益小苏教授：碳纤维航空复合材料技术的发展

非金非土非木

2021年4月23日 10:18

在碳纤维航空复合材料技术领域展现中国力量。

益小苏

宁波诺丁汉大学李达三首席教授

国际先进材料与制造工程学会（SAMPE）

全球轮值主席

复合材料非常重要，从空客A380开始到波音B787都大量使用了复合材料。波音B787复合材料的用量达到50%左右，空客 A350复合材料的用量达到52%左右。复合材料故事听上去很辉煌，但它的起点就是一个纤维，就是碳纤维。

整个飞机复合材料是从有了碳纤维开始的，但是，碳纤维发展的极限在哪里？从T300、T700、T800、T1000到T1100，以后是什么？这对我们航空工业发展有什么影响？美国科学家10年前就问出这样的问题，怎么适应并穷尽碳纤维的潜力，这是第一个问题。

第二个问题，大家知道传统的飞机是铝合金制造的，碳纤维的材料每一个进步，几乎都是冲着铝合金去的，它要替代铝合金；反过来讲，碳纤维复合材料每一个进步也倒逼着铝合金进步，将来的飞机不是一个单一材料，一定是个多材料系统，每个材料有它的位置，关键就看能不能穷尽对这个材料的认识。

碳纤维的发展和铝合金的发展咬得非常紧，现在用得最多的A350复合材料达到52%，会不会再往上涨？未必。铝合金是不是到此为止了？也未必，所以我们要静观复合材料下一步的发展。

那么碳纤维用在复合材料上为什么这么难？材料判断起来有两个最基本的类别，一个是脆性材料，一个是韧性材料。玻璃就是最典型的脆性材料，一砸就碎，如果把碳纤维也做个拉伸，它也没有什么拉伸延伸率，一拉就断。再来看看碳纤维复合材料层合板，如果一个硬东西砸上去，恰巧落在飞机的碳纤维复合材料上，或者飞机腹部的碳纤维复合材料被跑道上的石子被轮子卷着打到机腹上了，这些都会造成异物冲击损伤，这个损伤眼睛一般看不见，但会有很多分层，分层之后碳纤维复合材料的压缩性能就大幅度下降。

正是基于这种机理而生成了一个坐标，横坐标代表当这个材料是完好的时候，没有被打过之前，它的压缩强度是多少。这个指标基本上是被碳纤维驱动的，一般碳纤维越好，这个强度越高。纵坐标是打了之后这个材料的压缩强度有多少，这点不仅仅是碳纤维决定的，也不仅仅是树脂决定的，而是有一套复合材料的构造法。由此就有了第一代和第二代碳纤维复合材料，到目前为止，全世界的飞机所使用的的碳纤维复合材料基本都在第二代的范围内。

碳纤维每一步发展都是跟铝合金相竞争的。图中坐标横轴是成本，纵坐标是减重。因为用复合材料归根到底是为了减重，减重意味着坐标上往绿色这边走，红的是增重。因此这个图上有个灰色区域：碳纤维复合材料减重了15%，但成本增加5%，这就是空客公司认为现在复合材料在民机上达到的水平。

一个便宜，但稍微重一点；另一个性能高了，但贵了很多。根据两者关系，空客公司定义到图中绿色的位置，减重10%，降低成本30%，全世界都在朝这个目标努力。

性能很重要，成本也很重要，因为产品归根结底要卖出去。于是应该分析一下复合材料的成本。尽管现在计算材料科学很热闹，但复合材料的性能不可能靠计算算出来，必须靠验证，材料这块成本考核验证达到35%，不可避免。很多人说复合材料太贵，我是做复合材料研究的，复合材料让个成本的5%给你，我把成本降到50%，整个系统里面只降了5%，你省了这5%几乎做不成事，因此材料成本也不算贵。贵在装配、铺层等等，因此分析了成本来源就会想到，为了使复合材料便宜，得往复合材料的设计和制造方向着眼，而不是光想着省材料的钱。

美国在80年代、90年代启动了一系列计划，想降低复合材料应用成本，最终目标是复合材料用量的提高一定是和降低成本联系在一块的。比如，复合材料用量达到60%，成本就要从现有水平下降十分之一的水平，这是美国的目标，这也是同行的参照。

既然从制造、设计上考虑这件事，就要考虑如何来做这件事情。这是当年某型机为减少装配、铺层、紧固件等，必须把11000个金属件减少到450个，600个复合材料零部件减少到200个，13万5千个紧固件减少到6000个，这样才能降低复合材料的成本，特别是零部件的成本。

设计和制造中，本来分离的零件通过装配要整体成型，从结构和材料上怎么走出这一步，怎么实现？又是下一步逻辑关系。所以出现了新的制造技术——复合材料液态成型。我先做一个复杂的纤维预制体，这个纤维体保证强度和刚度，然后通过真空成型方式把树脂吸进去，这有点儿类似铝合金的铸造。

液态成型给制造带来更大的灵活性，更低成本制造，但是它的性能就比不上预浸料复合材料了。又是同样的例子，要平衡复合材料制件的结构性能和可成型性之间的关系。这张图可以作为说明，上面这个线是预浸料复合材料的性能，下面的是液态成型RTM（树脂传递模塑成型）复合材料的性能。到现在为止，全世界RTM复合材料都在追赶，看能不能达到预浸料复合材料的性能，这也是全世界复合材料技术领域共性的奋斗目标。

