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飞机制造论文

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1.1.材料与飞机彼此促进，飞速发展

“一代飞机、一代材料”，材料与飞机一直在彼此驱动下飞速发展。最先，优秀 材料的应用是航空技术发展趋势和成长的一个重要驱动力之一。航空公司材料是航空新产品的技术性 特性、生存力、延长生命和提升经济发展可承受力的前提，归属于大力发展、攻克难点 的核心技术。成本费层面，材料是飞机制造出来的物质条件，一定程度上取决于飞机人体结 构的原材料成本。供应链管理层面，材料是商业飞机“供应链管理确保”上的一个关键步骤。可 以说，航空公司材料的高速发展对航空技术具有强有力支撑保证功效；相反，航空技术 的发展需要又很好地推动和推动航空公司材料的高速发展。

民用型飞机的材料发展趋势经历过五次跨社会的发展。因为工业生产能力有限，以莱特兄 弟为代表第一代飞机选用木质的梁条、翼肋、飞机翼包囊白帆布，运用钢缆固定不动保持 机身的弯曲刚度，比如第一次世界大战的绝大多数飞机。伴随着产业发展及总体设计方式认 知，总体设计只以材料静强度实验为原则，第二代飞机选用铝合金、建筑钢材等作为主要 构造。为了缓解人体净重并提高飞机特性，第三代飞机人体构造除开铝合金、建筑钢材 等材料外，增加了钛金属；而第四代飞机人体主结构使用了质量轻铝合金、钛金属作 为主导承力材料，非主承力在结构上选择少量复合型材料；第五代飞机使用了更加优秀 复合材料、钛金属以及部分铝合金。

从美国国产大飞机材料运用实际情况来说，传统铝合金及合金结构钢在飞机里的 使用量日益减少，而复合型材料和钛金属的占有率快速升级。依据《一代材料技术性，一代 大中型飞机》，从波音飞机 787 逐渐，50%使用量复合材料变成将来飞机的开端，继波音飞机 787 以后，空客飞机 A350 改进版(A350XWB)复合材料使用量由原来的 37%提升至 52%。与此同时， 钛金属使用量与日骤增，一方面是因为他在缓解构造净重方面的优势，另一方面则因为 钛与碳纤维材料复合型材料的电极电势相仿，钛金属又变成复合型材料惟一连接材料。

飞机构造材料整体发展是轻型化、高韧性、高韧性、耐热、降低成本。随 着航空航天产业的迅速发展，对四轴飞行器净重、特性、能耗等条件地不断提升，对 材料提出了更明确的规定。在其中，减少净重是很最重要的总体目标。依据《航天工程材料 发展趋势现状以及市场前景》，中小型民机的结构净重每减 1 磅所取得的直接经济效益为 50 万美金 /磅，但对战机而言，这种标值是 400 万美金/磅，商业运输飞机为 800 万美金/磅。

1.2.商业飞机材料要求严格，C919 选料兼顾原始性和创新性

商业飞机选料犹为苛刻。总而言之，民航客机对材质规定比战机对材质需求更 为严苛，国产大飞机对材质规定也比中小型客机对材质要求严格。在商业飞机发展趋势目 标紧紧围绕“安全系数高、更经济发展、更加舒适、更环境保护”进行设计方案，给出了“减脂、减阻、节能减排” 目标设计方案。对材料来讲，提出了“轻量、高可靠、使用期长、高效率、低碳环保， 飞机材料必须满足“特性核心原则”、“创新性标准”、“完善型标准”、“经济性原则” 和“环保的性能”标准五大原则。与此同时，充分考虑各个方面要求，大飞机的材料也需要满足适 航政府、飞机设计方案生产商、国际航空公司等三上的要求。

中国商飞已经具备最基本的选料水平，C919 选料兼顾原始性和创新性。中国商飞已 经基本上构建起“在理解自己用户需求的前提下综合评价材料易用性”的专业能力。已 经基本上具备建筑工程设计中材料采用权、材料及供应商达标评定权、购置过程的挑选 权。商飞为 ARJ21 和 C919 2款飞机总共采用金属材料材料 100 种、非金属材料材料 200 多种、 标件千余规格型号。与此同时，选料中展现了原始性和创新性的融合，以 C919 国产大飞机为 例，在中央翼、飞机翼、机身等主承力部段上用了经 ARJ21 飞机取得成功检验的铝合金等 完善材料，在汽车尾翼、后机身和襟缝翼上用了复合型材料，尤其是在汽车尾翼盒段和后机身 前端上用了海外前沿的第三代中模高强度碳纤维材料复合型材料，在机身蒙皮和长桁体系中 用了第三代铝锂合金。

2.1.铝合金现阶段占有航空公司材料的主导性

铝材是民机生产制造最主要的重要材料之一，也是运用更为广泛材料。铝合金是 复合型金属材料，包含铜、锌、锰等几种化学元素。一方面，铝合金的密度低，其密度高 大约为铁密度的三分之一，因为铝合金中富含混和化学元素，溶点在 60 ℃ 上下，延展性极强，并且也兼具铜、锰等几种金属材料耐腐蚀性的特征，所以在航空领域 获得广泛运用。

