碳纤维复合材料在航空航天领域的发展浅析(三).应用篇有了前两篇文章介绍碳纤维复材的基本概念和生产工艺，现在，咱们分航空和航天两个方面，对 CFRP 的应用，略加介绍这篇的很多技术术语，都在前文中介绍过您有了那些铺垫，再读下去，会觉得没那么生涩还会因为知道了前因后果，感悟得更多一点所谓外行看热闹，内行看门道，大概有那么点意思吧说到应用，国外的料大家尽管爆，国内产品公开的信息不多，因此兵器迷所知有限，只能给大家上个小菜——所有国内资料都来自互联网官方报道和公开出版物，并注明了相关来源额来坛子的目的，第一是学习，第二是分享，第三是科普一、 航空方面的 CFRP 应用业内一般认为，碳纤维复合材料在军用航空方面的应用大体上可以分为三个阶段（也有按四个阶段分的，差异不大）民机对安全性、经济性、可靠性要求高于军机，因此在应用上更加保守和延后，但也大体追随了军机的步伐在此一并介绍第一阶段——非承力结构：20 世纪 60-70 年代：由于 1 公斤 CFRP 可以大体替代 3 公斤铝合金，性能满足要求，因此开始用于非承力结构，如舱门、前缘、口盖、整流罩等尺寸较小的部件对于民机，除了上述应用外，机舱大量的内饰也会用到复合材料，但其中有很多是芳纶或者玻璃纤维复材，这里不赘述。
国内方面：从难度上说，非承力结构是航空复材的小 case，但是应用面却最广泛国内在技术上已无大的障碍，基本达到了国外类似的水平，需要的是大规模普及相信 ARJ21,C919 和运 20 等大平台和众多无人机小平台定型运营后，能够为此提供广阔的应用空间这些一般应用，大多用便宜的大丝束产品就够了；而 T300 以上的产品，贵得离谱，好钢用在刀刃上，于是大多用在承力结构上第二阶段——次承力结构：20 世纪 70-80 年代：随着力学性能的改善与前期应用的效果提高了人们的信心，CFRP 逐步扩展到飞机的次承力结构，即垂尾、平尾、鸭翼、副襟翼舵面等受力较大、尺寸较大的部件其中，1971 年美国 F-14 战斗机把纤维增强的环氧树脂复合材料成功应用在平尾上，是复合材料史上的一个里程碑事件波音 B777 也将 CFRP 应用于垂尾、平尾等多处部件，共用复合材料 9.9 吨，占结构总重的 11%国内方面:中国将 CFRP 用于军机的舵面和翼面，也已经开始成熟根据《玻璃钢》等杂志的公开报道,早在“六五”期间，沈阳飞机设计所、航空材料研究院和沈阳飞机厂共同研制歼击机复合材料垂尾壁板，比原铝合金结构轻 21kg，减重 30％。
北京航空工艺研究所研制并生产的 QY8911／HT3 双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件歼轰 7-A 战机采用了 CFRP 平尾2009 年建国 60 周年国防成就展上，报道了歼 10 在鸭翼、垂尾、襟副翼、腹鳍等所有 7 个舵面和腹鳍采用了 CFRP 材料，这与国外这一阶段的发展水平基本相当2011 年通用航空大会上披露，即将定型的猎鹰 L15 高教机也采用了复材的机头罩、方向舵和垂尾，其中舵面是 CFRP在民机方面，ARJ21 新支线飞机的复合材料技术水平大体达到了这样一个水平，算是开了个头，但大规模应用尚需时日图 1 国内某机型基于 “π”形接头盒段结构成型的 CFRP 垂直安定面（航空制造网）图 2：猎鹰 L15 采用了 T300CFRP 材料制作的尾翼舵面国内 CFRP 次承力构件的广泛应用，与 T300 生产进程密切相关材料的国产化，产量的扩大化和价格的低廉化，分别为 CFRP 次承力构件的应用提供可能性、适用性和经济性从而最终推动 CFRP 次承力构件成为国产军民航空器的标配这一阶段的材料和工艺，都是我们用 T300 和手工铺叠工艺能够达到的，因此未来的发展相对有把握。
