摘　要：碳纖維復合材料在航空工業中的應用技術是―個很大的話題，本文在上半部分試圖介紹其在商用飛機、發動機和短艙、直升機上的應用，以及預浸料和液體成型工藝；下半部分試圖介紹膠膜、功能材料、航空復合材料的發展趨勢。

1　復合材料在商用飛機上的應用

　　自復合材料誕生起，其輕質高強的性能就和航空航天飛行器結下了不解之緣，自上世紀40年代開始，復合材料就被用于軍用飛機的修補。隨著材料結構性能的不斷提高和改善，復合材料作為結構材料首先在軍用飛機上得到了大量的使用。在積累了大量的經驗和數據以后，自上世紀80年代起，復合材料也開始在商用飛機上得到逐步應用。隨之而來的碳纖維革命，特別是中模量碳纖維性能的提高、技術的穩定，使得碳纖維復合材料終被用于大型商用飛機的主結構。以B787和A350為代表的大型商用飛機，其復合材料在飛機結構重量中的占比已經達到或超過了50％，大的商用飛機A380的中央翼也完全使用復合材料，這些都是復合材料在大型商用飛機上使用的里程碑。圖1為復合材料在商用飛機上使用的發展歷程。

　　目前，商用飛機上使用的復合材料大部分是碳纖維環氧復合材料，也包括一些玻璃纖維環氧復合材料，以及少量的特種基體樹脂復合材料。其應用分為三個大類，即一級結構材料、二級結構材料和內裝飾材料。
　　下面的三張圖表分別介紹了在商用飛機上各個結構等級的復合材料部件。

　　實際上，中模量碳纖維的商品化為碳纖維復合材料在大型商用飛機上作為結構件，特別是一級結構件提供了可能。東麗的R00級材料、赫氏的M系列纖維成為這種應用的典型代表。所以，制造的碳纖維如果要在航空應用上有所突破的話，必須邁過中模量這道門檻。

2　復合材料在發動機和短艙上的應用

　　復合材料在商用飛機上的另一個主要應用領域是在發動機和短艙，而發動機葉片，例如，GE90的發動機葉片，則是這種應用的典范。GE90葉片使用的是8551-7／IM7預浸料，通過熱壓罐工藝成型獲得，這種環氧中模量碳纖維預浸料具有極高的韌性和損傷容限，可以滿足葉片苛刻的性能要求。
　　發動機復合材料葉片的另一種制作工藝是使用3D碳纖維織物，用環氧樹脂灌注而成。這種技術充分利用了3D織物的特點，用其制得的復合材料具有低裂紋擴展性、高能量吸收性以及耐沖擊、抗分層性能。即將用于C919客機的Leap-X1C即使用這種技術。
　　復合材料除了提供結構貢獻以外，在發動機和短艙上的另―個貢獻是降噪。在B787的發動機和短艙上使用了一種降噪蜂窩，用其作為芯材、環氧預浸料作為蒙皮的夾層結構起到了良好的降噪效果，使B787被譽為安靜的飛機，這也是B787的亮點之一。
　　下圖詳解了復合材料在發動機和短艙上已經應用的―些復合材料部件。

3　復合材料在直升機上的應用

　　國外復合材料在直升機上的應用已經有了相當長的歷史，并被譽為直升機的兩次技術飛躍之一，對此，歐洲一直走在的前列。在直升機上使用復合材料的歷史應該從哈飛的海豚項目開始，至今已有30年的歷史。相對于商用飛機而言，復合材料在直升機上的應用更廣泛，除機身、尾棵等結構件以外，還包括槳葉、傳動軸、高溫整流罩等對疲勞、濕熱性能有更高要求的部件。特別是復合材料槳葉的使用，把槳葉的使用壽命從金屬的2000小時提高到了復合材料的6000小時以上，甚至是無限壽命，并且兩者的制造成本幾乎相當，因此使用復合材料取代金屬材料也成為必然。
　　在，直升機的傳統應用是在軍事領域，數量非常少，以至于汶川地震時沒有足夠的直升機，特別是大型直升機用于救災。根據發展的需要，未來10年，的民用直升機市場將會得到深度的開拓，AC系列的民用直升機也將形成。復合材料結構，特別以碳纖維預浸料為主要原料的碳纖維復合材料結構必將成為直升機結構的主流。
　　根據新技術的發展以及直升機對復合材料性能的實際要求，赫氏對直升機各個部件的復合材料系列有個大致的推薦，具體的圖示如下。