C919 前机身、中机身、之后机身、发动机与飞机翼零部件几乎全是用铝材制造出来的， 铝材占整机构造总重量的比例是 65%。以上关键零部件要用现如今高档传统式 2xxx 系与 7xxx 系铝合金制造出来的，一些关键零部件乃是用铝-锂制造出来的，一些次要零部件与功 能零件，如空调机组、油道管、车顶架、卫生设备等乃是用别的铝合金制造出来的。

C919 飞机是通过一百多万个零部件联接拼装成的，铝合金零件的联接与其它零件的联接如发 动因与飞机翼连接，在飞机的生产中起到很重要的作用。 C919 大飞机所采用的铝材级别是非常高的，合乎它标准的铝合金材料在别的航 空器上也都可以用。按生产工艺流程难度系数与价钱多少能将 C919 应用铝材分成以下几个 几种：1）常见传统式铝合金材料：7075-T62、7075-T73、7075-T73511、2024-T42、 2024-T3511、2024-T3 等；2）7050-T77 型与 7055-T77 铝合金；3）近现代发展起来铝锂合金：2196、2198、2099 等。第一类材料，在我国已解决了“有没有难题”，但竞争能力 难题还没处理。由于材料的经济效益是飞机企业选料的主要标准之一，国内铝材务必各 项性能参数尽量全方位做到甚至超过生产制造原形调查取证机带的进口的铝材的，以全方位替代进口产 品，与此同时价格实惠，才具有全球竞争能力；第二类材料还需处理供货难题；第三类 材料仍和国外存在一定差别，研发一代新飞机所需的所有新式铝材，即便在工业生产比较发达 我国也要六七年的时间也。

C919 铝合金或即将完成 100%产业化，推动 90000t 高档铝材销售市场。依据《铝材力 推三大“大国重器”畅游蓝天白云》，C919 空天飞机出自于获得适航调查取证的需求，铝材均应用 进口的材料，从第二架飞机逐渐，国内铝材的使用量逐步增加，2022 年 C919 的铝材（不 包含铝锂合金）国产化有望做到 100%。依据《铝合金在我国民用航空器里的运用》， 假定将来 20 年可生产 1200 架 C919，每架的投铝量按 75t 测算，需购置铝材、铸造件、 铸钢件累计 90000t，每一年均值 4500t/a，若铸造件按 15%测算，则铝材及铸钢件的采购量为 3825t/a。

生产制造 C919 大飞机所需要的国内铝材，主要是由中国铝业集团有限责任公司所提供的。比如 其下属的西南铝业继为 C919 飞机带来了 30 个规格型号、600 余件铝合金铸钢件外，2017 年 11 月又试制成功游客视窗窗子和机轮轮圈精密模锻件。这种模锻件具备高韧性、 高耐磨、耐磨损性强与耐腐蚀性强的特性，是飞机的关键所在零部件，一般是用在飞机翼、机 翼主题活动面、机身中间翼、机轮等位置。2018 年，西南铝业 7050 铝合金厚钢板根据适 航评定，得到中国商飞受权，进到 C919 飞机达标商品目录，摆脱海外技术封锁。此 外，南山铝业也已经具备民机重要铝材的研发水平，其板才、铝型材有关 5 项商品已纳入 C919 飞机达标商品目录。

2.2.铝锂合金是航天工程理想的构造材料

2.2.1.铝锂合金性能优越，在航空航天领域获得优良运用

铝锂合金性能优越，是现阶段极具核心竞争力的优秀材料。减少铝合金品质简单的方 法是向在其中加上轻原子数原素，以减少合金的密度。锂是世界迄今为止找到的最 轻化学元素，锂在铝中的主要溶解性为 4.2%。前期研究发觉向铝合金基材中每加上 1% 的 Li，能降低该铝合金相对密度 3%，弹性模具升高 5%～6%。铝锂合金相较于常规 2XXX 系 和 7XXX 系高强度铝合金，不仅有着高密度、高弹性模具、高强度跟高比模量的优势， 还兼顾低疲劳裂纹拓展速度、比较好的持续高温及热稳定性等优点，相较于复合型材料，在 耐冲击、可塑性和恢复等性能上也具备无可替代的优点。铝锂合金是当代航天工程器械 设计方案最具有核心竞争力的材料之一。

铝锂合金已经在航天工程器械中得到广泛运用。铝锂合金早就在军工用飞机、民用型 民航客机、升到飞机和航天飞机中使用，主要运用于机身架构、缝翼翼肋、垂直线稳定面、整流器 罩、进气系统裙部、机舱门、柴油油箱等。在新式飞机生产设计中，质量轻和减脂在航空领域 经常“克克斤斤计较”，选用铝锂合金可让飞机铝合金零部件的品质缓解 14%～30%，减脂 效果便是每架飞机每一年的航行花费就会下降 2.2%之上，因此铝锂合金被称之为航空公司 航空航天理想的构造材料。

