从 787 聊聊飞机复合材料
这 787 与众不同的地方是大量使用先进的复合材料，连机身都用的是复合材料，大约结构重量的一半是复合材料。相比之下，757 飞机这个比例大约是 7%，777 大约是 11%。757 咱修了不少，感觉没有达到 7% 的比例。传统飞机用的是铝合金结构机身。
复合材料的定义是很广泛的，飞机上使用的复合材料主要是指碳（石墨）纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维和树脂做成的。以碳纤维复合材料为例，在同等质量条件下，其强度是铝合金的 7 倍。使用复合材料的好处主要就从这里来的。既然复合材料又轻又结实，那用复合材料的飞机就更轻，能载更多的客货了。铝合金容易腐蚀，飞机飞的时间长了还有疲劳问题，会出现疲劳裂纹。但复合材料就不然，它不腐蚀，也不疲劳。这带来的好处就多了去了。传统飞机大修时，飞机厕所、厨房、前后货舱下面的地板梁，经常腐蚀得白花花的。用复合材料就不怕腐蚀了。这 787，机身都用复合材料制造，强度远高于铝合金机身，因此，787 客舱的舷窗可以开的更大，客舱里的气压和湿度也可以升高。金属飞机客舱里的气压相当于海拔 2,400 米的气压，气压再高，就太接近机身结构的安全限了。很多人坐飞机时会觉得机舱里空气太干燥，这可是故意的，太湿润旅客觉得舒服，机身就受不了，要腐蚀了。复合材料部件可以把形状做的很大，很复杂，相对来说还是比较容易的。因为使用复合材料，787 减少了 1,500 个钣金件，40,000 到 50,000 颗铆钉。
复合材料是代表，是方向。复材是设计出来的材料，即科研人员用已知性能的材料：纤维和树脂，用不同的排列组合指向，计算出来，然后变计算为现实材料的。让它在某个或某几个希望的方向上力学性能好，而在其他不那么重要的方向上性能做些妥协。典型的例子，复材在纤维方向上结实，纤维或纤维布铺层时改变方向，可以做到平面/曲面上其他方向上也结实。但在纤维布的层间力量还是差，垂直方向很容易分层。但这是可以容忍的缺点。什么材料没弱点呢？铝合金好，但容易腐蚀；钛合金好，但贵还容易裂纹。
个人感觉 787 修理的时候，航空公司就开始做恶梦了，飞机维修公司就笑逐颜开了。比如说修发动机风扇机匣整流罩时，可以把它拆下来送到复合材料车间去修，不太严重的损伤就直接在原位修理了。修理时先要把损伤的碳纤维层打磨掉，打磨掉了几层纤维，就要按原来纤维布的铺层方向修补几层。所以损伤部位后要打磨成圆形或椭圆形的（理想状态），中间低，一层比一层扩大半英寸的斜面。这可是技术活，复合材料部件上一层碳纤维布也就 0.01 英寸，修三层，0.03 英寸厚，你要把它打磨成 1.5 英寸宽的斜面，还要分清楚每一层纤维布的铺层方向！（英寸换毫米？1 英寸=25.4 毫米，您来做算术）一家飞机修理公司也就只有几个人能把这活做得漂亮。愿为修理重要的一点，就是一定要保证，打磨的时候，绝对不能让石墨纤维乱飞，所以在工作之前必须用塑料布搭个严严实实的帐篷，才能开工。否则石墨纤维飞到燃油流量控制器等电子器件里，那就灾难了，石墨纤维可是导电的！
飞机上用的碳纤维，准确说是石墨纤维，制造过程说起来是简单的（其简单仅限于说说而已），原料是 PAN（polyacrylonitrile）纤维，一种人造丝。先把人造丝在 200 到 300 摄氏度的环境里氧化、固化 1 小时。然后再到 1,200 摄氏度的环境里碳化 1 到 2 分钟。在 2,000 到 3,000 摄氏度温度下1到2分钟这时发生石墨化反应，这才得到高强度，高模量的石墨纤维。碳化反应产生的是无序的结构，而在石墨化反应中，除去了材料中的氢、氮、氧等其他元素，只留下了有序排列的碳链，这样就得到了高密度高模量的石墨纤维。石墨纤维还要再氧化处理一下，目的是为了提高与树脂的粘接性能。
纤维做出来后，然后纺成比如说 3,000 根一股（叫 3K），在编织成石墨纤维布，平纹的，或者绒布的等等，都是纺织专业名词。顺便给出一个数量级的概念，这些飞机上用的玩艺有多贵呢？玻璃纤维布 0.75-7 美元/磅；卡夫拉纤维布 12-20 美元/磅；碳纤维布 12-100 美元/磅。也别对这些价格太认真。美国没有得次贷感冒的时候，这些东西有价无货；得了两场大感冒后，行情就另说了。
石墨除了在工业上应用广泛，在军事上也是很厉害的—石墨炸弹 BLU-114/B！海湾战争中，美军的石墨炸弹瘫痪了伊拉克 85% 的电力供应；接下来在科索沃战争中，又摧毁了塞尔维亚 70% 的电力基础设施。怎么整的？一颗石墨炸弹里有很多小炸弹，小炸弹筒里装了很多超细的，经过化学处理的石墨纤维束，我猜想为了达到更好的破坏效果，石墨纤维束应该是长短不一的。可能也用不着，一炸开，纤维就长短不一了。石墨炸弹在变电所，变压器跟前爆炸，炸出极多的石墨纤维，搭到哪里，哪里就形成导电通路，然后石墨纤维受热蒸发，形成电弧……，想像一下！金属做的供电设施哪里受的了这般连烧带炸得折腾，Game Over了，修都没法修！
