波音787：环氧树脂复合材料新代表

波音787梦幻飞机：环氧树脂复合材料新代表


复合材料

波音787梦幻飞机――环氧树脂/碳纤维复合材料革命的代表。在波音787上大面积使用环氧树脂碳纤维复合材料，减轻了飞机重量并使创新理念得以实现。当波音公司开始考虑在787梦幻飞机上大量使用结构复合材料时，波音工程师们的直觉是：环氧树脂/碳纤基质结构能大大降低飞机重量，可以节省燃料、扩大飞行范围；但是经过早期对复合材料的集中研究，他们意识到复合材料还可以带来重大的设计变化，这种变化可以让他们进行功能系统集成，也可以改变层流、发展空气动力学。

　　从材料学的角度看，787梦幻飞机是制造业历史上最大的革命性跨越之一。但是为了实现一项野心勃勃的出货计划――第一批出货时间定在2008年5月――当时存在大量的障碍需要跨越，没人尝试过规模生产巨大的环氧树脂/碳纤维增强复合材料结构，这种材料是热固性材料，处理时间明显要慢于热塑塑料；如此大型部件的关键制模技术当时仍然处于发展阶段，实际上这也是开发项目中的少数羁绊之一；必须开发出新型涂层处理裂纹扩展问题，用铝材就不会有这个问题。工程师们还必须设计不同的系统来应对电流短路问题，因为，树脂基复合材料不导电。材料技术当时对大家来说已经不是新领域了。

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“当我们决定在机翼、机身、地楞横梁等部位上使用复合材料时，我们实际上只是在制造777飞机时积累的大量生产经验铺垫的道路上再往前走一步，”787技术集成主任、波音公司前任全材料技术总工程师Alan G. Miller博士说。“当时我们知道象型稳性一类的事情。我们也知道复合材料会怎样冲击制造流程；我们有许多设计上获批的资料库，我们有很大的信心，这种信心来自于我们的客户。”在波音777飞机上复合材料只占重量的9%，而在波音787上复合材料占到重量的50%。在整个777飞机时代碳纤维增强复合材料的性能、制造技术和费用结构都有所提高。根据不同的具体应用需求，787飞机上使用了几种不同种类的复合材料，包括双马来酰亚胺。还有些较小的部件是用短纤维制造的、可以塑成各种形状，在飞机的内部装饰上也大面积使用了热塑性工程塑料，但是这与以前的设计没有多大不同。

所有的复合材料都是由世界最大的碳纤维生产商Toray Industries公司提供的。据估计，从2004年起，波音公司已经向Toray公司定购了价值60多亿美元的复合材料，这些订单对复合材料的价格和其他用户的货物供应造成了压力。这一估计数字是根据2006年以后的计划生产量得出的，而这些数据由于787飞机令人瞩目的成功已经成为过去。在2003年底，Toray公司碳纤维产品的生产能力是7300公吨。到2007年夏天，该公司的产能达到13900公吨。这段时间内，公司在碳纤维产品上的投资接近10亿美元。公司产能的扩大来自于美国(华盛顿州的Tacoma公司和阿拉巴马州的Decatur公司)以及法国和日本客户的需求。在787飞机的带动下，聚丙烯腈类碳纤维的需求量一年增长了15%。随后的需求增长将来自于汽车市场和CNG燃料罐一类与能源相关应用的全面进入。

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技术上需要解决的几个问题首先是规模生产问题。复合材料的生产过程要明显慢于热塑性工程塑料的生产过程。“我们以前没有碰到过如此大量的应用(在梦幻飞机以前)，”Miller说。“复合材料产业以前从来没有处理过这种情况。那是一座我们必须跨越的山。”Miller认为，传统机械模具生厂商提供了大多重要的解决方案。Cincinnati Machine Co公司就是一个例子，该公司为787梦幻飞机供应新的浸带叠层系统和纤维编制系统。

“高速精确的铺叠技术加快了工作流程，缩短了制造日程，并且降低了工序成本，” Cincinnati Machines公司复合材料总经理Randy Kappesser说。利用自主知识产权的、编译自CAD(计算机辅助设计)和层压资料的软件程序，这些最新型的设备可以把浸带铺叠成非常复杂的几何形状。该软件可以允许离线部分编程和模拟，包括碰撞干预。
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