铝锂合金已发展成第三代，第四代性能卓越铝合金已经研发中。铝锂合金的探索和 开发设计大概经历过 3 个步骤，第一代以 2020、BAД23 为首；第二代以 1420、2090 为 意味着；现阶段已发展成第三代铝锂合金，其具有较强的综合型能，近期开发与改进的 1460、2198、2199、2050 等铝锂合金在优秀国产大飞机和航天飞机上用途广泛。为了满足 航天工业的需求，全世界大中型铝业公司和科研院所早已下手开发设计第四代铝锂合金， 与第三代对比，新一代铝锂合金的锂含量将也会降低，而抗压强度、冲击韧性有所提高，伸 长率有所下降，别的特性依然能做到乃至超过第三代铝锂合金的水准。

与第二代铝锂合金对比，第三代铝锂合金具备较传统式铝合金更加出色的抗压强度、 韧性、耐损害特性等特点。如 2197 铝合金已经在 F-16 战机的后机身舷梯和其它构件得到 完善运用，该合金材料用以取代 2124 铝合金，解决了疲劳寿命不够的不足，满足服现役 8000 小时规定，另外还得到减脂 5%、断裂韧度提升 7%效果。

2.2.2.C919 采用第三代优秀铝锂合金，但仍然依靠进口的

C919 采用第三代铝锂合金，占整机构造净重 8.8%，但至今仍依靠进口的。C919 大 飞机的机身蒙皮、长桁、木地板梁、导轨、界限梁、木地板支撑件等部位都用了第三 代铝锂合金。依据《在我国航天工程对铝锂合金的需要》，整机铝锂合金材料占 8.8%， 超出同级别波音飞机 737 和空客飞机 320 飞机，使用量做到 14t，助推 C919 综合性减脂 7%。由 中航洪都制造出来的 C919 机身前侧等直段部和中航西安市制造出来的 C919 中机身和副翼大部件 均很多使用了铝锂合金板，但 C919 大飞机所采用的第三代铝锂合金都来自奥科宁克铝 业企业。

铝锂合金已经成为现阶段世界各国竞相持续发展的关键航空公司材料，国外占有一大半销售市场。现阶段， 海外有详细铝锂合金生产系统的大国关键分布于有限的资源国外、俄国、美国、法国的和 西班牙共 5 个发达城市，铝锂合金的生产量累计约 20 万 t/a。一些国家设立了冶炼 －锻造－生产加工的一体化管理体系，在其中冶炼－锻造是作为铝锂合金材料的关键工艺。美国 铝锂合金的开发、生产与应用中站在国际前列，其生产量占据全世界的 50%上下，主 要制造业企业有奥科宁克铝业公司、肯联铝业公司、爱励铝业公司。奥科宁克铝业公司 是全球最大铝锂合金制造业企业，生产能力约 5.5 万 t/a，核心客户包含波音飞机、空客飞机、洛 克希德乔治、湾流航天局、中国商飞等多个大中型民用型及军工用飞机生产商。俄国铝锂合 金的开发、生产与运用起源于原苏联，是仅次美国世界第二大产品研发、生产制造及应用大 国；生产量占据全世界的 25%上下；销售市场通常是面对俄国国内航空航天部门。

3.1.钛金属广泛运用于飞机机身及汽车发动机

与铝、镍等重要航空公司用金属材料对比，钛是唯一一种广泛运用于机身及发动机材料。 钛金属是 20 新世纪 50 时代发展起来一种关键的新式构造材料，钛比钢的密度小 40%， 而钛的强度钢的非常，这样可以提升构造高效率。与此同时，钛的耐温性、耐腐蚀性、抗弹力 和成形加工性优良。因为钛具有所述特点，从一发生钛金属就用于航天工业。钛是 飞机的主要结构材料，也是航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的首选材 料，被誉为“太空金属”。钛合金在飞机和发动机中的使用量也是衡量其先进性的重 要指标之一。飞机越先进，钛用量越多。根据《航空用钛合金研究进展》，美国 F22第四代机用钛含量为 41%(质量分数)，其 F119 发动机用钛含量为 39%，是目前用钛含 量最高的飞机。

按相组成钛合金可分为密排六方结构(HCP)的 α 型钛合金(包括近 α 型合金)— 即国内牌号 TA、两相混合的 α β 型钛合金—即国内牌号 TC 和体心立方结构(BCC) 的型钛合金(包括近 β 型合金)—即国内牌号为 TB。α 型钛合金主要含 Al、Sn 等元 素具有良好的抗蠕变性能，强度、可焊性以及韧性，是高温下的首选合金，同时，α 型合金不存在冷脆性，它也适合在低温环境中使用，扩大了其应用范围。α β 型钛 合金中同时加入 α 稳定元素和 β 稳定元素，使 α 和 β 相得到强化，具有优良的综 合性能，如其室温强度高于 α 合金的，热加工工艺性能良好，可以进行热处理强化， 因此适用于航空结构件，也可用于航空发动机压气机盘、旋转子和其他部件。β钛合 金的双态组织具有良好的强度、塑性和韧性的匹配，因此得到广泛使用，同时，β 钛合金所具有的可热处理强化性和深淬透能力使得它逐渐代替 α β 两相钛合金成为 用于飞机机身和机翼的首选结构材料，在航空航天工业中发挥越来越重要的作用。