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复合材料的定义是很广泛的，飞机上使用的复合材料主要是指碳（石墨）纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维和树脂做成的。以碳纤维复合材料为例，在同等质量条件下，其强度是铝合金的 7 倍。使用复合材料的好处主要就从这里来的。既然复合材料又轻又结实，那用复合材料的飞机就更轻，能载更多的客货了。铝合金容易腐蚀，飞机飞的时间长了还有疲劳问题，会出现疲劳裂纹。但复合材料就不然，它不腐蚀，也不疲劳。这带来的好处就多了去了。传统飞机大修时，飞机厕所、厨房、前后货舱下面的地板梁，经常腐蚀得白花花的。用复合材料就不怕腐蚀了。这 787，机身都用复合材料制造，强度远高于铝合金机身，因此，787 客舱的舷窗可以开的更大，客舱里的气压和湿度也可以升高。金属飞机客舱里的气压相当于海拔 2,400 米的气压，气压再高，就太接近机身结构的安全限了。很多人坐飞机时会觉得机舱里空气太干燥，这可是故意的，太湿润旅客觉得舒服，机身就受不了，要腐蚀了。复合材料部件可以把形状做的很大，很复杂，相对来说还是比较容易的。因为使用复合材料，787 减少了 1,500 个钣金件，40,000 到 50,000 颗铆钉。
复合材料是代表，是方向。复材是设计出来的材料，即科研人员用已知性能的材料：纤维和树脂，用不同的排列组合指向，计算出来，然后变计算为现实材料的。让它在某个或某几个希望的方向上力学性能好，而在其他不那么重要的方向上性能做些妥协。典型的例子，复材在纤维方向上结实，纤维或纤维布铺层时改变方向，可以做到平面/曲面上其他方向上也结实。但在纤维布的层间力量还是差，垂直方向很容易分层。但这是可以容忍的缺点。什么材料没弱点呢？铝合金好，但容易腐蚀；钛合金好，但贵还容易裂纹。
个人感觉 787 修理的时候，航空公司就开始做恶梦了，飞机维修公司就笑逐颜开了。比如说修发动机风扇机匣整流罩时，可以把它拆下来送到复合材料车间去修，不太严重的损伤就直接在原位修理了。修理时先要把损伤的碳纤维层打磨掉，打磨掉了几层纤维，就要按原来纤维布的铺层方向修补几层。所以损伤部位后要打磨成圆形或椭圆形的（理想状态），中间低，一层比一层扩大半英寸的斜面。这可是技术活，复合材料部件上一层碳纤维布也就 0.01 英寸，修三层，0.03 英寸厚，你要把它打磨成 1.5 英寸宽的斜面，还要分清楚每一层纤维布的铺层方向！（英寸换毫米？1 英寸=25.4 毫米，您来做算术）一家飞机修理公司也就只有几个人能把这活做得漂亮。愿为修理重要的一点，就是一定要保证，打磨的时候，绝对不能让石墨纤维乱飞，所以在工作之前必须用塑料布搭个严严实实的帐篷，才能开工。否则石墨纤维飞到燃油流量控制器等电子器件里，那就灾难了，石墨纤维可是导电的！
飞机上用的碳纤维，准确说是石墨纤维，制造过程说起来是简单的（其简单仅限于说说而已），原料是 PAN（polyacrylonitrile）纤维，一种人造丝。先把人造丝在 200 到 300 摄氏度的环境里氧化、固化 1 小时。然后再到 1,200 摄氏度的环境里碳化 1 到 2 分钟。在 2,000 到 3,000 摄氏度温度下1到2分钟这时发生石墨化反应，这才得到高强度，高模量的石墨纤维。碳化反应产生的是无序的结构，而在石墨化反应中，除去了材料中的氢、氮、氧等其他元素，只留下了有序排列的碳链，这样就得到了高密度高模量的石墨纤维。石墨纤维还要再氧化处理一下，目的是为了提高与树脂的粘接性能。
纤维做出来后，然后纺成比如说 3,000 根一股（叫 3K），在编织成石墨纤维布，平纹的，或者绒布的等等，都是纺织专业名词。顺便给出一个数量级的概念，这些飞机上用的玩艺有多贵呢？玻璃纤维布 0.75-7 美元/磅；卡夫拉纤维布 12-20 美元/磅；碳纤维布 12-100 美元/磅。也别对这些价格太认真。美国没有得次贷感冒的时候，这些东西有价无货；得了两场大感冒后，行情就另说了。
石墨除了在工业上应用广泛，在军事上也是很厉害的—石墨炸弹 BLU-114/B！海湾战争中，美军的石墨炸弹瘫痪了伊拉克 85% 的电力供应；接下来在科索沃战争中，又摧毁了塞尔维亚 70% 的电力基础设施。怎么整的？一颗石墨炸弹里有很多小炸弹，小炸弹筒里装了很多超细的，经过化学处理的石墨纤维束，我猜想为了达到更好的破坏效果，石墨纤维束应该是长短不一的。可能也用不着，一炸开，纤维就长短不一了。石墨炸弹在变电所，变压器跟前爆炸，炸出极多的石墨纤维，搭到哪里，哪里就形成导电通路，然后石墨纤维受热蒸发，形成电弧……，想像一下！金属做的供电设施哪里受的了这般连烧带炸得折腾，Game Over了，修都没法修！
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