4　復合材料在通用飛機上的應用

　　相對于大型商用飛機而言，通用小飛機的結構則簡單的多，有些小飛機的機身甚至可以使用玻璃纖維預浸料為蒙皮的蜂窩夾層結構，而外翼的翼棵則可以使用單向碳纖維復合材料制造。生產工藝上，從節約成本考慮，較為普遍采用的是非熱壓罐工藝。由于小飛機機身的曲率半徑比較小，在制造蜂窩夾層結構時，往往采用工程蜂窩(engineering core)形式來制造夾層結構件，即將蜂窩采用切削、熱定型等加工手段，針對不同的受力情況使用不同的蜂窩，加工成一個整體的芯材結構，然后一次成型成夾層結構部件的工藝。
　　另外，由于生產通用飛機的企業非常多，各企業不可能像波音空客那樣投入大量的人力、物力和財力來制定各自的材料規范，各原材料生產商也不希望看到每個客戶都使用自己的規范來采購。所以，為了統一材料標準和規范，在美國NASA的牽頭下成立了AGATE這樣一個組織，旨在為廣大的中小通用飛機復合材料部件制造者提供一個共享的數據庫。這個數據庫是免費的，用戶可以使用數據庫中的數據來進行產品設計、質量管理、適航認證等。
　　目前，赫氏推薦用于通用飛機的環氧預潭料主要為M10R系列，產品包括標準模量的單向碳纖維預浸料、平紋和緞紋的碳纖維織物預浸料以及玻璃纖維預浸料等。

5　預浸料熱壓罐成型工藝

　　環氧樹脂基復合材料有多種成型方式，包括預浸料熱壓釜、預浸料真空袋壓、RTM(樹脂傳遞模塑)、模壓、搓卷、手糊等，對于航空航天部件而言，目前常用的方法仍為預浸料熱壓罐工藝和RTM工藝，而熱壓罐成型工藝也成熟。
　　預浸料熱壓罐工藝的特點是部件質量高、性能穩定、產品重復性好，但人工鋪貼時勞動量大、工時費用高、效率低、管理難度大。可以想象的是，像A350外翼面板這樣大尺寸的復合材料部件是難以使用手工鋪貼的。所以，目前隨著產品的大型化，使用自動鋪帶工藝和自動鋪絲工藝已成為一種發展的必然。
　　現在，國外較為先進的自動鋪帶設備已經向的商用市場開放，自動鋪絲設備也會得到開放。當然，對我國的航空復合材料工業而言，終解決問題，還需要自己的自動鋪貼設備。
　　目前預浸料制作仍然使用溶劑法和熱熔法兩種工藝，但基于質量穩定性以及對預浸料物理性能指標高精度控制的考慮，越來越多的預浸料使用熱熔法制造。在設備創新上，有些設備制造商已將傳統的兩步法生產串聯在一臺設備上，從而使得預浸料的生產更高效。當然，針對航空業對質量的要求，為了確保產品質量的同一性和重復性，同時也是更好的保護知識產權，也有些大型企業采用中央廚房式的生產方式，將預浸料的樹脂膜集中生產，然后由各衛星工廠生產預浸料。

　　在力學性能上，一級結構材料對其的要求已基本確定，波音和空客的規范對此也提出了具體的要求。表1為赫氏適用于一級結構材料的主要數據，其中M21系列是已被認證的碳纖維環氧預浸料，M91系列是為下一代商用飛機準備的材料。

