复合材料让C919拥有与空客、波音竞争的实力

2015-11-09  来源:复材在线  作者:复材在线  浏览次数:2614 加入收藏   |  分享

C919有自己的特点,包括:采用先进的气动布局;性能更为优化的超临界翼型和局部的融合设计;采用先进的机载系统和发动机,经济性能更好;先进材料首次 在国产民机大规模应用,特别第三代铝锂合金材料、先进复合材料用量分别达到8.8%和12%;氮氧化物排放比ICAO CEAP6标准低50%,二氧化碳排放比现役飞机低12%。
C919有自己的特点,包括:采用先进的气动布局;性能更为优化的超临界翼型和局部的融合设计;采用先进的机载系统和发动机,经济性能更好;先进材料首次 在国产民机大规模应用,特别第三代铝锂合金材料、先进复合材料用量分别达到8.8%和12%;氮氧化物排放比ICAO CEAP6标准低50%,二氧化碳排放比现役飞机低12%。

C919大型客机后机身前段由4块整体复合材料壁板、1个整体复合材料球面加筋框、6个复合材料C型框等组成,包含近600项零件。该部段是以新型复合 材料为主体的主要机体结构,是大面积复合材料制造主体结构在国产民用飞机上的首次应用,有效降低了国产大飞机重量,提升了飞机的经济性。

而C919大型客机所采用的新技术、新材料、新工艺,对我国经济和科技发展、基础学科进步及航空工业发展也有重要的带动辐射作用。ARJ21项目前副总设计师周济生曾告诉《第一财经日报》记者,制造大飞机的材料,尤其是复合材料的研制,是中国大飞机制造工作面临的最大挑战,也是最难 突破的。“以前国际上的大型客机采用的材料都是以先进铝合金为主,复合材料为辅,但到了波音787时,复合材料使用出现质的飞跃,不仅数量激增,而且开始 用于飞机的主要受力件。

周济生介绍,所谓复合材料,主要是指碳纤维、树脂等材料,目前中航商飞制造ARJ21支线飞机也运用了复合材料,但主要是从美国进口,这一领域也是中国企 业需要提升的地方。如今,在刚刚下线的C919飞机上,先进材料首次得到大规模的应用,第三代铝锂合金材料、先进复合材料在C919机体结构用量分别达到8.8%和 12%。

8.8%第三代铝锂合金材料的是C919价格便宜的关键因素


中国商飞一位人士对记者介绍,以C919前机身大部段为例,该部段包括了前段客舱、前货舱和再循环风扇舱,包含1600多项零件,涉及到了近2000项工 装。这一部段就采用了第三代铝合金——铝锂合金材料,这也在国内民机应用上尚属首次。 “铝锂合金材料被认为是目前航空航天首选的最理想材料,中国商飞公司联合供应商中航工业洪都航空通过近3年2500件试验件的试验,才完成了稳定工艺条件 下20批次的材料性能数据测试,同时围绕材料疲劳额定值(DFR)数据体系建立,开展了不同加工制造状态的典型结构细节DFR疲劳试验,共3000余件试 验件。”上述人士指出。

据新华社报道,这次C919的“机壳”全部由我国自主设计、制造。“机壳在专业上叫做机体,其中铝合金材料约占材料总重量的70%。”邓运来介绍,“为了减轻自重、降低油耗,飞机的重量会精确到克,C919实 现比B737、A320等同类机型轻5%—10%的战略目标,主要得益于铝合金中锂元素的加入。锂元素虽然只占铝合金重量的2%左右,但在同等承载的条件 下,却可以比常规铝合金减轻重量5%以上。”

