鋁基復(fù)合材料在中國自主制造的飛機中的應(yīng)用
航空航天領(lǐng)域先進復(fù)合材料的應(yīng)用及其加工水平是一個國家綜合實力和科技水平高低的體現(xiàn)。鋁基復(fù)合材料在中國自主制造的飛機中已獲得較為廣泛的應(yīng)用，為飛行器質(zhì)量的減輕與性能的提高作出了應(yīng)有的貢獻，現(xiàn)舉幾起應(yīng)用實例如下：
CR929寬體客機復(fù)合材料前機身全尺寸筒段下線
CR929遠程寬體客機是中俄聯(lián)合研制的雙通道民用飛機。據(jù)中國商用飛機有限公司發(fā)布的官方公告稱，2018年12月26日，CR929項目復(fù)合材料15m×6m前機身攻關(guān)全尺寸簡段順利下線，這是又一次突破性進展，是繼11月6日CR929寬體客機首次亮相中國珠海航展之后又一階段性成果，標志著CR929項目復(fù)合材料結(jié)構(gòu)向前邁出了重要一步。
這次下線的鋁基復(fù)合材料機身筒段長15m、直徑6m，環(huán)向壁板分為4塊，由縱縫拼接而成，單塊最大壁板長15m，弧長約6m，最大框弧長約6m。機身段結(jié)構(gòu)由壁板、框、長桁、客貨艙門框、旅客觀察窗、客貨艙地板等組成，壁板、框等零件尺寸大、整體化程度高、制造難度大。
2017年5月22日，中俄遠程寬體客機研制項目合資公司——中俄國際商用飛機有限責任公司在中國商飛公司正式掛牌成立，中國商用飛機有限責任公司董事長金壯龍在掛牌儀式上說：“合資公司的掛牌標志著中俄遠程寬體客機項目取得重要進展。我們將按照最新國際主流適航標準，推出更有競爭力的遠程寬體客機，努力為客戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，為世界航空市場作出新的貢獻。”
俄羅斯聯(lián)合航空制造集團總裁尤里·斯柳薩里說：“合資公司的成立使該項目邁出了重要的務(wù)實的一步，是俄中雙方?jīng)Q心長期合作，力求取得項目成功的見證?！倍矸奖硎荆媱?023年首飛，預(yù)計2026年左右可完成認證和首次交付。
在中俄國際商用飛機有限責任公司中，中俄雙方各占50%股份。此項目將一直持續(xù)到2045年，在此期間計劃出售約800架。波音和空中客車的俄中競爭對手被命名為CR929，字母C和R分別代表中國和俄羅斯，但中國在這個名稱中所占的份量更重些，因為中國將消化大多數(shù)所產(chǎn)的飛機。9在中國文化中有永久之意，2是項目的實際編號。
CR929遠程干線寬體客機的LOGO為一對機翼圖案，代表精誠合作，兩翼齊飛，紅色機翼代表中國，藍色機翼代表俄羅斯。280座基本型CR929飛機的售價為1.135億美元~1.178億美元。與之相比的，波音B787-8的2.22億美元，B787-9的為2.64億美元，B787-10的為3億美元。由此可見，中俄飛機的價格約比美國的便宜50%，不但俄羅斯和中國民航公司可以節(jié)約大量購置飛機資金，而且在國際市場上也應(yīng)當有很強的競爭力。
CR929的可行性研究早已完成，初步設(shè)計也于2018年接近尾聲，已進入征詢系統(tǒng)和設(shè)備供應(yīng)商意見。
法國希望參與中俄CR929大飛機項目，法國民航總局國際合作司司長貝特朗·德拉軋于2018年12月17日在俄法經(jīng)濟財政與工商業(yè)委員會第24次會議期間向塔斯社表示，法國希望參與俄中合建遠程寬體客機CR929的建造。他說：“法國對與俄中一同參與飛機制造項目很感興趣，在2018年11月舉行的珠海航展上向中國伙伴表明了意向。中方伙伴同樣對法國企業(yè)參與這一項目表現(xiàn)出了很大興趣。
