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碳纖維復合材料

目前，民用飛機上使用的復合材料主要是碳纖維增強樹脂基復合材料，它具有比強度高、比模量高、抗疲勞性優(yōu)良、耐腐蝕等優(yōu)點。這種材料比鋁更輕，比鋼更硬，其密度是鐵的1/4，強度卻是鐵的10倍，化學組成非常穩(wěn)定，不僅有助于減輕飛機重量，還能提高飛機的總體性能。因此，在波音和空客近年來推出的一些新機型中，復合材料的用量逐漸增大。

考慮到在90000次起降的設計壽命周期里，C919要經(jīng)受許多由溫差帶來的對飛機機體結構“冷凍熱蒸的考驗”，其機體結構材料的抗腐蝕、抗疲勞性能顯得格外重要。鑒于復合材料的上述優(yōu)點，中國商飛在C919的設計中也選用了復合材料。其應用范圍涵蓋方向舵等次承力結構和飛機平尾等主承力結構，主要包括雷達罩、機翼前后緣、活動翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后機身、尾翼等部件，用量達到機體結構重量的11.5%。其中，尾翼主盒段和后機身前段使用了先進的第三代中模高強碳纖維復合材料，主承力結構、高溫區(qū)、增壓區(qū)使用復合材料在國內(nèi)民用飛機研制中也屬首次。更重要的是，通過大量的驗證試驗，中國商飛初步建立了具有自主知識產(chǎn)權的先進材料和特種材料規(guī)范體系、設計許用值體系和制造工藝規(guī)范體系，實現(xiàn)了高標準的生產(chǎn)過程控制。

此外，在復合材料使用上，中國商飛公司通過與高校開展合作，開辟了一條產(chǎn)學研相結合的道路。例如，大連理工大學運載工程與力學學部承擔了C919飛機尾翼、中央復合材料壁板等多個部位的試驗項目。針對C919飛機對于大型復合材料構件試驗需求，大連理工大學進行了大噸位大尺寸加載系統(tǒng)、承力系統(tǒng)和電測系統(tǒng)建設，開展材料級、結構級、部件級三級的大飛機復合材料結構破壞機理研究，開發(fā)數(shù)值分析模型和軟件，指導、校正實際試驗，形成飛機典型復合材料結構破壞行為數(shù)據(jù)庫。為保證從復合材料壁板各環(huán)節(jié)處獲得準確的試驗數(shù)據(jù)，及時處理意外情況，研發(fā)團隊對飛機壁板上使用復合材料后特別需要注意的部位貼上了大量應變片，實時采集相關數(shù)據(jù)。通常情況下，一塊大型壁板就需要300～400個通道數(shù)據(jù)。在C919項目中，大連理工大學研制團隊共測試了60多塊壁板，大量的試驗數(shù)據(jù)保證了C919飛機所用材料的可靠性。
 

第三代鋁鋰合金

鋁鋰合金具有密度低、強度高且損傷容限性優(yōu)良等特點，用它替代常規(guī)鋁合金材料，能夠使飛機構件的密度降低3%，重量減少10%～15%，剛度提高 15%～20%，因此被認為是新一代飛機較為理想的結構材料。

C919大型客機采用的是第三代鋁鋰合金，該材料解決了第二代鋁鋰合金的各向異性問題，材料的屈服強度也提高了40%。C919飛機的機身蒙皮、長桁、地板梁、座椅滑軌、邊界梁、客艙地板支撐立柱等部件都使用了第三代鋁鋰合金，其機體結構重量占比達到7.4%，獲得綜合減重7%的收益。

C919大型客機前機身大部段首次采用第三代鋁鋰合金材料，作為前機身供應商的中航工業(yè)洪都為此專門建設了一個面積近20萬平方米的大部件裝配廠房，引進了全球第二臺蒙皮鏡像銑設備。為了能夠更好地了解新材料的性能，洪都用了近3年時間開展材料性能測試工作，先后完成2500多件試驗件測試。新材料需要新的加工工藝與之匹配，洪都在C919大型客機前機身段研制過程中，先后攻克鋁鋰合金蒙皮噴丸強化、鋁鋰合金型材滾彎成形制造、蒙皮鏡像銑切加工、鋁鋰合金型材熱壓下陷制造、鋁鋰合金蒙皮噴丸校形等關鍵技術。

2014年5月，C919大型客機前機身大部段順利下線，該部段包括前段客艙、前貨艙和再循環(huán)風扇艙，包含1600多項零件，涉及近2000項工裝。

鈦合金

除了復合材料之外，鈦合金作為一種輕金屬材料在民用飛機上的使用率正不斷提高。由于密度比鋼小得多，而強度又和鋼很接近，鈦合金可以大大減輕飛機及發(fā)動機的重量，提高飛機的燃油效率。

鑒于鈦合金優(yōu)異的性能，早在787的研制中，波音就曾耗資3億美元用于研究使用鈦合金替代鋁合金，以解決飛機超重的問題。最終787飛機的機體鈦合金用量達到15%，創(chuàng)下了當時民用飛機機體鈦合金使用量的最高紀錄。如今，這一紀錄已經(jīng)被俄羅斯新一代干線飛機MC-21所取代，資料顯示MC-21飛機機身的鈦合金用量達到25%。

在C919大型客機中，中國商飛的設計團隊也選用這種新型輕金屬材料，并且鈦合金的應用比例達到9.3%，主要用于機身蒙皮、機身機翼、機翼滑軌、液壓燃油高壓管路系統(tǒng)等部位。這是我國第一次在一款民用飛機上大量使用鈦合金，此前ARJ21飛機鈦合金的應用比例為4.8%。

借助C919項目，國內(nèi)鈦材龍頭企業(yè)寶鈦集團有限公司的材料研制和生產(chǎn)能力得到了極大的提升。公司先后承擔了國家Ti-3Al-2.5V（TA18）管材、β熱處理的Ti-6Al-4VEIL厚板、β處理的Ti-6Al-4V合金型材、TB5板材工程化研制四個DK型號用材料研制任務。公司充分發(fā)揮自身產(chǎn)品質(zhì)量、交貨期、價格等優(yōu)勢，通過國際招標采購，達到了C919大飛機對材料質(zhì)量的嚴格條件，成為中國商飛公司國內(nèi)鈦材料的合格供應商，為首架C919飛機提供了多種規(guī)格的鈦合金棒材、厚板和薄板材料。同時，寶鈦集團還就材料的適航認證等問題，與中國商飛公司保持密切合作，力爭為后續(xù)C919飛機繼續(xù)擴大鈦合金使用比例提供技術支撐和材料保障。