6　液體成型環氧樹脂基復合材料技術

　　毫無疑問，盡管預浸料熱壓罐成型方式得到的復合材料產品的性能比較穩定，但制造成本相對而言卻是比較高的，并且由于鋪貼工藝的局限性，在制造大型、復雜的復合材料部件時受到了一定的限制。而將預浸料鋪貼制得的部件組裝成一個復雜的復合材料結構又需要大量的連接件，這種結構沒有充分發揮復合材料的特點，造成不必要的重量增加，這樣，就催生了液體成型工藝，即RTM成型工藝。
　　簡單的講，液體成型技術就是將樹脂注入到密封的模具中間，浸漬連續的、預先定型的增強材料，固化以后得到復合材料部件的一種工藝。由于樹脂工藝性能、材料浸漬性能的改進和提高，浸漬工藝也已從單一的壓力注入(Pressure Injection)派生出真空灌注(Vacuum Infusion)等。當然，模具的結構形式也進行了相應的改變，產品的特點也有所不同。
　　和工業等級的真空灌注，例如大型風力發電葉片的成型技術相比，航空用的液體成型技術在選材上有著根本的不同。除了優異的力學性能外，航空產品還需要高穩定性能，產品重復性好，尺寸精度高，并將每一克重量的性能發揮至極致。有時，針對某些部件的要求，還需要對某些性能進行改性。
　　傳統上的被航空認證的增強材料一般為碳纖維織物，使用的碳纖維包括3K、6K和12K等；織法包括單向、平紋、斜紋、緞紋等。一般在織物上面涂有特種粉末，例如環氧粉末等，用于液體成型前織物的熱定型。
　　在近的產品開發中，NCF(NON CRIMP FABRICS)多軸向織物得到了相當的重視。這種材料除了更好的體現準各向同性的性能外，纖維沒有卷曲，編織技術使得增強材料的鋪貼性能更好，同時，也適用于改性。例如，赫氏使用一種被稱作為Interleaf的技術，在多軸向織物上植入增韌材料，從而有效地提高了復合材料的韌性，和沒有使用Interleaf技術的增強材料相比，標準模量的碳纖維復合材料的CAI(compress after impact)普遍可以提高30％左右，而復合材料的濕熱性能沒有任何影響。同時，基體樹脂的工藝性能也得到了很大的改善，典型產品包括赫氏的RTM6和氰特的Cycom890等。
　　以RTM6為典型產品的早先的液體成型樹脂一般為單組份產品，由于其需要冷凍運輸，并且危險性較高，為航空運輸所禁止，所以，極大地制約了這種產品的開發和應用。為此赫氏通過長期研究，開發了命名為RTM6-2的雙組分液體成型樹脂，該產品分為A和B兩個組分，可以常溫運輸和儲存，大大方便了用戶的使用。目前，該產品已成為液體成型技術常用的產品之一。
　　液體成型技術基本的工藝是將增強材料先基本定型為部件的形狀(對于簡單部件也可以不需要預定型)，然后把加熱至一定溫度的樹脂經壓力灌注人模腔，加溫固化而成。所以，首先需要關注的是熱定型的粘結材料的問題，包括定型溫度和環氧樹脂的相容性，對復合材料終性能的影響等。同時織物的質量也對增強材料的預定型起著至關重要的作用。
　　單組份樹脂的灌注比較簡單，只需按工藝參數實施加溫、加壓即可。而雙組分的工藝相對復雜，還需要考慮組分混合中的重量控制、混合的均勻程度等問題，這些一般由計算機控制系統完成。   
　　除了材料和工藝以外，使用液體成型工藝制作部件成功與否的關鍵是模具的設計，特別是注入孔、道出孔的位置、密封材料的設置等，這需要長期經驗的積累。以下是兩種液體成型工藝的示意圖。

　　目前，使用液體成型技術制造的復合材料部件已經作為結構材料服役于許多大型商用飛機。龐巴迪CRJ系列的副翼和襟翼使用了RTM工藝制造，不僅節省了大量的勞動力成本和材料，而且減少了許多傳統的組裝工作。例如，對于NextGen支線飛機而言，其副翼的零部件數量減少了80％。襟翼的零部件數量減少了95％。

　　另一個成功的例子是某一支線飛機的垂尾，其使用Hexforce®的多軸向碳纖維織物和Hexflowp®RTM6樹脂一次注入成型制造。該部件在選材上使用了多軸向碳纖維織物，解決了雙向材料在力學設計上的缺陷。一次注入成型體現出了工程師在模具設計、材料選擇、工藝參數確定等諸多方面的能力和經驗。

　　即使在A380和B787等大型商用飛機上，也能見到液體成型復合材料部件的身影，例如，用于制造―些活動面、副翼棵、門鉸鏈等。

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