中俄國際商用飛機有限責任公司表示，目前是為CR929選擇供應(yīng)商的階段?，F(xiàn)在準備參與招標的法國企業(yè)有：生產(chǎn)航空電子設(shè)備的卓達宇航集團、為機載設(shè)備研發(fā)信息系統(tǒng)的泰雷茲公司、生產(chǎn)航空發(fā)動機的賽峰集團等。
根據(jù)初步設(shè)計，CR929大飛機有三種型號：包含三級客艙的基本型CR929-600，可容納280名乘客，航程12000km；加長型CR929-700；縮短型CR929-500。
C919飛機上復(fù)合材料的應(yīng)用
研制和發(fā)展大型民機，是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006~2020年）》確定的重大科技專項，也是幾代中國人的夢想，特別是大型客機研發(fā)和制造能力是一個國家航空水平的重要標志，也是一個國家整體實力的重要標志。
材料是一切制造的基礎(chǔ)，沒有材料就沒有制造業(yè)，C919大飛機是中國有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，但在到2018年年底為止制造的6架試驗、試飛的飛機中，首架原型機用的原材料幾乎全是進口的，在C919飛機的凈質(zhì)量中，鋁合金零部件質(zhì)量約占65%。對民機用的材料有三個基本要求，用其制造的零部件應(yīng)有長的使用壽命、高的可靠性、合理的價格。但是總體上航空航天鋁材基本上中國都能生產(chǎn)，盡管質(zhì)量還不盡人意，但在價格上還高于進口的，例如鋁材約比美國和德國的貴一倍，鋁基復(fù)合材料約比美國及日本的貴4倍，鈦材比美國及日本的高40%左右。
據(jù)飛機制造部門稱，材料采購及零部件加工成本約占整個飛機造價的20%~30%，因此材料的經(jīng)濟性是飛機制造公司的重要原則之一。同時，材料的統(tǒng)計性能水平（飛機設(shè)計中的“材料許用值”）也是能否裝機的決定性因素。材料性能的穩(wěn)定性和不斷降低成本是材料企業(yè)的關(guān)注重點，而產(chǎn)品生產(chǎn)過程的控制能力也是航空材料生產(chǎn)企業(yè)能否實現(xiàn)上述兩個指標的核心。對航空航天鋁材來說，即使能生產(chǎn)出一種好材料；但是如果不能很好地做到過程控制和性能波動控制，那么材料也不能用到民用飛機上。
C919大飛機用的復(fù)合材料有碳纖維增強的鋁基材料與環(huán)氧樹脂基材料。原型試飛驗證機用的這些材料都是進口的：
“愿景”第二代機身鋁基復(fù)合材料打造
“愿景”噴氣客機是中國航空工業(yè)西銳公司生產(chǎn)的一種小型民機，在同類機中，它的機艙是最大的，機身是用鋁基復(fù)合材料打造的，為機艙創(chuàng)造了寬敞的空間，更有意想不到的頭部和肩部空間，精心設(shè)計的噪聲降低設(shè)計為飛行帶來了更舒適的體驗。純手工打造的高級座椅，全景窗機艙設(shè)計等為每個乘客提供了一種沉浸式體驗。客艙內(nèi)設(shè)有USB電源端口、110V電源插頭、杯托和儲物袋，后部空氣控制系統(tǒng)可供乘客在整個飛行過程中自行調(diào)節(jié)。
機內(nèi)的娛樂系統(tǒng)可以輕松地連接到個人設(shè)備，為每個人創(chuàng)造了一個高效的工作空間或輕松的觀影體驗。每個客艙座椅都是模塊化的，很容易拆卸，提供了28種可能的座椅配置方案。獨特的客艙設(shè)計符合人體工程學(xué)，為方便進出，入口是傾斜式的。