3.1.1.飞机机身用钛合金

飞机结构用钛合金主要应用在飞机骨架、舱门、液压管路及接头、起落架、蒙 皮、铆钉、舱门、翼梁等。20 世纪 50 年代，美国首次将钛合金用在 F-84 轰炸机上 作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60 年代开始，钛合金在军用飞机 中的用量迅速增加，占到飞机结构重量的 20%～25%，使用部位从后机身移向中机身， 部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。70 年代起，民用飞机 也开始大量使用钛合金，如波音 B747 客机的钛合金用量达 3640kg 以上。飞机结构用 钛合金的使用温度一般不高于 350℃，其在比强度、韧性、抗疲劳性能、焊接工艺性 能等方面有较高要求。在飞机机身中应用较广泛的钛合金有 β-21S(Ti-15Mo-3Al2.7Nb-0.2Si)、Ti-10-2-3(Ti-10V-2Fe-3Al)、Ti-15-3(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)[67]、 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 等。

采用钛合金做机身材料有以下 5 方面优势：1)替代钢和镍基高温合金可大大降低 飞机质量。高推重比让钛合金能够替代强度稍好的钢而用于飞机零部件中。2)能够满 足飞机强度要求。与铝合金相比，60%左右质量的钛合金即可达到相同的强度。在使 用温度超过 130℃时，钛合金能取代铝合金，因为这一温度是传统铝合金的极限适用 温度。3)耐腐蚀性良好。大部分飞机支撑机构在厨房、厕所下面，很容易产生腐蚀， 钛合金不需要表面防腐涂层或者镀膜。4)与聚合物复合材料电化学相容性好。5)空间 的限制，替代钢和铝合金。

3.1.2.航空发动机用钛合金

发动机是飞机的心脏，钛合金用量占发动机总质量的 25%~40%。发动机的风扇、 高压压气机盘件和叶片等转动部件，不仅要承受很大的应力，而且要有一定的耐热性。 这样的工况条件对铝来说温度太高；对钢来说密度太大。钛是最佳的选择，钛在 300~650℃温度下具有良好的抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性能。同时，发动机的 一个重要性能指标是推重比，即发动机产生的推力与其质量之比。最早发动机的推重比为 2~3，现在能够达到 10。推重比越高，发动机性能越好。使用钛合金替代原镍基 高温合金可使发动机的质量降低，大大提高飞机发动机的推重比。钛在飞机发动机上 的用量越来越多。在国外先进航空发动机中，高温钛合金用量已占发动机总质量的 25%~40%，如第 3 代发动机 F100 的钛合金用量为 25%，第 4 代发动机 F119 的钛合金用 量为 40%。

3.1.3.航空紧固件用钛合金

钛合金紧固件作为复合材料唯一连接材料，随复材用量增加而不断增加。不论 军民用飞机还是航天器上，除了金属构件还有很多碳纤维复合材料。钛与碳纤维复合 材料的电极电位相近，钛合金又成为复合材料惟一的连接材料。因此，随着先进军民 用飞机钛合金和复合材料用量的不断增加，对钛合金紧固件的需求日益加大。钛合金 用作航空紧固件，至少具备以下 4 点优势：1)减重效果好。俄罗斯的一架伊尔-96 飞 机用紧固件 14.2 万件，可减少质量近 600kg。我国航空航天系统钛合金紧固件的使 用也有明显的减重效果。飞机和航天器减少质量后，可以提高推力、增加射程、节省 燃料、减少发射费用等。2)钛合金优异的耐腐蚀性能，尤其是它正电位与碳纤维复合 材料匹配，可以有效防止紧固件发生电偶腐蚀。3)在飞机结构中，紧固件部位因温度 较高，不能采用铝合金，只能使用钛合金。4)钛具有良好弹性和无磁，对于防止紧固 螺栓的松动和防磁场干扰至关重要。

3.2.C919 大飞机钛用量占 9.3%，国产化率最高

C919 大飞机钛合金用量占全机结构重量的 9.3%，超过同级别的波音 737 和空客 A320。为了降低飞机的质量，提升飞机的经济性，C919 大型客机广泛采用钛合金材 料，前机身压板、机头蒙皮、吊挂、中央翼缘条、尾翼接头、机翼滑轨等部位均使用 了钛合金，总用量达到机身结构重量的 9.3%。我国第一次在一款民用飞机上大量使 用钛合金，而同级别的波音 737 和空客 A320 飞机钛合金用量分别为 4%、4.5%。

C919 选用 6 个钛合金牌号，制品形态多样。根据《钛合金材料及其新技术在在 C919 飞机上的应用》，综合考虑钛合金的产品性能、成本、交付周期等，C919 飞机选 择了 6 个钛合金牌号，包括低强高塑性、中强中韧、中强高韧、高强高韧及系统用材， 产品形式涵盖了锻件（投影面积≤1.1 ㎡，要求的棒材直径≤450mm）、厚板（4.76- 80mm）、薄板、型材、管材、丝材等。C919 选材严格，对于钛合金产品性能的评估要 点包括静强度、疲劳、损伤容限、耐蚀性能、机加性能、表面处理、无损检测等。

