C919复合材料用量才12% 说明我们大飞机技术含量不高？
- 2025-05-12 22:08:44
C919复合材料用量才12% 说明我们大飞机技术含量不高？来源：雪球App，作者： 博研，（https://xueqiu.com/3547335199/59230304）
转载自材料人前天，翘首企盼的大飞机C919终于下线了。或许可以说，今后的民航大飞机即将成为“ABC”格局，想想就很激动呢。此外，对于我等材料人来说，C919还有很多新材料应用亮点，比如第三代铝锂合金、复合材料在基体结构用量达到了8.8%和12%。不过，在这个大好日子（额，好像有点五毛），很多人还是对C919的技术产生了质疑。除了“攒机”之外，复合材料的用量比之A（airbus)、B（boeing)的明星机型要少一大截，似乎差距太大。这些年以来，复合材料在民航飞机的用量窜得很快。C919的复合材料用量算是非常保守了，A（airbus)、B（boeing)都出产了复合材料用量超过50%的民航飞机。比如Airbus的A350xwb，复合材料用量达到53%，被视为开启了碳纤复合材在飞机上应用的新篇章。从下图可以看到，整架飞机几乎被复合材料给占领，有国外媒体形容这种飞机是“飞翔的复合材料“。A350xwb测试机，还曾喷涂了碳纤维放大版的图案。使用轻质高强的碳纤复合材，可以让飞机轻量化，既带来经济效益，同时也降低碳排放，好处多多。但是，问题来了，为什么碳纤复合材的结构用量没有达到100%，还留给了钢、钛、铝锂合金大约50%的份额呢？又或者说，复合材料用量越高越好，技术也越先进？当然不是！深究起来，碳纤复合材虽然的确性能优异，但同样存在短板，并不是能完全替代原有材料。糟糕的抗冲击性能碳纤复合材料的抗拉强度很好，比之钢铁、钛合金、铝合金都要高出一截。但它的层间剪切性能非常糟糕，因为碳纤复合材料的层与层之间的结合力非常弱。下图是碳纤复合材料层剪强度与合金的剪切性能对比（使用的常见品种的中位值）层间性能差带来的后果是遭受冲击载荷之后，层间容易出现破坏，进而向层内扩散，让碳纤复合材料的性能大打折扣。所以，碳纤复合材料耐拉性能优于合金，耐冲击性就差些意思了。而且危害碳纤复合材料并不需要高速冲击，而是遍布制造、搬运、使用、维修过程中的低速冲击。低速冲击破坏的隐藏性也对检测技术是一个挑战，因为它往往是肉眼难以观测到的。即使是碳纤复合材料表面没有痕迹，内部也很有可能产生了大量的裂痕并在层间扩散。即使内部微小的裂痕，也会导致碳纤复合材的承载能力大幅削减，对于构件的失效造成威胁。生活中也有这样的例子，我们拿出一张普通的A4纸，拿着它的两端使劲拉。如果要把它拉断的话，还是要费点劲的。不过，如果你在纸上撕一个非常小的口子，再拉的话就非常轻松了。因此，提高树脂基复合材料的抗冲击性能和检测技术是复合材料中的热门课题，并已经一定程度上得到了解决。耐高温性能碳纤维本身耐高温性能较好，可耐数千度，不过架不住它有一个“猪队友”——树脂。环氧树脂基复合材料通常使用在130度以下，而更耐高温的双马来酰胺树脂复合材料通常使用温度在150-230度之间。所以，飞机上的耐高温结构件这块地盘，树脂基复合材短期内是夺不走了。对了，即使是耐高温的碳纤维在大气环境下也只能耐300-400度，之后就会氧化。耐湿热性能差树脂基复合材料的耐腐蚀性能非常优异，替代钢材可以减少很多防腐蚀工作。不过，树脂基复合材料却容易受湿热环境影响而导致力学性能下降，这种情况称之为湿热老化。这又是为什么呢？问题还是出在树脂基体上。树脂具有一定的极性，在湿热的环境中容易吸入水分。一来水分对基体有塑化和溶胀作用；二来不同水分的树脂基体的热膨胀系数不一样，容易与纤维的热膨胀系数不匹配，如此产生内应力，导致内部出现裂；第三，湿热环境同样会通过水解反应和化学反应等方式使界面产生渗透压，造成界面性能的弱化；而化学降解也会造成基体和纤维性能的下降。所以，对于树脂基复合材料的耐湿热老化，同样也是一个热门研究方向。相比于汽车，航空业对轻量化更积极一些。因为轻量化带给后者的经济效益更直观。因为两者的油耗不在一个级别上。乘用车的百公里油耗在个位数升，即使降低20%也省不了几块钱（轻量化投入却是实实在在的）。而一架747的油耗是百公里每乘客3.1L，按满员的416个座位，747每跑100公里油耗1300L。如果采用轻量化降低油耗20%，就又可以多坐80多位乘客。而且，油耗也对发动机寿命也有很大的影响，那更是一个宝贝疙瘩。正因如此，碳纤维复合材料成为了飞机制造商的“宠儿”。但正如前面所讲述的那样，碳纤维复合材料相比钛合金、铝锂合金、铝合金、高强钢其他轻量化材料有自己的优势，但同样有劣势或者不足，反之亦然。采用更多的复合材料，的确可以达到更好的轻量化效果，但同时也要承担相应的成本和为此带来的风险控制。为了经济效益，飞机制造商也会在材料选择上谨慎对待。所以，大可不必将材料的应用比例将飞机的技术水平对等起来。最后，还是要赞一句：大哉C919！相关上市公司：$中航飞机(SZ000768)$ $中航动力(SH600893)$ $成发科技(SH600391)$ $洪都航空(SH600316)$ $钢研高纳(SZ300034)$ $博云新材(SZ002297)$ $博威合金(SH601137)$ $宝钛股份(SH600456)$ $西部材料(SZ002149)$ $炼石有色(SZ000697)$