第二代“愿景”噴氣機的行李艙加大了，可存放滑雪板、高爾夫球桿或其他大的物品。它的飛行高度9450m，航程2222.4km。2018年10月12日，西銳SR20-2240飛機在珠海機場完成兩次完美起飛，標志著西銳PC項目首架取證飛機取得首飛成功。
中國航空工業(yè)西銳公司是一家在美國注冊的公司，但是中國航空工業(yè)通飛所控股的，至2018年6月已向客戶交付了第7000架全新的飛機。這是繼西銳SR系列機型連續(xù)16年穩(wěn)居全球最暢銷四五座飛機榜之后，西銳公司所取得的又一成就。
美國當?shù)貢r間2018年4月4日，美國國家航空協(xié)會宣布：由中國航空工業(yè)控股的美國西銳飛機公司“愿景”SF50飛機獲得2017年度“羅伯特·科利爾獎”。獲獎理由是：世界首款帶整機降落傘的單發(fā)私人噴氣飛機。
黑匣子殼體碳基復(fù)合材料制造
在飛機上，黑匣子起著非常重要的作用，它記錄著航空器的一切飛行數(shù)據(jù)，但它又要很結(jié)實，一旦飛機失事仍能完全保存所記錄的數(shù)據(jù)，這對分析事故原因起著不可估量的作用，復(fù)合材料是制造這種殼體不可多得材料；另外，復(fù)合材料也是制造航空器剎車副的寶貴材料之一。
中國中航飛機股份有限公司西安制動分公司、航空工業(yè)西安航空制造科技有限公司與中科院聯(lián)合研制的新性能耐高溫、抗沖擊、耐腐蝕碳基復(fù)合材料成功應(yīng)用于飛機“黑匣子”殼體，填補了國內(nèi)空白；它們研制的新型復(fù)合材料剎車副榮獲咸陽市高新區(qū)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎。
中國首款全鋁基復(fù)合材料無人機
中國已躋身全球最大的無人機制造大國與強國之一，用于制造的材料各種各樣，當然用的最多的與最重要的結(jié)構(gòu)材料是鋁材與鋁基復(fù)合材料。中航（成都）無人機系統(tǒng)股份有限公司制造的中國首款全鋁基復(fù)合材料多用途無人機“翼龍”I-D無人機2018年12月23日在西部一機場成功首飛，是航空工業(yè)“翼龍”家族無人機系列化發(fā)展的重要里程碑。
2018年12月25日，全部機制體制運營的中航（成都）無人機系統(tǒng)股份有限公司在成都市揭牌成立，做強做大中國無人機產(chǎn)業(yè)，努力打造國內(nèi)領(lǐng)先、世界一流的高端無人機制造出口基地，向加快新時代航空強國建設(shè)邁出了實質(zhì)性一步。同日，中國航空工業(yè)第100架“翼龍”系列無人機在成都通過全部驗收，即將交付海外用戶，創(chuàng)下了中國無人機出口的新紀錄，也是中國有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“翼龍”系列無人機發(fā)展道路上一塊新里程碑。
每架無人機用的復(fù)合材料雖不多，但無人機的數(shù)量大，截至2018年底，全國無人機制造企業(yè)超11家，獲無人經(jīng)營許可證企業(yè)超4000家，注冊無人機數(shù)量達27萬架，無人機經(jīng)營性飛行活動370kh。今后會以更快的速度增長，如果制造的無人機有10%用復(fù)合材料制造，那么復(fù)合材料的用量就會是一個不小的數(shù)字。
鋁基復(fù)合材料在航天器等上的應(yīng)用
大家知道，航天器零部件對材料的要求極為苛刻，既要求其密度盡量低些，又要求有優(yōu)秀的綜合性能，諸如具備抗疲勞、耐磨、高導(dǎo)熱、低熱膨脹和輻射屏蔽等優(yōu)點，在現(xiàn)行的材料中，碳纖維或石墨烯增強的鋁基復(fù)合材料成為首選的材料。能否為航空航天、電子封裝、核電、汽車、軌道交通等產(chǎn)業(yè)提供所需的關(guān)鍵材料，成為一個國家是否強大與現(xiàn)代化水平高低的主要標志之一。
