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复合材料占比11.5%!C919撬动的“万亿元市场”是否有你一席之地?
中国纺织网
2023/5/31
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  作为“现代工业皇冠上的明珠”的大飞机项目,是一个国家科技水平、制造能力、经济基础和综合国力的集中体现,是衡量一国制造业先进水平的制高点。

  5月28日12点31分,中国东方航空MU9191航班顺利抵达北京首都国际机场,之后穿过了象征民航最高礼仪的“水门”。国产大型客机C919全球首次商业载客飞行成功。

  作为我国首次按照国际通行适航标准自行研制、具有自主知识产权的喷气式干线客机,“大国重器”C919上都有哪些高科技?有哪些新材料?

  先进材料加持,C919整体减重7%左右

  一直以来,航空发展就流传着“一代飞机,一代材料”的说法,形象地概括了采用高性能新材料与提高飞机性能之间的密切联系。研究报告显示,C919所使用的主要材料中,铝合金占比达到65%,钛合金占比9.3%,超高强度钢占比6.9%,复合材料占比11.5%。

  根据介绍,由于大规模采用先进材料,C919整体减重7%左右。对于国产客机的研制,关键之一就是要提高先进材料的应用水平,而复合材料用量是判断民用客机先进性的重要标志。因此,C919被认为“在我国材料领域具有里程碑式的意义”。

  1、第三代铝锂合金

  铝锂合金具有密度低、强度高且损伤容限性优良等特点,用它替代常规铝合金材料,能够使飞机构件的密度降低3%,重量减少10%-15%,刚度提高15%-20%,因此被认为是新一代飞机较为理想的结构材料。

  C919大型客机的结构设计完全由中国商飞自主完成,并实现生产制造全国产化。在机体主结构上,设计人员大量使用了世界先进的第三代铝锂合金材料,这在国内尚属首次,大大带动了国内航空材料和制造的发展。

  2、T800级碳纤维复合材料

  C919大型客机是国内首个使用T800级高强碳纤维复合材料的民机型号。相比T300级材料,T800级材料强度、模量更高,韧性更强,具备更好的抗冲击性,C919上受力较大的部件,如后机身和平垂尾等都使用了T800级碳纤维复合材料。

  T300属于第一代民机复合材料,其树脂基体为未增韧的脆性环氧树脂基体,增强纤维为T300碳纤维,其拉伸强度约为3.5GPa,拉伸模量约为230GPa。T300呈现脆性材料性能特征,对冲击载荷引起的分层损伤比较敏感,因此只能用于受力不大的次承力结构。C919上使用的T800材料采用增韧环氧树脂基体,增强纤维为T800碳纤维,拉伸强度和拉伸模量较T300提高50%左右,也是目前国际上民机主承力结构应用最为广泛的复合材料。

  3、玻璃纤维复合材料

  相比碳纤维复合材料,玻璃纤维复合材料的力学性能稍低,但由于碳纤维介电常数较高,会影响雷达工作,C919大型客机的雷达罩使用了玻璃纤维复合材料。此外,一些受力较小的部件,如襟翼也使用了玻璃纤维复合材料。因为玻璃纤维复合材料成本比碳纤维复合材料低,在受力较小的部件上应用,既可以达到设计要求,又可以降低制造成本。

  4、芳纶蜂窝材料

  C919大型客机舱门和客货舱地板使用了芳纶蜂窝材料,这是一种采用酚醛树脂浸渍的芳纶纸制成的轻质高强非金属仿生芯材制品。它模仿蜜蜂的蜂巢设计,具有稳定、轻质的结构和很高的比强度,与泡沫芯材相比,它具有更高的剪切强度,与金属蜂窝相比,它更加耐腐蚀。

  同时,芳纶蜂窝材料还具有高韧性、良好的抗疲劳性能和防火性能,是一种比较理想的民机复合材料。

  5、碳纤维复材及陶瓷基复材

  航空发动机作为“航空之花”,可以说是航空技术和工业积累的完整体验。C919的发动机为LEAP-X1C发动机。它采用了18片赛峰公司研制的碳纤维复合材料风扇叶片以及美国通用电气公司研制的陶瓷基复合材料涡轮部件。

  6、芳砜纶纤维

  芳砜纶简称PSA纤维,由聚砜酰胺组成。其主要特点是优良的电绝缘性和耐热性,此外,阻燃性高,极限氧指数超过30%,耐化学稳定性好,除了几种极性很强的溶剂和浓硫酸之外,在常温下对化学品均具有良好的稳定性。芳砜纶不仅可以制作多种耐高温滤材和高温高压电器中的绝缘材料,而且还可加工成运输工具中的高级阻燃织物等。

  据悉,C919机舱内部首次启用芳砜纶纤维制作椅罩、门帘,将使得飞机减重30公斤以上,每架飞机能够节省超万元成本。

  7、橡胶化合物

  其实飞机轮胎所使用的材料与汽车轮胎基本相同,主要区别则来自飞机轮胎采用了更高强度的橡胶化合物,以至于飞机轮胎能被充气到200磅/平方英寸的气压,这相当于汽车轮胎气压的6倍,C919使用的就是来自米其林的Air X子午线轮胎。

  据了解,C919大型客机在中央翼、机翼、机身等主承力部段上使用了经ARJ21飞机成功验证的铝合金等成熟材料,在尾翼、后机身和襟缝翼等部位使用了复合材料,在尾翼盒段和后机身前段上使用了国外先进的第三代中模高强碳纤维复合材料,在机身蒙皮和长桁结构中使用了第三代铝锂合金。

  其中,铝合金国内供应商主要为中国铝业、南山铝业;钛合金产品主要供应商有宝钛股份、西部超导、西部材料;高强度钢供应商以宝钢股份、抚顺特钢为代表;复合材料供应商主要为中航高科、中复神鹰、光威复材、恒神股份、楚江新材。

  从0到1,撬动产业链万亿市场

  C919商业首航圆满成功,标志着国产大飞机从0到1的历史性突破。据上海市科委发布的《2022上海科技进步报告》显示,截至2022年底,C919累计获得32家客户、1035架订单。2023年4月27日,海航航空集团与中国商飞公司在上海签署百架飞机采购协议,其中包括60架C919飞机确认订单。

  C919投入运营也将在一定程度上拉动飞机相关产业链的发展。同济大学航空与力学学院教授、博士生导师沈海军认为,C919投入运营后,主要受益对象为原材料生产商、机体制造企业、零部件生产企业、机载系统相关企业。

  目前,C919所有材料和标准件均满足适航审定要求,获得的大量有效数据不仅建立了复合材料规范体系和设计许用值、第三代铝锂合金材料规范体系和制造工艺规范体系,也为将来先进材料在国内民机产业的广泛使用奠定了坚实基础。

  随着国内航空产业技术水平不断提升,大飞机的国产化水平将持续提升,大飞机产业链带动制造业水平整体向高端化奋进,其高附加值的特性会慢慢展现。围绕C919的商用及量产,大飞机产业链整体孕育万亿元空间。

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