分享:

十年前波音787激起的那片复材蓝海 如今依然澎湃

2019-12-17 10:22:48 看航空 看航空专栏

十年前的12月15日,“梦想飞机”波音787在西雅图成功首飞。这是航空史上首架超远程中型客机,也是全球首款大量使用航空复合材料制造的喷气式客机。

微信图片_20191217101806

2009年12月15日,波音“梦想飞机”787在西雅图首飞成功

波音787的机体结构一半以上都使用更轻更坚固的复合材料替代了铝合金,按照重量计算,其中有61%航空复合材料,20%铝,11%钛,8%钢。之后空客也迅速跟进,在A350和A380上大量使用了航空复合材料。

微信图片_20191217101808

波音787机体材料分布

波音787首飞后的这十年,也是航空复合材料迅猛发展的黄金十年。目前这片“蓝海”市场依然需求旺盛,代表着未来飞机设计与制造的最前沿科技。

传统航空材料领域的“四大金刚”

在航空复合材料“高调杀入”之前,钛合金、高温合金、铝合金和钢是商用飞机设计制造中的“四大金刚”。

40多年前,铝合金材料在飞机上占绝对主导地位,当时人们认为铝又轻又经济。但现在,在先进的民机上,譬如波音787,铝的使用率仅仅为20%。其中大量的铝出现在铝锂合金中。空客A380也大量使用了铝锂合金。

微信图片_20191217101809

空客A380使用的材料

而贵重的钛合金则是飞机重要的结构材料, 主要用于航空发动机叶片、叶盘、飞机起落架、机翼梁等重要承力构件。

钛具有的优秀特性就不用说了,现在飞机上钛的使用量越来越多。在波音707飞机中, 钛合金的用量只有0.2%, 而到了波音787项目,钛合金在机体的用量达到15%, 创下了商用飞机机体钛合金用量的最高纪录。

在我国研制的商用飞机中, ARJ21新支线客机的钛合金用量是4.8%, 到了C919大型客机项目, 钛合金的用量达到了8%左右,与波音777和空客A380的钛合金用量相当。

微信图片_20191217101811

大型设备正在加工C919钛合金零部件

但钛的问题在于,其资源非常有限,开采、提炼和加工又很麻烦,因此钛合金的价格相当昂贵。

高温合金是为了满足航空发动机对材料的严苛要求而研制的材料, 如今已成为航空发动机热端部件不可替代的关键材料。在新一代商用航空发动机中, 高温合金材料的用量达到40%~60%, 主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘这四大热端零部件。

,听起来很不起眼的样子。但其实航空用钢材与普通的建筑钢材等不同,主要指高强度结构钢和不锈钢。

微信图片_20191217101812

直径400毫米左右、厚度20毫米的300M超高强度钢锻件截面(左下)

其中使用量较大的300M钢作为中碳低合金超高强度钢,具有高淬透性、抗回火能力、超高强度,并兼有优良的横向塑性、断裂韧度、抗疲劳性能、抗应力腐蚀性能,适宜制造飞机起落架、机体零件、接头和轴等结构零件,是飞机上使用量较大的钢材。

300M钢在1966年后作为美国的军机和主要民航飞机的起落架材料而获广泛的应用,F-15、F-16等军用战斗机都采用了300M 钢。民机方面,波音737-300之后推出的所有波音飞机的起落架都选用了300M钢, 而我国自主研制的C919大型客机的起落架活塞杆等关键零部件也选用了300M钢。

微信图片_20191217101813

C919的起落架使用了国产的300M钢

航空复合材料蓝海的“三巨头”

复合材料是由两种或者多种不同材料组分结合在一起,融合每种组分材料的优异性能而形成的新型材料。其中一种组分是基体材料, 通常为石墨、陶瓷和树脂, 另一种组分是增强材料, 通常为纤维。由于具备双重性能, 因此复合材料在减轻重量、提高燃油效率的同时, 更容易加工、设计、成型和修复。

“三巨头”