近5年來，中國科學(xué)院金屬研究所以馬宗義研究員為首的團隊在金屬基特別是鋁基復(fù)合材料攻關(guān)性研發(fā)方面取得了一批開創(chuàng)性的有里程碑意義的成就，先后為遙感、風云、高分、嫦娥、北斗、東風、天宮、龍舟等十幾個關(guān)鍵型號衛(wèi)星提供的復(fù)合材料產(chǎn)品達上百批次、上萬余件，為中國航天事業(yè)發(fā)展與躋身世界先進水平作出了很大貢獻。
馬宗義團隊研發(fā)的鋁基復(fù)合材料已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)近25項，先后制定企業(yè)標準4項，從金屬所走向國內(nèi)航天、核電、航空等領(lǐng)域的“首次”“首件”“首臺”“首套”關(guān)鍵零部件多達七八件。
蜂窩鋁基復(fù)合材料
蜂窩復(fù)合材料的制備難度很大，是一項高新技術(shù)，但其零部件的切削加工與成型是難度更大的技術(shù)。航空航天產(chǎn)業(yè)先進復(fù)合材料的應(yīng)用及其加工工藝是一個國家綜合實力和科技水平高低的體現(xiàn)，蜂窩復(fù)合材料是一種先進的材料，但其致命特點是剛度低，也就是說是一種弱剛度先進材料，還具有不連續(xù)和各向異性明顯的特點，因此采用傳統(tǒng)高速切削工藝加工時，不但效率低，而且質(zhì)量差，無法滿足航空航天產(chǎn)業(yè)等對大型鋁基復(fù)合材料蜂窩芯構(gòu)件高質(zhì)高效的加工，高精度高效率加工工藝技術(shù)和設(shè)備的缺乏已成為制約國內(nèi)先進復(fù)合材料蜂窩芯結(jié)構(gòu)件應(yīng)用的技術(shù)瓶頸之一。
在國家“863”計劃的重點支持下，由中國航空工業(yè)集團南昌飛機公司牽頭，聯(lián)合大連理工大學(xué)、陜西秦川機床有限公司等，合作開展技術(shù)研究，研制成功中國首臺蜂窩芯超聲切削專用機床，開發(fā)出了蜂窩芯超聲切削專用系列化刀具和工藝數(shù)據(jù)庫，形成了具有完全知識產(chǎn)權(quán)的超聲切削體系。
在較大規(guī)模上開展了直升機和大型客機復(fù)合材料蜂窩芯典型工件的超聲加工應(yīng)用驗證，加工質(zhì)量和效率均有很大提高，實現(xiàn)了國內(nèi)超聲切削工藝和裝備在航空航天產(chǎn)業(yè)企業(yè)的應(yīng)用，對促進國內(nèi)先進制造技術(shù)的發(fā)展，推動復(fù)合材料蜂窩芯結(jié)構(gòu)在航空航天、核電等領(lǐng)域的應(yīng)用均具有重要意義。
兼有高強度和模量的碳纖維
現(xiàn)在的碳纖維不可能既有高的抗拉強度又有高的彈性模量，成了當前碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的一大障礙。2018年11月，日本東麗公司（Toray）通過精準控制納米石墨晶體結(jié)構(gòu)，同時將碳纖維抗拉強度和模量提高到一個前所未有的新水平，研制的新型TORAY CAMX碳纖維的抗拉強度比原來的M40J碳纖維的抗拉強度提高30%，彈性模量也同時得到相應(yīng)的提高。東麗公司將新的碳纖維的商品牌號定為MOX。東麗公司還將推出含有TORAY CA MX系列碳纖維預(yù)浸料，因為預(yù)浸料可以保持理想的剛度，同時保有相應(yīng)的強度。這種新碳纖維增強的鋁基復(fù)合材料將是新一代的新材料之一，對減輕航空航天器與交通運輸裝備的質(zhì)量有著重要的意義。
