航空飞机结构中的复材应用，热塑性碳纤维的高效加持

在航空飞机中，降低燃油燃料消耗提高续航里程是最为直接直观需要解决的需求，通过改变机体结构材料成为了非常好的方案，在整个的航空飞机中就涌现了多种复材替代金属制品的现状，那本文我们将解读关于航空飞机材料的演变史以及飞机机体结构以及发动机结构上应用碳纤维复材的解读。

　　航空飞机结构采用的演变史

　　通过材料的改变从而实现飞机的轻量化，从钢到合金再到复合材料的应用，航空飞机结构走过了漫长岁月，现如今大批量的民用军用飞机上都有了复材的身影。波音787飞机机身到主结构中就应用了大量的复合材料。早在波音777中复合材料就替代了大量的铝镁合金，比如777复合材料尾翼比767的铝制尾翼大25%，但所需的计划维护工时减少了35%。与金属相比，这种工时的减少是由于复合材料降低了腐蚀和疲劳的风险，从而减少了非常规维护。

　　777地板结构全部为复合材料，突出了这种材料在恶劣环境中的优势。航空公司的运营商意识到传统铝制地板梁在疲劳开裂和腐蚀方面遇到的困难。777机型已经使用了565架飞机，飞行了10多年，到目前为止，还没有更换一个复合材料地板梁。

　　为了实现轻量化，飞机的机体结构材料经历了以下变迁：

　　1930年代：铝合金开始取代布、木、钢等，作为飞机的机体材料使用。此后，随着铝合金的高强度发展，铝合金成为机体材料的主流，适用范围不断扩大。

　　1940年代：开始开发具有优异比刚度的镁合金，2010年代批准用于座位等内部装饰品。但是，目前还没有完全代替铝合金。

　　1940年代后期：作为高强度铝合金(硬铝等)的替代品，玻璃纤维增强塑料(Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP)被应用于襟翼、舵等二级结构材料。但是，GFRP与铝合金相比，虽然比强度高，但比刚度差，因此未被采用为一级结构材料。

　　20世纪50年代：开始研究钛合金(主要是Ti-6Al-4V合金)的使用。

　　20世纪60年代后期：随着比铝合金等强度和刚度都高得多的各种先进复合材料的开发，CFRP一经问世便作为飞机结构材料。

　　20世纪80年代：CFRP被用于飞机的二级结构材料主翼和尾翼的舵(方向舵)和客舱桁架等。

　　20世纪80年代后半期：大型的一级结构材料垂直、水平尾翼稳定板和机身开始使用CFRP。

近年来，口罩影响过后，航空旅客增多，受到环境限制以及燃料价格上浮下，对于飞机轻量化的需求增强，CFRP材料被更多的应用在航空飞机中，从20世纪80年代主要应用在辅助机翼和尾翼部件中的机翼后缘板和舵等部件上，开始向航空飞机推进系统以及飞机内部寻找增长点。这也就有了更高性能的热塑性碳纤维(CFRTP)材料的应用。

　　航空飞机中的碳纤维复材应用

　　在航空航天领域，使用复合材料的主要优点体现在：

　　体重减轻20%-50%；

　　单壳模压结构在较低的重量下提供较高的强度；

　　高抗冲击性，如芳纶装甲防护飞机减少了对发动机挂架(承载燃料管线和发动机控制装置)的意外损坏；

　　高热稳定性；

　　抗疲劳/耐腐蚀；

由复合材料制成的结构件易于组装。

　　在美国波音重心宽体客机787中，铝合金占机体材料重量减少20%，每架飞机使用30吨以上的纤维复材，结构重量占比50%以上。主要存在于机翼、中央翼盒和龙骨梁、尾锥、蒙皮面板、框架、纵梁、倍增器等区域。

这在同样的强度下，碳纤维的重量却为钢的四分之一，飞机耗油性能降低2成。预计2025年将要交付的大型客机波音777x中更是采用碳纤维材质的折叠机翼，停机时折叠状态(翼宽：64.82米)，飞行时展开(71.75米)，能够使得飞机整个的升力更好，将进一步提高飞机的燃油效率。

　　在空客350飞机上也是大量的采用纤维复材，最新的宽体空客A350XWB上碳纤维复材占据整个机体53%以上，传统的金属材质在起落架、塔架等地方应用。

　　航空飞机的热塑性碳纤维再次加持

　　现如今航空飞机中机身内的复合材料以及应用非常多，众多的机型中复材占比已经达到50%，新型高性能热塑性碳纤维复材的出现，让航空飞机有了更好的增长点。

　　传统的纤维复材主要是应用在结构件冷段，有了热塑性碳纤维复合材料就可以向热段区域发展，比如风扇叶片。国内率先完成热塑性碳纤维智上新材料厂家，已经跟多家飞机制造商对接，进行热塑性碳纤部件的打样。

　　那这种热塑性碳纤维相比较传统的热固性碳纤维带来更多的高性能，热塑性碳纤维材料组件完整性能够更好的保证飞机减少维护和停机时间，飞行效率更好，这里在跟智上新材负责人沟通中了解，生产的CF/PEEK(30%碳纤含量)的热塑性复合材料的耐酸碱海盐的性能更是提升了非常多。这应用到航空飞机中去，在应对喷漆燃料、液压油、除冰溶液、盐雾、蒸汽中的使用寿命更长，并且能够提供更好的比刚度、比强度、抗疲劳强度。

　　包括热塑性材料的特性，还能缩短零部件生产制造周期，此外这种材料还具备了回收用于其他应用的能力，使得产品能够达到一个全新的高度。

　　相信随着技术的不断创新下，将会在越来越多的区域方向中应用这样的高性能的复材，给到行之有效的解决方案。