按照基体材料的不同,目前航空复合材料中的“三巨头”分别是碳纤维复合材料、陶瓷基复合材料和树脂基复合材料。

碳纤维复合材料出现于上世纪六十年代初, 日本大阪工业研究所的埃·生唐发表了他在碳纤维方面的工作,1967年英国摩尔根有限公司的商业碳纤维首次问世。

1979年6月,第一架飞跃英吉利海峡的人力飞机“信天翁”号就使用了碳纤维复合材料。

微信图片_20191217101814

1979年6月12日,“信天翁”号首次飞跃英吉利海峡

比强度高和比模量高是碳纤维复材的特性。举例来说,高模量碳纤维复合材料的比强度为钢的5倍、铝合金的4倍、钛合金的3.5倍, 其比模量为钢、铝、钛的4倍甚至更高。其次, 耐疲劳性好也是碳纤维复合材料的重要优点。常用碳纤维增强复合材料的疲劳极限是其抗拉强度的的70%~80%, 而大多数金属材料仅为30%~50%。

微信图片_20191217101816

各种碳纤维复合材料特性一览

名词解释

●比强度(specific strength)是材料的强度(断开时单位面积所受的力)除以其密度。又被称为强度-重量比。比强度高,简单的说,就是材料又要结实,又要轻。

●比模量(specific modulus)是材料的模量(在受力状态下的应力与应变之比)除以其密度,又称劲度-质量比。比模量高,简单的说,就是材料又要变形小,又要轻。

同时,碳纤维的比重一般在1.6左右,是铝的二分之一,钢的五分之一。碳在各种溶剂中不溶解,在隔绝空气的惰性环境中(常压下),遇到高温也不会熔融,而且是在2000摄氏度以上唯一强度不下降的已知材料。波音787的机体材料就首次大规模使用了碳纤维。

微信图片_20191217101817

波音787直径5.8米整体成型的碳纤维复材框段

陶瓷基复合材料则已经“杀”入航空发动机领域。陶瓷材料具有耐温能力高、力学性能好、密度低等特性,很早就被认为是发动机高温结构的理想材料,但由于陶瓷韧性差,一旦损坏会引起发动机灾难性后果,因而限制了其应用。为提高陶瓷材料的韧性,材料学家经过不懈努力发展出陶瓷基复合材料,并已经成功应用在航空发动机研发与生产中。

微信图片_20191217101818

发动机燃烧曲线

目前GE集团的LEAP发动机、新型GE9X发动机,赛峰集团的M88-2发动机,罗罗公司的遄达1000发动机等都已经开始部分使用或正在试用陶瓷基复合材料。

微信图片_20191217101819

航空发动机基本结构

树脂基复合材料也称纤维增强塑料,以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业 , 在我国被俗称为“玻璃钢”。树脂基复合材料于1 9 3 2年在美国出现,之后人们不断开辟树脂基材复合材料的新用途。目前树脂基复合材料主要用于固体发动机壳体和固体发动机喷管。

缺点?有,但瑕不掩瑜

当然, 复合材料也有一定缺点。从力学角度来讲, 复合材料目前存在的主要问题是对于疲劳损伤的检测存在一定难度。常规金属材料在进行疲劳检测时有一套成熟的方法, 但对于复合材料而言, 目前还没有很好的方法对其进行检查。

但这些缺点在复合材料市场巨大的蓝海之前,完全瑕不掩瑜。

微信图片_20191217101821

由航空工业西飞控股的FACC公司员工正在生产复合材料产品

2018年2月, 美国航空航天防务新闻网发布了名为《2022年前航空航天材料市场的全球预测》的市场研究报告。报告显示, 预计到2022年, 全球航空航天材料市场将达到258亿美元, 2017年至2022年的年复合增长率为6.9%。

内行说:“一代材料,一代飞机”。对于国民经济和科技发展来说,一代材料更意味着无穷机会,未来,航空复材还将进入航天、船舶、汽车、运动等多个领域,创造更加可观的价值。

责任编辑:助理编辑 贾茹