中國碳纖維及復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)
顧名思義，復(fù)合材料是兩種或多種均質(zhì)的單體物質(zhì)混合而成的多相物質(zhì)或材料，它綜合了單體的性能，具有優(yōu)秀的綜合性能，因此獲得了相當廣泛的應(yīng)用，而且應(yīng)用在不斷擴大，不但在航空航天、核電、軍工等領(lǐng)域得到優(yōu)先應(yīng)用，而且正在向汽車、軌道車輛、電子電器等產(chǎn)品領(lǐng)域進軍。
復(fù)合材料的構(gòu)成可分為增強體與基體，基體占質(zhì)量的95%以上，通常增強體僅占百分之幾，在當今全世界用的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，鋁基復(fù)合材料超過75%。按不同的增強體，鋁基復(fù)合材料可分為：纖維增強、顆粒（直徑0.5μm~100μm的粒子）增強、晶須增強、石墨稀增強的。常用的增強粒子：SiC、Si3N4、Al2O3、TiC、AlN、B4C、金屬顆粒、石墨稀等。
常用的幾種鋁基復(fù)合材料的制備工藝：粉末冶金法、壓力浸滲工藝、反應(yīng)自生成法、高能高速固結(jié)工藝、半固態(tài)攪拌法、噴射沉積法、攪拌摩擦加工法等等。
中國制造鋁基復(fù)合材料的企業(yè)甚多，截至2018年12月約有35家，其中最主要的：中國科學(xué)院沈陽金屬所、中鋁集團山東分公司、南通民用復(fù)合材料有限公司（生產(chǎn)線）、天津波音復(fù)合材料有限責任公司等等。
中科院金屬研究所
中國科學(xué)院沈陽金屬所是中國當前最大的鋁基（金屬基）復(fù)合材料基地，不但是產(chǎn)業(yè)化基地，而且有馬宗義為首的研發(fā)團隊，人才濟濟，2018年的生產(chǎn)能力約200t/a，產(chǎn)量近100t，成為航空航天、核電等領(lǐng)域多個企業(yè)的主要供貨者，金屬所還致力為金屬復(fù)合材料的更新?lián)Q代積累基礎(chǔ)，實現(xiàn)下一次工程化規(guī)模應(yīng)用的突破，力爭成為中國和世界鋁基復(fù)合材料的領(lǐng)跑者。
金屬所：中國金屬基復(fù)合材料研發(fā)基地。金屬研究所的研發(fā)成果已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)23項，他們研制的低密度、高強度、高彈性模量、高疲勞強度SiC/Al復(fù)合材料是7XXX系高強度鋁合金、鈦合金的良好代用品，可使零件減輕20%~40%，為遙感飛行器、深空探測器等提供了上千件工件，深受用戶歡迎；為多種型號衛(wèi)星提供的高陶瓷含量鋁基復(fù)合材料具有低密度和低熱脹特性，在衛(wèi)星零件制造領(lǐng)域可替代鉬、銅、鈦、因瓦合金（Fe-Ni36），大幅減輕了工件質(zhì)量。
原子能工業(yè)用的中子吸收材料長期依靠進口，制約國產(chǎn)核電裝備的制造與技術(shù)的發(fā)展，金屬所的科學(xué)家突破了B4C/Al復(fù)合材料坯錠工業(yè)化制造技術(shù)與板材軋制工藝，批量生產(chǎn)出性能均一、成材率高、價格合理、有市場競爭力、代替了進口的B4C/Al板材，同時解決了焊接瓶頸。B4C增強的鋁基復(fù)合材料在中國“龍舟CSNC”乏燃料容器中獲得大量應(yīng)用，實現(xiàn)了乏燃料運輸材料的全部國產(chǎn)化，全球首臺中國造的高溫氣冷堆核電站的全部核燃料貯存和容器都是用金屬所的B4C/Al材料打造的。