  在传统上,很多国外的大飞机机型大量采用了常规的高性能铝合金材料,比如7X49、7055、7085、2X24等。“这种材料同样符合航空机体材料高强度、高韧性、抗疲劳、耐损伤、耐腐蚀等特点,但是自重就会比C919要重一些。”邓运来说。  “飞机上使用的复合材料主要是碳纤维增强树脂基复合材料,它们具有高耐腐蚀、质量轻等特点,在这些性能上的确要超过一般的金属材料。”邓运来说。但是,天下没有白吃的午餐。邓运来笑着说:“通常,复合材料的价格大约是常规铝合金材料的几十倍,即便是我们看起来已经很金贵的铝锂合金材料,其价格也比复合材料低得多。所以,我们的C919仅为波音737价格的1/2左右。”  “铝合金材料既要高强度,又要高韧性,还要抗疲劳、耐损伤、耐腐蚀,这是一个非常复杂的矛盾统一,”张新明说,目前,国内围绕大飞机金属材料的 研究已经获得了大约200多项专利,其中一半左右归中南大学所有。“比如强度和韧性、耐腐蚀常常是矛盾的,我们要同时达到,并且让它们保持稳定,就要不断 研究,这就是金属材料的魅力所在。”

复合材料的使用量约占C919飞机结构重量的12%,“复合材料”究竟是什么?


同样是在“十一五”国家重大科技成就展上,“高韧性液态成型复合材料技术体系的基础研究与实践应用”项目不事张扬,其简介中说,“航空结构复合材料的国际发展方向是更高的冲击损伤阻抗和损伤容限、更高的耐温等级和先进的低成本、整体化制备技术。”“我国科学家首次提出并验证了‘离位’增韧的新概念及其表面功能化附载的新理论、新技术和新装备,实现以较低成本大幅度提高复合材料的冲击损伤阻抗和容限,研制成功环氧树脂、双马来酰亚胺、聚苯并噁嗪和聚酰亚胺树脂基全系列航空复合材料新体系,其标志性指标冲击后压缩强度(CAI强度)达到国际领先水平;创新发展了先进的液态成型(RTM)技术体系,包括RTM树脂体系,‘离位’增韧剂和定型剂材料体系,‘离位’表面附载材料技术和整体化预制技术、‘离位’RTM技术、‘离位’预制的碳纤维织物体系ES-Fabric以及RTM成型与应用体系等。”

上述引文中提到的“我国科学家”指的就是中航工业航材院先进复合材料国防科技重点实验室主任益小苏和他领导的国防科技工业创新团队。航空飞行器的损伤容限设计,要求其复合材料具有高的韧性,目前广泛采用的是整体增韧树脂基体或插层改性,而“离位”技术不仅可较大幅度地提升复合材料层压板的所有层间韧性,还可保持其面内性质基本不变,而且在应用上具有广泛适用性。更为关键的是,“离位”复合材料拥有中国自主知识产权,是由“我国科学家首次提出并验证”的。

作为国家“973”项目首席科学家,益小苏领导其科研团队,通过深入艰苦的基础研究,在国内外首先提出了创新性的复合材料“离位”增韧和表面附载预制新概念、新理论和新技术,大幅度提高了航空结构复合材料的损伤阻抗和损伤容限,建立了具有中国特色和国内外全部自主知识产权的复合材料高性能化技术体系和预浸料、液态成型两大复合材料产品系列。

目前,这些新技术与新材料已得到学术界和国际航空航天企业的认可,专利技术许可国际高端材料企业使用,实现中国航空材料技术自主知识产权首次出口,并初步实现在我国航空、航天、舰船等新型装备领域的演示验证、领先应用和批量生产,获得2010年国防科技进步一等奖,为我国航空航天结构复合材料技术的发展做出了贡献。益小苏领导的中航工业北京航空材料研究院先进复合材料国家科技重点实验室“‘973’复合材料项目组”因此也获得了2010年度的周光召基金会“应用科学团队奖”。益小苏团队承担的国家“973”项目也是中航工业承担的唯一国家“973”基础研究项目。

关于他们这项在国家“973”计划支持下所取得的科研成果,也许还是周光召院士的评价最为中肯,早在2007年元月,国家“973”计划顾问委员会主任、原中科院院长周光召院士亲临该团队科研现场考察时就指出:“我认为你们的‘973’课题完成得非常好,非常出色!你们采用了全新的学术思想,使复合材料冲击后压缩的强度提高了一倍以上,说明你们取得的技术进步的确依靠了创新的力量。”(庞贝)

 


 

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