碳纤维材料应用在航空航天上已经有些年头了，但是国产碳纤维在此领域的开发还处在落后的境况。前几天空客天津完成首架空客A350的飞机在华交付工作，此次为A350-900型号，不知道我们的国产大飞机C919今年什么时候能完成第一架的正式交付工作。
 
从天津新空客A350，看国产大飞机用碳纤维困局
 
    空客A350飞机中的碳纤维材料应用进程
 
    空客A350飞机拥有最新的气动设计，机身和机翼采用碳纤维复合材料制造，动力源于罗尔斯-罗伊斯公司生产的最新高效的发动机。A350飞机主要应用先进材料包括碳纤维复合材料（53%）、铝合金（19%）、钛合金（14%）等，与之相比，目前国产C919飞机中碳纤维复合材料、铝合金、钛合金应用比例分别为12%、70%、9%，其中在碳纤维复合材料应用上与A350差距显著。
 
    其实在2005年A350飞机设计之初，碳纤维复合材料、铝合金（含铝锂合金）、钛合金应用比例分别为40%、31%、9%，为了实现飞机进一步轻量化，在最终定型设计中，金属钢、铝合金用量进一步下降，而碳纤维复合材料和钛合金比例增加。
 
    关于碳纤维复合材料在飞机中大量应用，空客公司也是经历了一个逐渐认知的过程，随着空客飞机中碳纤维复合材料应用比例逐渐提高，而碳纤维复合材料应用又为空客公司积累的丰富的经验。
 
从天津新空客A350，看国产大飞机用碳纤维困局
 
    国产大飞机预计今年交付，国产碳纤维拖慢进度
 
    2021年，中国国产大飞机C919取得适航证后将交付航空公司。不出意外的话，首架C919应该交付给中国东方航空。东航于2010年签署了20架C919采购意向；2016年11月1日，在第十一届中国国际航空航天博览会上，东航与中国商飞签署合作框架协议，成为C919大型客机的全球首家用户；2019年8月30日，东航又与中国商飞在北京签订《ARJ21-700飞机买卖协议》。国产大飞机C919终于交付的时间终于开始倒计时了，为什么会这么晚？其中跟国产碳纤维技术有一定关系。
 
    1、整体成型工艺不成熟
 
    目前的碳纤维飞机零部件主要采用热压罐工艺，这种工艺比较适宜于制造尺寸较小、结构简单的零部件，但对于尺寸较大、结构复杂的整体成型零部件，生产模具的设计与制造则很难满足相应的水平要求。实际生产应用中，大体积整体成型的碳纤维复合材料制件还无法做到在主承载力结构中的大规模化应用，囿于整体成型技术的应用水平，目前的大体积碳纤维机体零部件的出品批次质量不稳定，废品率高，从而使整体成本上升，严重影响到碳纤维复合材料在需求量最高的商用飞机中的应用程度。
 
从天津新空客A350，看国产大飞机用碳纤维困局
 
    2、自动铺丝技术尚未普及
 
    与一般的碳纤维复合材料成型技术相比，自动铺丝技术可以实现每一根丝束的独立夹紧、切断和重送，甚至是每个丝束都能有各自的铺放速度，并根据构件形状自动切纱以适应边界，减小废料率，并通过局部加厚、加筋、开口铺层补强等方式满足多种设计要求，适应大曲率复杂构件的自动化成型，特别适合带窗口的机身段、机翼大梁及带凹凸面的翼面铺放。但是国内在该方面的技术起步很晚，国内的高性能、复杂曲面的碳纤维复合材料构件基本上仍以手工铺叠为主，自动铺丝技术只在大飞机项目中的极少部位如碳纤维复合材料翼梁中得到使用，至于自动铺放设备的研制和实际应用基本上还还处于刚起步的阶段，这种状况极大地制约了碳纤维复合材料结构件在航空领域的大规模应用。
 
    3、应用功效受全局优化的制约
 
    整个飞机的设计相当的复杂，从系统工程的角度说，当多个系统和设备组合在一起时，必然会产生相互的影响和干涉，而机体特殊的运行环境，更是放大了这种影响和干涉的程度。因此，独立评价中碳纤维复合材料的轻量化效果虽然明显，但是碳纤维复合材料零部件在飞机中的使用不是简单的替换，这种轻量化的结果必须是建立在整体优化的基础之上的，经过整体优化后的碳纤维复合材料的轻量化效果就会受到打折。因为，任何一个微小零部件形状或者重量的改变都会对整个飞机的力矩平衡和多项参数造成影响，所有配重都有可能需要推翻重来。
 
    国产碳纤维的困局影响得不仅仅是国产大飞机的交付进度，同样影响了涉及碳纤维的多个行业领域，好在国家对此极度重视，从“十五”规划就已经开始布局，今年多个大型碳纤维项目正式上马，相信随着巨量资金和人力的投入，碳纤维技术我们一定能够攻克，并领先全球。
 
    文章转载说明：本文由智上新材料编辑整理发布，版权所有，未经允许不得转载。