钛合金为 C919 上国产化最多的先进材料，宝钛集团和宝钢股份都已有材料在大 飞机上使用。宝钛股份为国内钛材龙头企业，是国产大飞机机身钛材主要供应商， 先后承担了国家Ti-3Al-2.5V（TA18）管材、β热处理的Ti-6Al-4VEIL厚板、β处理 的 Ti-6Al-4V 合金型材、TB5 板材工程化研制四个型号用材料研制任务，为首架 C919 飞机提供了多种规格的钛合金棒材、厚板和薄板材料。宝钢以飞机起落架用高强钢、 钛合金及大飞机发动机用材等作为重点研发方向，成功研制出 TC4、TC18、TA15 等４ 大牌号的大型钛合金棒材、等温锻件。

西部超导 Ti-6Al-4V 钛合金通过商飞资质认证，即将共享大飞机广阔市场。西部 超导主要从事高端钛合金材料和低温超导材料的研发与制造，是我国航空用钛合金棒 丝材的主要研发生产基地，也是目前国际上唯一的铌钛(NbTi)锭棒及线材全流程生产 企业。为满足 C919 大飞机用钛材需要，西部超导定增募资 10 亿元，用于航空用特种 钛合金扩能技改项目等。根据公司2021年半年报，公司已经通过了商飞公司Ti-6Al4V 钛合金材料的资质认证，未来将逐步实现产品批量交付。 根据立鼎产业网数据，C919 钛材用量约为 3.92 吨/架，假设未来 20 年可制造 1200 架 C919，在不考虑损耗率的情况下预计带来 4700 吨航空钛材需求量。

4.1.复合材料用量快速提升，成为衡量先进飞机的重要指标

复合材料是除铝之外最重要的航空和航天材料。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。20 世纪 70 年代后期相继开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、 氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性 能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料。这种先进复合材料具有高比刚度、 高比强度、性能可设计、抗疲劳性和耐腐蚀性等优点，越来越广泛地应用于各类航空 航天飞行器，大大地促进了飞行器的轻量化、高性能化、结构功能一体化。

复合材料用量快速提升，其应用比例是是新一代大飞机安全性、经济性、舒适 性和环保性的重要指标。根据《航空航天领域先进复合材料制造技术进展》，先进复 合材料在航空航天领域的应用始于军用飞机，是为满足其对高机动性、超音速巡航及 隐身等要求而不惜成本开始采用的。近年来由于结构轻量化的要求，民用飞机在复合 材料用量方面也呈现增长的趋势。以1990年研制的波音777为例，在其机体结构中， 复合材料仅占 11%，而且主要用于飞机辅件，如尾翼和操纵面等。到了 2009 年波音 787 首飞时，复合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的 50%，而空 客 A350 的复合材料用量更是达到了 52%。

大飞机的主承力结构件采用复合材料制造已成趋势。复合材料应用部位已由飞 机的非承力部件及次承力部件发展到主承力部件，并向大型化、整体化趋势发展。复 合材料在飞机上的应用经历了前缘–口盖–整流罩–扰流板–升降舵–方向舵–襟副 翼–垂尾–平尾–机身和机翼等主承力结构应用的过程。复合材料是大型整体化结构 的理想材料，与常规材料相比可使飞机减重 15%～30%，结构设计成本降低 15%～30%。

复合材料在发动机机体结构上的应用晚于飞机结构，近年来也得到了大量应用。 航空发动机的冷却系统、发动机短舱和反推力装置的设备零件都有复合材料的应用。 因为这些零件需要比强度高、隔噪声强和耐腐蚀性强等苛刻的要求，而碳纤维复合材 料这些方面都非常的出色，因此被广泛使用。风扇段重量占发动机总重量的 30%～ 50%，通过液体成型制备的风扇叶片和机匣，对发动机的减重效果十分明显。同时， 欧美最新使用的预制体和 RTM 成型工艺的自动化水平较高，叶片制造的全过程仅需 24h 即可完成，预计能达到每 30min 生产 1 个叶片的生产效率。

受使用条件和自然环境的制约，民用飞机对其经济性、舒适性、环保性等方面都 有着十分严格的要求。复合材料能很好地满足民用飞机的设计要求，对民机制造业产 生了深远的影响。根据《复合材料在新一代大型民用飞机中的应用》，以波音 787 为 例，复合材料的优势主要体现在：

1）提高了民用飞机的经济性：民用飞机的成本不仅仅是飞机的购买价格，还要 考虑油耗、维修成本、寿命等因素。虽然复合材料比铝合金贵得多，但是它所带来 的经济效益远远超过了它的负面效应。波音 787 复合材料整体机身省去了所有纵向蒙皮拼接件，减少了1500块铝合金板和4~5万个连接件，使机体结构更加轻盈坚固， 节省了油耗和维修成本。波音 787 的场外维修间隔时间从波音 767 的 500h 提高到 1000h，维修费用比波音 777 降低了 32%，都带来了可观的经济效益。