但如果制件再大些，承力再大些，就会涉及主承力结构了第三阶段，从上世纪 80 年代至今，随着高性能碳纤维和预浸料-热压罐整体成型工艺的成熟，CFRP逐步进入机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中美国原麦道飞机公司于 1976 年率先研制了 F/A-18 的复合材料机翼，把复合材料的用量提高到了 13%，成为复合材料史上的又一个重要里程碑后期更采用自动铺丝技术为 FA-18E/F 制造 CFRP 的 12 块机身蒙皮，10 块进气管蒙皮，4 块水平尾翼蒙皮F16 战斗机 BLOCK50 之后也开始采用 CRPR 复合材料机翼F22 战机的复合材料用量已经提高到结构重量的 22%目前西方国家军机上复合材料用量约占全机结构重量的 20%～50%不等民机方面，波音 777 采用全复合材料尾翼，其翼面及翼盒构件，均采用自动铺带技术制造空客 A330/A340 飞机长 9m，宽 2m，重 200kg 的大型蒙皮壁板A380 的后机身所有蒙皮壁板 19 段，22%的机身重量是 CFRP尤其是 A380 的 8*7*2.4 米中央翼盒，重 8.8 吨，CFRP 就用了 5.5 吨，比金属材料减重达 1.5 吨，其燃料经济性相当可观。
这方面的先行者，是波音公司的 B787“梦想”飞机，复合材料应用率 50%CFRP 广泛应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，同时是第一个同时采用 CFRP 复合材料机翼和机身的大型商用客机，其 23% 的机身均使用了自动铺丝机制成的 CFRP 材料最值得关注的，是其机身：787 机身工艺采用直径 5.8m 的成型模胎安装在一旋转夹具上沿长轴转动，先铺长桁然后铺皮，形成外表光滑的变厚度的壳体以及共固化的桁条组成的机身段，经过热压罐固化后，取下模胎这一工艺可以代替由上百块蒙皮壁板、加强筋及长桁、上千个紧固件组成机身的工艺，见下图图 3：波音 787 直径 5.8 米整体成型 CFRP 框段在研机方面，波音公司 X-45 系列飞机复合材料用量达 90%以上，诺斯罗普·格鲁门公司的 X-47 系列飞机也基本上为全复合材料飞机看完波音的系列 CFRP 主承力结构产品，兵器迷想问问某些网友，凭哪条说美国是产业空心化，只剩下金融和房地产了？人家居安思危，几句谦虚的自拙之语，被刚进入工业化不久的我们如获至宝般的照单全收，再加以主观放大，作为沾沾自喜的根据，实在不足为取啊国内方面根据中广网的公开报道，2012 年 12 月，中航工业西飞公司向中国商用飞机有限责任公司(简称中国商飞)交付了 C919 大型客机中央翼、襟翼及运动机构部段，这是 C919 大型客机七大部段中难度最大、工作量最大的两个部分。
这两个部段尺寸大、结构复杂、外形公差要求高，尤其是国内民机最长尺寸、长达 15 米的襟翼缘条加工，技术难度非常大西飞突破了复合材料大型成型模具设计制造技术、复合材料构件预装配变形控制技术等多项技术难关，整个研制过程全部采用先进的三维数字化设计、传递与制造，中央翼部段除 1 号肋是金属件外，全部采用了先进的中模高强碳纤维/增韧环氧树脂复合材料制造这是国内首次在固定翼飞机最重要的主承力结构件上使用复合材料，代表了中国制造的碳纤维航空复合材料应用的最高水平图 4 国内基于 T 形接头共固化/胶接一体成型工艺研制的盒段件图 5 国内采用 CFRP 生产的某机型纵横向加筋机身壁板注意，图 5 的产品仍然面积较小，需要通过机械加工多块拼接形成大型壁板而波音 787 可以整体成型超长超宽的壁板，覆盖在两个大型工艺分离面（核心主框段）之间，如 5.8m×7m 的 47 段和 4.3m×4.6m 的 48 段 CFRP 壁板我们能做出来 786 这么大的壁板吗？回答是：能这位眼睛瞪圆了——那为什么不用呢？其实，国内 C919 大飞在一开始，也曾雄心勃勃，想做类似波音 787 这样的大型整体壁板.但我们的工艺水平不成熟，虽然能做出来，却无法控制批次质量的稳定性. 废品率高，成本自然下不来。
