一代材料技术 一代大型飞机

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1、一代材料技术一代大型飞机曹春晓中国一航北京航空材料研究院南昌航空大学二OO七年十月目录一、前言二、欧美新一代大型飞机的材料技术特色1.复合材料和钛合金的用量创历史新高2.一些具有新意的材料技术崭露头角三、关于我国大型飞机选材原则的建议四、结束语一、前言●2007年2月26日，温总理主持召开国务院常务会议，原则批准大型飞机研制重大科技专项正式立项。引起了国内外的高度关注。●2006年10月19日，中央军委曹刚川副主席在视察一航材料院时强调“一代材料，一代装备”，阐明了材料在飞机研制中的重要地位。●一百多年来，材料与飞机一直在相互推动下不断发展，飞机机体的材料结构经历了四个阶段的发

2、展，正在跨入第五阶段。第一阶段（1903～1919年）：木、布结构第二阶段（1920～1949年）：铝、钢结构第三阶段（1950～1969年）：铝、钛、钢结构第四阶段（1970～21世纪初）：铝、钛、钢、复合材料结构（以铝为主）第五阶段（21世纪初～）：复合材料、铝、钛、钢结构（以复合材料为主）二、欧美新一代大型飞机的材料技术特色1.复合材料和钛合金的用量创历史新高空客民机机体上钛合金和复合材料的用量（%）复合材料在军民用飞机上的应用增长趋势大型飞机钛用量随年代的变化707727737747747-SP757767777787A380A340A320C-5C-17A300C-1

3、7运输机钛用量10.3%（钛零件总重6.8吨）铝合金用量69.3%，钢用量12.3%复合材料用量8.1%欧洲军用运输机A400M复合材料用量35%～40%空中“泰坦尼克”A380，铝合金61%，复合材料用量22%，钛合金用量10%。空中客车A350复合材料用量37%铝锂合金用量23%铝合金用量11%钛合金用量9%钢用量14%其它用量6%波音787复合材料用量50%，铝合金用量20%，钛用量15%，钢用量10%垂直稳定面尾翼水平稳定面纤维复合材料襟翼阻流板机翼箱发动机舱罩主起落架舱门前起落架舱门机头A380选用纤维增强树脂基复合材料的部位副翼波音787选材2.一些具有新意的材料技

4、术崭露头角(1)波音787复合材料整体机身段(2)A380率先在中央翼盒上大量采用复合材料（原为全金属结构）。波音787则进一步发展为全复合材料翼盒直至全复合材料机翼。A380中央翼盒重11吨，其中复合材料4.5吨，减重1.5吨。(3)液态复合成形(LCM)已作为成熟的工程技术应用于新一代大型飞机。由于LCM技术具有成本低、周期短、质量高、工作环境好和有利于结构整体化等优点，使原来在减重方面就占优势的树脂基复合材料如虎添翼，显著增强了与金属材料的竞争力。LCM可分为RTM（树脂转移模塑）和RFI（树脂薄膜浸渗）两种制备技术。比如A380中央翼盒的5个工字梁用RTM制成，并率先采

5、用RFI技术制造复合材料襟翼滑轨梁。波音787机身的很多地板横梁用RFI技术制造，其起落架撑杆则用RTM技术制造。(4)波音787、A350等大型客机用的GenX发动机采用了复合材料前风扇机匣和带钛前缘的复合材料风扇叶片复合材料风扇叶片在GE90上使用近十年来未出现任何问题。GE90的成功使用，使GenX放心地正式选用带钛前缘的复合材料风扇叶片。(5)A380和波音787分别选用了层间混杂复合材料（纤维金属层板）GLARE和TiGr金属金属纤维/树脂金属纤维/树脂第一代ARALL→第二代GLARE→第三代CARE→第四代TiGr◇与ARALL相比，GLARE的密度较高和模量较低

6、，但其成本显著降低，而且显著提高了疲劳性能、拉伸强度、压缩性能、冲击性能和阻尼性能，因此GLARE层板一问世，就引起世界各大飞机制造公司的关注。九五期间BAIM的疲劳试验结果表明，3/2GLARE的疲劳寿命为胶接铝板的23～35倍,这是由于纤维的桥接作用降低了铝板裂纹尖端的应力强度因子，经过一定循环次数后裂纹以近似恒定的速率扩展。◇在A380上GLARE机身壁板一共有27块，最长的一块为11米，总覆盖面积达470平方米（见下一页的图）。图中的橄榄色给出了GLARE在A380机身上的使用位置，此外GLARE还用在垂直尾翼的前缘和水平稳定面上。GLARE用量占A380总结构重量的3

7、%，使A380结构重量减轻800Kg，还提高了使用寿命和可维修性，成本却与铝材相近。由于CARE很难彻底解决碳纤维与铝合金之间的接触腐蚀问题，因此迄今无商品化产品，而TiGr既无电化学腐蚀问题，又可进一步提高综合性能（特别是高温性能），因此就应运而生。据报导，波音公司将选用TiGr制造B787的机翼和机身蒙皮。TiGr还可以用来作为蜂窝夹层的面板。实践表明，用自动铺放的TiGr层板的性能高于手工铺叠的TiGr层板。(6)A380是首次推出全钛挂架的飞机，A350也采用全钛挂架，均选用β退火的