制造金屬基材料及其零件必須打通三大瓶頸，馬宗義團隊都先后解決了困難重重的難以逾越的難題：
大尺寸坯料制備關(guān)
要生產(chǎn)大尸寸或超大尺寸復(fù)合材料半成品：板材、棒材、型材、管材、鍛件等，首先必須制得大尺寸坯錠，但是在制備大尺寸坯錠時，必須克服成分均勻性、界面反應(yīng)等難駕馭、成本高、周期長的難題。為此，他們研發(fā)出了低成本短流程粉末冶金制備技術(shù)，所制備的壞錠具有組織均勻、致密度高無缺陷、無有害的界面產(chǎn)物，并于2017年制得3.4t的天下第一大錠，為公開報道的美國曾制備的最大的0.45t錠的7.6倍，而且原材料成本下降了50%，制造周期也縮短了一半。
大材料加工成形
鋁基復(fù)合材料都含有脆性陶瓷增強相，制約與抑制金屬基體的塑性成形，變形能力難上加難，為超越這道瓶頸，馬宗義團隊獨創(chuàng)的精密物理仿真多尺度模擬新技術(shù)，順利解決了成形加工過程中缺陷控制與組織性能調(diào)控，建立了大變形比成形加工中、高陶瓷含量復(fù)合材料成形加工，大擠壓比異型材的生產(chǎn)，而且通過組織缺陷控制實現(xiàn)了較大規(guī)格板材的高效軋制、自由鍛件性能的優(yōu)化控制。
焊接關(guān)的攻克
金屬基復(fù)合材料是一種各相性能相差甚大的混合物，傳統(tǒng)的熔焊技術(shù)無法使這種材料獲得合格的高質(zhì)量連接，焊縫中總會產(chǎn)生顆粒偏橋、縮孔、氣孔、有害界面產(chǎn)物；摩擦攪拌焊雖可以獲得優(yōu)質(zhì)的連接焊縫，但焊接頭會很快磨損，沒有經(jīng)濟效益。為了繞過這道瓶頸，他們發(fā)明了一種有自主知識產(chǎn)權(quán)的高度耐磨的高強韌焊接工具，可在寬廣的工藝參數(shù)下施焊，不會磨損，也不會斷裂。他們還用中子衍射法和多尺寸模擬對焊接頭殘余應(yīng)力實現(xiàn)精準模擬，為焊接工藝參數(shù)制定建立了嶄新的依據(jù)。
南通民用復(fù)合材料公司投產(chǎn)
由中航高科與航空工業(yè)復(fù)材合作建設(shè)的民用復(fù)合材料生產(chǎn)線于2019年1月中旬在江蘇省正式投產(chǎn)。它的投產(chǎn)是航空工業(yè)軍民融合戰(zhàn)略實施的重要成果，生產(chǎn)線的技術(shù)水平居國內(nèi)領(lǐng)先地位，主導(dǎo)產(chǎn)品為汽車、軌道交通、通用航空器用的預(yù)浸料產(chǎn)品，有兩個系列產(chǎn)品：高效成型預(yù)浸料和阻燃預(yù)浸料。航空工業(yè)復(fù)材公司研發(fā)的高效成型預(yù)浸料已實現(xiàn)了系列化，并在汽車零部件、電動車車身承力結(jié)構(gòu)部件與無人機槳葉結(jié)構(gòu)上通過了考核驗證和工程應(yīng)用，顯著降低了高性能碳纖維復(fù)合鋁材的成本，大幅度提升了復(fù)合材料的制備效率，實現(xiàn)碳纖維增強鋁合金材料在新能源電動車、汽車及無人機等產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
南通復(fù)合材料項目2017年12月開始建設(shè)，歷經(jīng)15個月的高效建設(shè)，使國內(nèi)領(lǐng)先、成本低、效率高民品復(fù)合材料項目順利投產(chǎn)，意義重大，是軍民融合的碩果。
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