2）提高了民用飞机的舒适性：目前大部分飞机的舱内气压相当于外界 2400m 高 度处的压力，而波音 787 客舱内的气压约为 1800m 高度处的压力，为旅客提供了更加 舒适的旅行享受。波音 787 舱压的提升仅仅使机身质量增加了 70kg。而使用铝合金 机身，要达到这一指标，其结构质量将增加 1t。同时复合材料优异的抗疲劳特性为 波音 787 客舱大尺寸舷窗设计提供了可能。波音 787 的舷窗尺寸达到 280mm*480mm， 比空客 A330/A340 的窗口面积增大了 78%，使旅客可以拥有更大的视野。此外，整体 成型的复合材料机身要比用铆钉连接的铝合金机身使用更少的紧固件，表面光洁度要 好得多，有效地减少了机身表面的湍流噪声。

4.2.碳纤维复合材料是应用最为广泛的先进复材

碳纤维复合材料是目前国际上航空领域应用最为广泛的复合材料。它是由碳纤维 作为增强体，树脂、金属、陶瓷等作为基体复合而成。其中，飞机结构材料主要以环 氧树脂基碳纤维复合材料为主，本节主要围绕该类复合材料展开讨论。

4.2.1.碳纤维是含碳量在 90%以上的高强度、高模量的新型纤维材料

碳纤维（Carbon Fiber）是一种丝状碳素材料，由有机纤维经碳化以及石墨化处 理而得到的微晶石墨材料，直径 5-10 微米，含碳量高达 90%以上。碳纤维力学性能 优异，比重不到钢的 1/4，碳纤维复合材料抗拉强度一般都在 3500Mpa 以上，是钢的 7-9 倍，同时具有轻质、高强度、高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特 性，因此广泛应用于航空航天领域。

碳纤维可以按纤维数量、拉伸模量、拉伸强度不同来进行分类。按纤维数量不 同，碳纤维可分为小丝束和大丝束，小丝束一般指丝束数量小于24K的碳纤维（1K代 表一束碳纤维中有 1000 根丝），主要用于国防军工、航空航天领域；大丝束指丝束数 量大于等于 48k 的碳纤维，用于通用工业领域。按拉伸模量不同，碳纤维可分成标准 模量、中等模量和高模量三类。而常见的 T300、T400、T700、T800、T1000 引自日本 东丽公司碳纤维产品型号，主要以拉伸强度来划分。

4.2.2.树脂基碳纤维复合材料在航空领域广泛应用

碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料，以树脂、金属、陶瓷等作为基体材料， 经过复合成型制成的结构材料。与传统的金属材料相比，其具有密度小、比强度／ 比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、便于设计、易于大面积整体成型加工等优点。 按基体的不同，可分为树脂基复合材料（CFRP）、碳／碳复合材料（C／C）、金属基复 合材料（CFRM）、陶瓷基复合材料（CFRC）及橡胶基复合材料（CFRR）等。CFRP 是碳 纤维最主要的消费领域，其在全球碳纤维复合材料市场中的消费占比约为 80%。

碳纤维/环氧树脂复合材料(CFRP)是大型整体化结构的理想材料，可使飞机减重 20~40%，大幅降低成本。与其他航空航天金属合金相比，CFRP 有更高的比强度/模量， 重量更轻，更好的耐腐蚀性和抗疲劳寿命性，更大的有效载荷（人员、航空电子设备、 弹药等以及更长的航程和燃油节省，碳纤维复合材料的耐高温性非常好，机件在使用 过程中能够承受高温带来的影响，减少不必要的损失，在高温条件下它的属性和性质不会轻易的发生变化，为航空设备的平稳运行提供保障。更重要的是，CFRP 的良好 成型性可以使结构设计成本和制造成本大幅度降低（零件和紧固件较少）。空客公司 提出更多地用轻质高强材料使机身减重 30%，整个飞行成本可降低 40%。

4.2.3.大飞机研制推动碳纤维复合材料行业发展

航空需求推动碳纤维工业的发展和先进复合材料技术日趋完善。根据《碳纤维 复合材料在大飞机上的应用》,1981 年，波音公司提出需求高强度、大伸长的碳纤维， 促进了高性能碳纤维的研发步伐。1984 年，日本东丽公司率先研制成功 T800；1986 年，又研发成 T1000。随后，日本东邦、三菱人造丝公司和美国 Hexcel 公司相继研 制出同类高性能碳纤维，为制造大飞机提供了新型复合材料。

韧性 CFRP 是典型的用来制造大飞机一次和二次结构件的韧性复合材料。先进通 用级 T300 碳纤维其 CFRP 可用来制造飞机的二次结构部件。例如，T300/5208 用来制 造 B757、B767 和 B777 的二次结构部件。但因 T300 的抗拉强度仅为 3.53GPa，抗拉模 量为 231GPa，特别是断后延长仅有 1.5%，满足不了制造一次结构件的要求。随后开 发成功的高强中模型碳纤维在上述 3 项质量指标有了大幅度提高，在配套韧性环氧树 脂所制高性能韧性 CFRP 就可用来制造大飞机的一次结构件。韧性 CFRP（如 T800H/3900-2）是当前制造先进大飞机一次和二次结构件的典型材料。目前，日本东 丽公司为 B787 客机研发了第三代增韧环氧复合材料 T800S/3900–2B，属于经改进的 大丝束碳纤维，该材料的冲击后压缩强度值（CAI）达到了 315~345MPa。

