航认证等。
　　目前，赫氏推荐用于通用飞机的环氧预潭料主要为M10R系列，产品包括标准模量的单向碳纤维预浸料、平纹和缎纹的碳纤维织物预浸料以及玻璃纤维预浸料等。

5　预浸料热压罐成型工艺

　　环氧树脂基复合材料有多种成型方式，包括预浸料热压釜、预浸料真空袋压、RTM(树脂传递模塑)、模压、搓卷、手糊等，对于航空航天部件而言，目前常用的方法仍为预浸料热压罐工艺和RTM工艺，而热压罐成型工艺也成熟。
　　预浸料热压罐工艺的特点是部件质量高、性能稳定、产品重复性好，但人工铺贴时劳动量大、工时费用高、效率低、管理难度大。可以想象的是，像A350外翼面板这样大尺寸的复合材料部件是难以使用手工铺贴的。所以，目前随着产品的大型化，使用自动铺带工艺和自动铺丝工艺已成为一种发展的必然。
　　现在，国外较为先进的自动铺带设备已经向的商用市场开放，自动铺丝设备也会得到开放。当然，对我国的航空复合材料工业而言，终解决问题，还需要自己的自动铺贴设备。
　　目前预浸料制作仍然使用溶剂法和热熔法两种工艺，但基于质量稳定性以及对预浸料物理性能指标高精度控制的考虑，越来越多的预浸料使用热熔法制造。在设备创新上，有些设备制造商已将传统的两步法生产串联在一台设备上，从而使得预浸料的生产更高效。当然，针对航空业对质量的要求，为了确保产品质量的同一性和重复性，同时也是更好的保护知识产权，也有些大型企业采用厨房式的生产方式，将预浸料的树脂膜集中生产，然后由各卫星工厂生产预浸料。

　　在力学性能上，一级结构材料对其的要求已基本确定，波音和空客的规范对此也提出了具体的要求。表1为赫氏适用于一级结构材料的主要数据，其中M21系列是已被认证的碳纤维环氧预浸料，M91系列是为下一代商用飞机准备的材料。

6　液体成型环氧树脂基复合材料技术

　　毫无疑问，尽管预浸料热压罐成型方式得到的复合材料产品的性能比较稳定，但制造成本相对而言却是比较高的，并且由于铺贴工艺的局限性，在制造大型、复杂的复合材料部件时受到了一定的限制。而将预浸料铺贴制得的部件组装成一个复杂的复合材料结构又需要大量的连接件，这种结构没有充分发挥复合材料的特点，造成不必要的重量增加，这样，就催生了液体成型工艺，即RTM成型工艺。
　　简单的讲，液体成型技术就是将树脂注入到密封的模具中间，浸渍连续的、预先定型的增强材料，固化以后得到复合材料部件的一种工艺。由于树脂工艺性能、材料浸渍性能的改进和提高，浸渍工艺也已从单一的压力注入(Pressure Injection)派生出真空灌注(Vacuum Infusion)等。当然，模具的结构形式也进行了相应的改变，产品的特点也有所不同。
　　和工业等级的真空灌注，例如大型风力发电叶片的成型技术相比，航空用的液体成型技术在选材上有着根本的不同。除了优异的力学性能外，航空产品还需要高稳定性能，产品重复性好，尺寸精度高，并将每一克重量的性能发挥至极致。有时，针对某些部件的要求，还需要对某些性能进行改性。
　　传统上的被航空认证的增强材料一般为碳纤维织物，使用的碳纤维包括3K、6K和12K等；织法包括单向、平纹、斜纹、缎纹等。一般在织物上面涂有特种粉末，例如环氧粉末等，用于液体成型前织物的热定型。
　　在近的产品开发中，NCF(NON CRIMP FABRICS)多轴向织物得到了相当的重视。这种材料除了更好的体现准各向同性的性能外，纤维没有卷曲，编织技术使得增强材料的铺贴性能更好，同时，也适用于改性。例如，赫氏使用一种被称作为Interleaf的技术，在多轴向织物上植入增韧材料，从而有效地提高了复合材料的韧性，和没有使用Interleaf技术的增强材料相比，标准模量的碳纤维复合材料的CAI(compress after impact)普遍可以提高30％左右，而复合材料的湿热性能没有任何影响。同时，基体树脂的工艺性能也得到了很大的改善，典型产品包括赫氏的RTM6和氰特的Cycom890等。
　　以RTM6为典型产品的早先的液体成型树脂一般为单组份产品，由于其需要冷冻运输，并且危险性较高，为航空运输所禁止，所以，极大地制约了这种产品的开发和应用。为此赫氏通过长期研究，开发了命名为RTM6-2的双组分液体成型树脂，该产品分为A和B两个组分，可以常温运输和储存，大大方便了用户的使用。目前，该产品已成为液体成型技术常用的产品之一。
　　液体成型技术基本的工艺是将增强材料先基本定型为部件的形状(对于简单部件也可以不需要预定型)，然后把加热至一定温度的树脂经压力灌注人模腔，加温固化而成。所以，先需要关注的是热定型的粘结材料的问题，包括定型温度和环氧树脂的相容性，对复合材料终性能的影响等。同时织物的质量也对增强材料的预定型起着至关重要的作用。
　　单组份树脂的灌注比较简单，只需按工艺参数实施加温、加压即可。而双组分的工艺相对复杂，还需要考虑组分混合中的重量控制、混合的均匀程度等问题，这些一般由计算机控制系统完成。   
　　除了材料和工艺以外，使用液体成型工艺制作部件成功与否的关键是模具的设计，特别是注入孔、道出孔的位置、密封材料的设置等，这需要长期经验的积累。以下是两种液体成型工艺的示意图。

　　目前，使用液体成型技术制造的复合材料部件已经作为结构材料服役于许多大型商用飞机。庞巴迪CRJ系列的副翼和襟翼使用了RTM工艺制造，不仅节省了大量的劳动力成本和材料，而且减少了许多传统的组装工作。例如，对于NextGen支线飞机而言，其副翼的零部件数量减少了80％。襟翼的零部件数量减少了95％。

　　另一个成功的例子是某一支线飞机的垂尾，其使用Hexforce®的多轴向碳纤维织物和Hexflowp®RTM6树脂一次注入成型制造。该部件在选材上使用了多轴向碳纤维织物，解决了双向材料在力学设计上的缺陷。一次注入成型体现出了工程师在模具设计、材料选择、工艺参数确定等诸多方面的能力和经验。

　　即使在A380和B787等大型商用飞机上，也能见到液体成型复合材料部件的身影，例如，用于制造―些活动面、副翼棵、门铰链等。