民机上的先进复合材料及其适航审定袁宇慧中航第一飞机设计研究院上海分院，200232 摘要本文介绍了先进复合材料在民用飞机上的发展和应用，以及复合材料结构的适航审定。
先进复合材料具有较高的比强度比模量、质量轻、抗腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成型等优点,其在飞机上的应用及其用量多少已成为衡量民用飞机技术先进性的重要标志之一。
民用飞机复合材料可分为两大类：结构用复合材料和舱内材料。
半个世纪以来，复合材料在民用飞机上的发展迅速，用量从二十世纪六、七十年代的1～3％发展到如今的50％，用途已从小型、简单的次承力构件发展到大型、复杂的主承力构件。
国内首架拥有自主知识产权的支线客机ARJ21飞机只采用了部分复合材料结构，用量仅占结构重量的3%。
复合材料在国内民机上的扩大应用受到诸多因素的限制，主要有：材料采购成本高，能成熟应用的复合材料种类单一，复合材料的工艺技术水平落后等。
目前国际上普遍采用¡积木式方法¡来进行复合材料的设计和适航审定。
¡积木式方法¡是将复合材料结构发展研制过程中的试验验证环节分成5级：试样试验、元件试验、次组合件试验、组合件试验、全尺寸试验。
每个级别的验证试验都应处于适航监控之下。
对于新材料，试验应至少包括试样试验、元件试验、次组合件试验、组合件试验。
已成熟应用的复合材料，可采用等效性试验的方法，来寻求替代的材料体系和/或材料供应商，以降低试验成本。
关键词：民用飞机先进复合材料适航审定Advanced Composite Materials (ACM) in Civil Aircraftand its AirworthinessAbstractThe development and application of ACM in civil aircraft were introduced in this article. The airworthiness of composite structure was introduced, too. Advanced composite material has a series of favorable characters such as high strength-to-weight, high module-to-weight, corrosion resistant, lightweight etc. The application of ACM in civil aircrafts is structure composites and other composites. The application of ACM in civil aircrafts is developed very quickly recently. The usage of ACM just was 1~3% in 1960s.T oday, the usage is 50%. The application is changed from small, simple structures to huge, complex supporting structures. The application of ACM in ARJ21 is only 3%, limited by the high material cost, the low process level.The Building Block Approach is used to design composite structures and its airworthiness. The tests during composite structures¡ research are divided to 5 parts: coupon, element, detail, subcomponent and component. All tests should be done under the monitoring of CAA. For new materials, the tests should include coupon, element,detail, and subcomponent tests at least. Alternate material equivalence test should be done to qualify an alternate system and/or supplier, when one composite material system from a single supplier has been qualified.Key words: Civil aircraft Advanced Composite Materials Airworthiness前言材料、能源和信息技术是现代文明进步的三大支柱。
近年来，随着科学技术的不断进步，材料技术得到飞速发展，其中尤以先进复合材料的发展最为突出。
先进复合材料(ACM)专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料，目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、芳纶等增强的复合材料。