碳纤维复合材料成型技术主要包括预浸料-热压罐工艺、液体成型工艺、非热压 罐工艺、模压、缠绕和拉挤成型工艺。预浸料-热压罐工艺是目前应用最为广泛、最 为成熟的航空复合材料结构成型工艺。它主要是以预浸料为加工对象，通过热压罐来 提供必要的压力环境，并在一定的温度下使预浸料叠层完成固化而得到复合材料零件 的制造技术。多用于主承力结构，如机翼、中央翼盒、机身等。液体成型工艺（LCM） 是将液态树脂（或加热熔化预置的树脂膜）注入铺在模具上的纤维预成型体，树脂在 流动的同时完成纤维的浸润并经固化成为制品，可以省略预浸料加工、预浸料低温储 存和使用昂贵的热压罐 3 道工艺过程，是进入本世纪以来发展迅速的一种低成本工艺。 而非热压罐（OOA）工艺是另一种低成本的新工艺，专指相对于传统预浸料 热压罐 工艺，依然采用预浸料但不需要热压罐设备，仅在真空压力下固化的工艺技术，尚处 于初步试用阶段。

4.3.C919 复合材料用量占 12%，首次使用 T800 碳纤维复合材料

C919 的复合材料用量约为 12%（飞机结构重量），主要使用碳纤维复合材料。根 据《C919 上用了哪些新材料》，复合材料应用部件包括水平尾翼、垂直尾翼、翼梢小 翼、后机身（分为前段和后段）、雷达罩、副翼、扰流板和翼身整流罩等。如此大规 模的采用碳纤维复合材料，国内尚属首次。此前 ARJ21 支线客机复合材料用量为 8% 左右，其方向舵和翼梢小翼采用了碳纤维/环氧树脂复合材料，翼身整流罩和机头雷 达罩采用了玻璃纤维/环氧树脂复合材料。在 C919 复合材料结构件中，有大尺寸复合 材料壁板结构（水平尾翼、垂直尾翼）、蜂窝三明治夹层结构（活动面）、大曲率变截 面（后机身）等复杂结构，加之尺寸很大，使得制造难度增加。C919 客机中央翼盒 原计划采用复合材料，但由于缺乏应用及验证经验，为了保证研制进度，最终改为了 传统的金属结构。

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。因此， 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，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，也是目前国际上主流民机主承力结构应用最 为广泛的复合材料。

4.4.国内高性能碳纤维复合材料发展现状

总体而言，我国复合材料技术的研究水平和产业化水平与发达国家相比还有较大 的差距。我国通过民机型号研制以及一系列民机预先研究，已初步建立了“设计–制 造–装配–维修”的复合材料一体化概念和相配套的技术体系，但也面临着材料体系 单一、材料规范不全、材料性能数据积累不足、供应链不完善等问题。先进复合材料 作为我国的一项“卡脖子”技术，应以“自主可控”为目标，尽快实现其国产化。

4.4.1.碳纤维方面

国内企业已具备 T300、T700 级碳纤维批量生产能力；T800 完成小规模试制，但 在产品质量和稳定性方面与国外仍有差距。多年来，在政府对碳纤维行业的发展的 大力支持下，我国碳纤维行业得到较大发展：根据中航高科 2020 年年报，国内企业 已具备航空用 T300 级和 T700 级碳纤维的技术和批生产能力，且已在军用航空复合材 料上批量应用；T800 级碳纤维完成了工程化试制，正在进行装机验证。部分民企已 具备航空复合材料树脂、预浸料和复合材料零件研制或生产能力。但是，由于前期国 内碳纤维行业缺乏核心技术团队，多数企业依赖于进口生产设备、缺乏对其消化和吸 收能力，生产技术和生产线自动化均较弱，导致生产工艺稳定性和过程控制的一致性 较差，影响碳纤维的产品质量和稳定性，生产成本较高。未来需要实现“从有到优”， 具体路径就是稳质降本，低成本生产技术是大小丝束共同需要的基础技术。

4.4.2.高韧性树脂基复合材料方面

我国高韧性复合材料技术能力与国外差距较小。根据《航空碳纤维树脂基复合 材料的发展现状和趋势》，当前，以 5228A 为代表的热塑性树脂共混增韧高温固化环 氧树脂基体发展成第二代高韧性树脂基体，其复合材料的 CAI 为 250MPa 以上。结合 国内 T800 级碳纤维的研制成功，航空工业复合材料技术中心研制了新一代高韧性环 氧树脂基复合材料 AC531，冲击后压缩强度达到了 340MPa 以上，达到了第三代韧性 复合材料的水平。从复合材料韧性水平来看，国内与国外的差距较小。