C919 是商飞啊，不是技术验证机，安全性和经济性都是一票否决，所以琢磨了很久，还是放弃了仍然采用分块成型拼接吧差强人意,亦属无奈为了学习 CFRP 大型构件整体成型的新技术、新工艺，哈飞复合材料公司与外方合作伙伴一起，共同进行 C919 的部件开发下图 6 展示的，就是哈飞复材公司参与制造的 C919 机尾框段——在 2.4 米的长度内，直径从 2 米平滑过渡到 1.2 米，一次整体成型，是目前公开所见国内合作制作的最大体积整体成型 CFRP 制件见图 6图 6： C919 机尾 76-81 框的 CFRP 整体成型框段CFRP 主承力结构件，对 T700,T800 等高性能军用碳纤维生产，以及大型复材整体成型技术提出了更高需求国内在这两方面又都存在短板甚至空白因此大多数应用是探索性，合作性和阶段性的在短期内，我们尚无法做到主承力结构 CFRP 的大规模应用对此，正确的态度应当是：学而时习之中国人有差距，不可怕咱学，咱追，一定有一天咱超——就像空警 2000 一样可怕的是妄自菲薄和夜郎自大两种极端心态这样的心态，距离事实很远; 距离成功，那是无限远CFRP 三个阶段的应用介绍完了，咱们再看看——直升机、旋翼机、风扇叶片等其他方面包括 CFRP 在内的先进复合材料的用量甚至更大。
如 V-22 鱼鹰倾转旋翼机，其结构的 50%由复合材料制成，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等，共用复合材料 3000 多千克，其中很大一部分是 CFRPV-22 的整体后机身，原由 9 块手工铺叠的壁板装配构成，后改为自动铺丝工艺整体成型，减少了 34％的紧固件，53％的工时，降低了 90％废料率自动铺丝技术同时应用于储油箱、旋翼整流罩、主起落架舱门已经下马的“科曼奇”(RAH- 66)共使用复合材料 50%，欧洲最新批次的“虎”式武装直升机结构部件的复合材料用量高达 80%，接近全复材结构国内方面：2011 年国际通用航空大会披露，我国与法国、新加坡合作研制的轻型直升机 EC120 的机身、垂尾、水平安定面、尾翼、前舱等结构均由 CFRP 等复合材料制成在军机方面，近年来所有的国产直升机旋翼都是多维编制的 CFRP 复材叶片，金属旋翼叶片已经完全淘汰报载：复材叶片和先进旋翼机构，已经成为中国直升机整体短板下不可多得的优势点，水平基本与国外看齐——歼 20、武直 10、辽宁号这些平台类的突破固然可喜，而直升机叶片这样长期困境中的点滴进步，也同样令人感动既然说起叶片，再唠叨两句航空涡扇发动机。
大家知道，航发的风扇叶片，大多采用钛合金金属叶片有一个弱点，就是振动阻尼性能较差，高速旋转时容易震颤，而且不易衰减而且如果叶片本身已经有微小裂纹，就会在这种持续震颤中，引发裂纹由内向外快速扩张，在极短时间内造成叶片断裂这是一种比共振更加危险的振动现象因此，有些风扇就在每个叶片的两侧加一个凸台，专业术语称为“凸肩”建国 60 周年空军成就展上披露，在歼 11 系列的 AL31FN 和 WS-10A 发动机进气口，都有这样的凸肩（见下图）这样，叶片全部高速旋转时，各凸肩形连起来成了一个加强环，增加了叶片刚度而且，叶片是依次叠加的，每个凸肩“顶”着前面一个叶片，有效降低了阻尼震颤但这样做的后果，是凸肩增加了叶片厚度和重量，同时增加了叶片数量，降低了发动机的推重比图 7：歼 10 发动机进气口的凸肩（红圈处）而 CFRP 材料制成的风扇叶片，由于纤维多层交叉铺贴，材料本身“各向异性”性能优越，裂纹生长缓慢，再加上振动衰减率比钛合金快 5-6 倍，因此可以取消叶片凸肩2010 年珠海航展披露，GE 和法国斯奈克玛为 C919 大飞联合研制的发动机 LEAP-X，就采用了 CFRP 三维碳纤维编织物整体成型的风扇叶片，不但重量减轻了 50%，叶片数也减少了一半。
国内发动机风扇叶片，目前。