[1]ACM除具有较高的比强度、比模量外，还具有质量轻、延展性好、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温、可设计性强、便于大面积整体成型等优点。
在飞机上采用先进复合材料可以大幅度减轻机体结构质量、改善气动弹性，提高飞机的综合性能，因此先进复合材料在军用和民用飞机上的应用不断得到扩大。
[2]在材料应用方面，军用飞机主要强调质量的减小和作战性能的提高，因此先进复合材料在军机上的用量大而且进展很快。
[3]某些正在研制中的新型战斗机上应用的先进复合材料甚至已占结构总重量的50～60％。
而民用飞机作为以载客飞行和运营为目的的交通工具，更重视成本的下降和经济效益的提高。
与军用飞机相比，民用飞机对飞机结构及零部件的可靠性要求更为严格，特别强调经济性，舒适性、便利性、环保性以及长寿命等。
因此，先进复合材料在民机上的应用数量相对较少。
但是，在民用飞机上采用先进复合材料以及先进复合材料用量多少目前已成为衡量民用飞机是否具有技术先进性的重要标志之一。
[4]一、国外民机先进复合材料的发展及应用现状民用飞机复合材料可分为两大类：一为结构用复合材料，二为舱内材料。
在结构上，先进复合材料主要应用在飞机方向舵、升降舵、襟翼、副翼、扰流板、蒙皮、压力舱尾翼、整流罩、天线罩、短舱和地板梁等构件，[5]如图1所示。
图1 民用飞机复合材料的典型使用部位从民用飞机发展来看，美国波音公司第一代民用客机B707上没有采用复合材料，其用量为零。
二十世纪六、七十年代先进复合材料在民用飞机上的用量还只有1～3％，如DC-9、DC-10、MD-80和L101-1等客机上先进复合材料的用量还只有1％左右，B747飞机的先进复合材料的用量在当时处于较高水平，也仅有2～3％。
二十世纪八十年代民用飞机先进复合材料的用量有所提高，波音公司B757飞机上先进复合材料的用量为3～4％，B767则达到4～5％。
欧洲空中客车公司的先进复合材料的用量比美国波音公司的高，A300-600达5～6％、A310接近l0％，而A320则超过了l0％。
到二十世纪九十年代欧洲空中客车公司A321、A330和A340等飞机上先进复合材料的用量都增长到13～15％，A322则在15～16％。
波音公司的B777为10～11％。
欧洲空中客车公司大型客机A380上先进复合材料的用量在25％左右。
而波音公司最新型的B787梦想飞机上所用的材料，铝合金仅占20％，而先进复合材料的用量则高达50％。
图2为国外民机复合材料的应用发展趋势。
图2 复合材料在民用飞机上的应用增长趋势国外民用飞机的发展表明：随航空技术的发展，先进复合材料的用量比例在不断增长，用途已从小型、简单的次承力构件发展到大型、复杂的主承力构件。
复合材料在民用飞机上的用量取决于复合材料的结构设计与分析技术、商品化复合材料的性能，以及成形工艺的技术水平（包括试验和无损检测的水平）。
A380飞机复合材料构件的尺寸与其他同类飞机相比，无论长度或厚度都超过1倍，除了采用常规的手工铺层／热压罐工艺外，还采用了一系列复合材料先进制备技术，包括：先进纤维铺放技术(AFP) 、预浸带自动铺层技术(ATL)、树脂膜浸渗技术(RFI)、树脂传递模技术(RTM )、拉挤(Pultrusion)和热塑性树脂成型／焊接技术等等。
[5]二、国内民机复合材料的应用现状经过多年的努力，国内复合材料的设计能力、试验验证手段、制造工艺水平、维修能力取得很大发展。
军用飞机上大量采用了复合材料结构，民用飞机复合材料的结构设计、制造也进行了探索和实践。
在国内飞机复合材料结构设计现状的基础上，国内首架拥有自主知识产权的支线客机ARJ21飞机采用了部分复合材料结构。
ARJ21飞机复合材料结构的应用部位主要有垂尾方向舵、翼身整流罩、翼稍小翼、雷达罩、客货舱地板等结构。
采用两类复合材料，碳纤维/环氧树脂和玻璃纤维/环氧树脂。
选用的预浸料为碳纤维/环氧预浸料（包括碳纤维单向带和织物）、玻璃纤维布/环氧预浸料。
用于民机上的复合材料预浸料，必须严格符合经适航批准的材料技术条件。
ARJ21飞机对碳纤维/环氧预浸料和玻璃纤维/环氧预浸料分别建立了材料规范，对预浸料的各项性能提出了明确的要求。
以碳纤维/环氧树脂预浸料为例，规定的性能包括预浸料物理和化学性能、层板物理性能、层板力学性能、夹层结构板的力学性能。
具体如下：a). 预浸料的物理性能：树脂含量、挥发物含量、树脂流动性、纤维单位面积重量；b). 预浸料的化学性能未固化树脂的化学结构、树脂成分分析；c). 层压板/夹层结构板的物理性能单层厚度、内部孔隙率；层压板/夹层结构板耐环境性：包括异丙醇、甲乙酮、喷气燃油、防冻液、液压油等。
d). 层压板力学性能拉伸强度和模量以及拉伸应变、压缩强度和模量、层间断裂韧性G IC、开孔拉伸强度、开孔压缩强度；e). 夹层板力学性能长梁弯曲强度、P/Y值、平面拉伸强度。
其中一些关键力学性能的指标考虑了服役中预期的环境条件（温度和湿度的影响），即规定了不同测试条件下的数值。
例如，层压板拉伸极限强度的测试条件为：-75℉、75℉、200℉、200℉（湿态）、240℉（湿态）、270℉（湿态）。
材料规范对预浸料的贮藏时间进行了严格的规定：贮存在10℉（-12.2℃）或更低温度以下的防潮密封容器内，从装运之日起180天。