4.4.3.复合材料工艺方面

C919 研制项目推动复合材料自动化工艺技术发展。大飞机研制之前，国内各大 飞机制造公司没有大型复合材料零件生产的自动化设备，如预浸料自动铺带机、热隔 膜成型机、大型无损检测设备及标准、大型热压罐等等。复合材料的铺贴一般采用人 工手铺，稍微大一点的零件即需要几个班组加班加点，制造效率低，产品重复性也差。 面对这种情况，国内航空制造企业有计划地采购国外成熟的制造设备，为大型复合材 料的研制提供保障。几年间诸如预浸料自动铺带机、自动铺丝机等先进设备陆续安装 调试并投入使用。至此，中国具有了可以快速、稳定铺放大尺寸复合材料的国际顶尖 的设备和能力。另外，复合材料热隔膜成型设备、复合材料超声波裁断机、大型水切 割设备、大型 C 扫描等先进自动化设备也成为了国内复合材料零件供应商的生产装备。

国内已掌握低成本液体成型工艺并实现工程应用。近年来国内已经开发了系列 工艺性和力学及耐热性能优良的液态成型树脂体系，耐温涵盖了从 60~350℃的温度 范围，这些液态成型材料体系突破了低黏度化等技术难题，并研发了与各树脂体系匹 配的定型剂材料，建立了相应的材料和工艺标准，在多个型号中实现了工程应用，扩 大了碳纤维复合材料的应用范围。

4.4.4. 供应链方面

碳纤维是国家加快发展的战略性新兴产业，高性能碳纤维研发及产业化项目受 国家经费支持。为促进我国先进复合材料技术进步，推动我国先进复合材料技术整 体研发能力的提升和产业化发展，满足 C919 客机的发展需要，我国将江苏航科复合 材料科技有限公司的“大型民用客机关键零部件用 T800 级碳纤维的研发及其产业化 项目”列入国家战略性新兴产业发展重大专项。受到国家扶植的相关项目还有：中简 科技发展有限公司 T700/T800 级碳纤维及复合材料研发、产业化及在航空领域的应用 示范项目，江苏恒神纤维材料有限公司千吨级(GQ4522 级)碳纤维复合材料在航空领 域应用验证与产业化项目，湖南博云新材料股份有限公司年产 305t 高性能碳/碳复合 材料研发与产业化项目等。

中航高科卡位预浸料核心环节，深度参与国产大飞机研制过程。预浸料是制造 复合材料及其制件的中间材料，构成了复合材料的基本单元，其质量的均匀性和稳定 性，是保证复合材料及其制件质量和可靠性的重要环节。中航高科是国内航空碳纤维 预浸料龙头企业，下属航空工业复材深度参与国产大飞机预浸料研制，2018 年年报 披露其生产的 C919 用国产预浸料完成首批交付，实现了此领域国产材料零的突破； 2020 年年报披露两种 C919 国产预浸料在新生产线验证中通过中国商飞 PCD 预批准， 开展 C919 升降舵工艺验证试验，参与 C919 第三战线复合材料尾翼优化项目；2021 年 完成 C919 某试验件的设计，并获得 CR929 飞机前机身工作包唯一入选供应商资格。 公司已与制造院签署了《先进航空复合材料系列预浸料技术实施许可协议》，为国产 T800 级预浸料产业化发展创造了条件，随着后续 C919 批量交付，公司将直接受益。

4.4.5.市场空间方面

C919 复材国产化进程或即将开启，预计带来年均 300 吨复合材料需求。C919 原 型试飞验证机用的碳纤维复合材料都是进口的。目前，国内航空碳纤维树脂基复合材 料技术体系基本建立，与国外复合材料性能的差距日渐缩小，高性能碳纤维在军用飞 机上已有应用。预计在 C919 大飞机取得适航认证后，或将开启复合材料国产化替代 进程。C919 碳纤维复合材料使用量为 12%左右，每架空机重量 42 吨，则单架 C919 碳 纤维复材用量约在 5 吨。假设未来 20 年可制造 1200 架 C919，在不考虑损耗率的情况 下预计带来年均300吨复合材料需求量。根据中复神鹰招股说明书，C919对国产T800 级碳纤维的需求将达到年均 100 吨。

未来 CR929 对国产碳纤维需求量将跨越式增长。根据《复合材料在大飞机主承力 结构上的应用与发展趋势》，CR929 远程双通道宽体客机计划在机翼及机身结构上大 面积使用复合材料，预计使用比例超过 50%。2018 年底，CR929 宽体客机复合材料前 机身攻关全尺寸筒段顺利总装下线，该全尺寸筒段长约 15m，直径约 6m，环向壁板分 为 4 块，由纵缝拼接而成，最大框弧长约 6m。该筒段的研制突破了壁板 AFP 工艺、全 尺寸级长桁制造和装配等技术难题，是国内首次采用全复合材料设计理念开展的宽体 客机机身大部段研制工作。预计未来 C919 批量交付和 CR929 研制加快将为碳纤维在 民用航空领域的应用提供更大的发展机遇。

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