如果这一步达到了，那又该怎么办。这是EADS（欧洲航空航天公司）的观点。第一步，要提高复合材料的功能性，功能性很重要，我们现在还做不到。我再以某型机为例，那么复杂的一架飞机上，材料清单上只有非常有限的几个牌号的钛合金和复合材料，而中国从汽车到飞机，恐怕每一个装备的材料清单都是非常长的清单。为什么呢？因为我们针对一个目标就选一个材料，还做不到“一材多用”，而先进国家已经做到“一材多用”，并且实现多功能化。

我再举一个例子，大到航空航天、小到大家手上拿的手机，每一个这样的装备里面，都是很多分立元件，比如电源、显示屏、CPU等等，没有办法做到既是电源又是结构，既是显示屏又是天线。但是畅想未来，应该有这样的设计，它既是结构又是器件，比方讲它既是机翼又是天线，既是机翼又是电池，那情况就完全不一样了。这是复合材料下一步的发展方向，功能化和“一材多用”。

“一材多用”里面有个例子就是雷击，复合材料是绝缘的，绝缘就会被雷击，为此，波音B787、空客A350整架飞机外表铺了一层金属网，铜网比碳纤维复合材料差不多增了5倍、7倍。用复材是为了减重，为了防雷击又用金属造成增重，是不是很矛盾？所以面对需求，复合材料能不能轻得像现在的复合材料一样，但同时它的导电性上和铝合金一样？这是下一步结构功能一体化复合材料技术的挑战。

最后一个是绿色化。中国面临着国际上碳排放的限制和挑战，习近平总书记最近宣布中国到2060年将实现碳中和，这是个非常伟大的目标。欧洲航空业也正在朝着这个方向在努力，为了降低二氧化碳、噪声排放等等，以及为了实现整个民用飞机的可循环利用，他们提出一系列的科研发展计划。这也告诉我们，在把高性能做完了，把功能性做完了，下一步，我们航空制造业的任务是实现全寿命周期绿色化和生态环境资源友好化。

说到全寿命周期的绿色化和可持续发展，随着时间的推移，复合材料用量也在增长，碳纤维的需求量也在迅速生长，但是碳纤维复合材料如此的耐久、如此的好，它用完了不能降解怎么办？所以，今后10年、15年之后，大量的飞机上的碳纤维复合材料件淘汰了，可能那个时候就形成了大量的垃圾，它肯定是不会降解的，就是对自然的破坏。

作为中国科学家我们怎么应对复合材料未来的发展？如果一个材料是脆性的，它的断口表面一般都是光滑的。如何提高它的韧性，使得冲击打上去，它不是那么光滑的脆性破坏？大家都知道日常生活中的尼龙搭扣，我们能不能把尼龙搭扣做到复合材料上去？第二个案例，如果你有两个很大的石头，为了不使它分开，就可以在里面嵌入小的元宝石，我做材料的，做这个小的元宝石不容易，但我们可以做成“葡萄串”这样的结构嵌进去。

现实中，我们确实就把尼龙搭扣做到复合材料里面了，使它的韧性性能提高。包括在承受张力以及剪切力时，在实现性能提高方面，效果非常好。这个项目现在我们正在和国外某公司合作，他们提出的要求非常简单：给你一个材料，提高其韧性，我们就是通过“缝”个搭扣进去这种方法，效果非常好。

刚才我讲的第二个技术，能不能把“葡萄串”做进去，大家想，你如果把花生豆种在土里面，你要把它拔出来不容易，于是我们就“栽”进去这样的“葡萄串”，效果也非常好，这也是我们的国际合作。

那么“葡萄串”是怎么实现的呢？实际上我们采用2D打印技术，在碳纤维表面上做了很多文章，这样我们就实现了材料国产化，这个装备也是我们的国际国内知识产权。现在，中国的这个技术得到了国际认可，称为“离位”技术，在这点上，我们应该是跟国际上并驾齐驱。

刚才我讲到了复合材料多功能化和结构一体化，又有一个挑战，能不能做一个复合材料，它的结构性能跟现在的复合材料一样好，而它的导电性跟铝合金一样？一家公司针对这个需求向全世界招标，这是我们做的一个结构导电复合材料，大家知道，要使绝缘材料导电，只有往里面加导电填料，加得越多，导电越好，但加的越多，材料原有的其他优势是否就没有了？我们做到了在导电性大幅提高的同时，而材料韧性不减反升，这两个指标都做到了，这也是我们的国际专利。

还有一个例子，欧洲12家机构参加了一个导电复合材料项目，面对一个共同的挑战性指标，20S/m的导电率，欧洲12家机构都做不到，而我们的指标达到100多，远远超过它，所以中国在这方面是有竞争力的。这个材料在进行雷击实验时，材料表面的颜色稍微变化，但材料基本没有损伤，力学性能基本不下降，建模分析也给出了同样的结果。

还有一个多功能材料的例子，能不能使一个材料刚性非常大，阻尼性能又好？这样的材料自然界是没有的，一说阻尼大家想到的是泡沫、海绵，一讲刚性，大家就可能想到玻璃，既要高刚性，又要高阻尼，怎么来做实现？这只有通过复合材料方法实现，我们也在做这个工作，这个工作一旦有突破，不光是飞机，高铁、汽车都会减震降噪，这是一个共性问题，也是我们挑战的工作方向。