上世紀末，波音公司針對空中客車公司（以下簡稱空客）的不斷壯大，為了取得新的競爭優勢，波音推出了所謂的音速巡航者的概念機型，獲得了各航空公司的一致好評。不過在911之后，全球航空業一片死寂，音速巡航者的概念不幸下馬，波音高層在經過深思熟慮后，于2004年推出了音速巡航者的后續機型——B7E7，后更名為B787。

    787不僅是架更環保的傳統飛機，其實是傳統飛機構型的音速巡航者，去除了不實用的高亞音速續航特性。在音速巡航者時期，波音已經對目前787上用的各種新技術進行了大量預研，其中復合材料更是重點，可以說787是傳統構型的音速巡航者。據波音的研究，飛機外形的改變會大幅增加結構重量，傳統材料將面臨更大的挑戰。為了降低結構重量，結構創新與新材料勢在必行。在之前的波音777（以下簡稱777）上波音已經掌握了如何在飛機上應用復合材料，777上的平尾幾乎是當時世界上最大的復合材料構件，用量約10%。不過這次的787更為激進，復合材料用量巨大，約占飛機結構重量的50%，類似軍用飛機中的的SR-71。但是如此大量應用復合材料必存在風險。本文通過介紹復合材料的歷史和特性，分析在787上應用與維修時存在的問題，探討如何解決這些問題。

    一、材料的發展

    飛機機體材料發展目前共分三個階段，第一階段帆布與木頭，第二階段是以鋁合金為主的金屬材料，第三階段主要是復合材料和先進金屬材料。本文中的復合材料大多數情況下特指碳纖維增強型復合材料，如有特殊情況，會特別說明。每一種材料的興起與淘汰有其背后的歷史的因素。二戰前夜戰斗機的速度越來越大，同時鋁合金的成功量產，直接淘汰了帆布和木頭。六七十年代的化工大爆發直接創造出了材料學中的許多新分支，其中最強大的便是先進復合材料。在這里簡單的說明一下，我們現在大多數時候提到的復合材料是指先進復合材料，在上世紀40年代出現的玻璃纖維增強復合材料并不屬于此范疇。不過復合材料并沒有一出現便取代了鋁合金，成本以及需求是制約復合材料大展拳腳的關鍵。當然復合材料還是被其他的行業所看中，緩慢發展中直到正確的時間，迎來自己在飛機上的春天。波音在音速巡航者項目上投入巨資，研究各種新技術，復合材料由此第一次被考慮大規模應用在飛機上。經過數年發展，當波音787計劃初具規模時，復合材料機體已然是787的重要組成。不過對作者而言787身上的復合材料還有其他的意義，民航業終于引來了新一輪的技術變革，可以說是自波音707以及空客a320的以后的又一次大變革。美國國家航空航天局NASA（以下簡稱NASA）通過787開展了自己對民航機的新一輪的研究，循序漸進地提出計劃來改進現有的民航機，并提前勾勒未來飛機的輪廓。復合材料是未來飛機的技術基礎之一。沒有新材料的幫忙，造不出未來飛機。在NASA計劃中的第二階段，飛機外觀產生了巨大的改變，自B707后民航機的構型有了重大突破。新構型飛機的應用確實存在大量的障礙，但隨著傳統構型飛機的改進空間越來越小，波音，空客以及商飛都在研究相應的技術。

    二、復合材料的簡介

    復合材料是一種由增強體與基體材料經過特殊工藝形成的多相材料。以本文中的碳纖維增強型復合材料為例，碳纖維是增強體，樹脂是基體。作為一種被人日益看好的材料，復合材料有極誘人的優點，至輕至強。極端的輕盈加上與極端強度，使其一經問世，便備受關注。不僅是航空業，可以說任何追求速度和輕量的行業，都需要這樣一種新材料。自80年代，自行車和賽車領域開始大量使用復合材料，積累了大量的經驗，復合材料的問題也逐漸暴露出來，凡事必有兩面。復合材料雖然有著極高的強度，但并不是在所有的受力方向上均有出色的表現。在面對剪切力，復合材料毫無抵抗力。這與復合材料的制造過程有關，復合材料從形態上看更像紡織品，甚至說就是一種織物，因為碳纖維的原材料便是經過碳化處理的纖維，通常稱之為原絲。復合材料制品便是由這些原絲編織在一起的纖維布復合樹脂基體經過熱壓或者其他處理方式之后制成的。因此我們知道復合材料目前受制于制造工藝限制，并不完美。在早期應用過程中，以自行車為例，早期的復合材料車架，常常因為一個小傷口，導致整個車架報廢，最后廠商不得不在復合材料外再覆蓋一層鋁，以防止一些極端事故。后來工藝改進，不再需要包鋁。同時復合材料的加工工藝其實很大程度上限制了其性能。與大多數金屬的加工不同，金屬加工大多數時候是去除材料，而復合材料則是增加材料。因為碳纖維布本身十分薄，為了滿足設計要求必須一層一層疊加復合在一起。樹脂基體，就像焊接需要的焊劑或焊料一樣。復合材料的缺點與樹脂基體有關，碳纖維本身雖然大多數時候是幾乎沒有性能極限的，但是當基體發生問題，整體又不可避免產生了分層的問題，最后只好報廢。基體本身十分脆弱，沒有韌性，幾乎不能承受沖擊。通常還無法承受高溫，復合材料本身能夠應用的區域因此大大減少。能承受高溫的卻更不耐沖擊。最后復合材料的性能不得不被基體材料限制。當然陶瓷基復合材料以及金屬基復合材料則是另一種情況。

    三、復合材料的優點

    復合材料目前即使有幾乎無法解決的缺陷，還是被波音等航空巨頭青睞，因為其優點足以掩蓋其缺點，瑕不掩瑜。在21世紀初，石油大幅度漲價的前提下，航空業需要更經濟的飛機。更經濟的飛機需要更先進的材料，唯有復合材料能夠擔此重任。除了至輕至強，復合材料相較于金屬，仍有其不可替代的優點，成為新時代的飛機結構材料的首選。

    第一，復合材料幾乎沒有熱膨脹。飛機上常用的金屬，鋁鈦鋼通常有著較高的熱膨脹系數，當零件尺寸巨大時，沒有控制好溫度，會因溫差，而使零件的接頭或者安裝孔等接觸部分產生較大變形，給裝配帶來不小的難度和額外的加工成本。在強調標準化生產前，夏天制造的飛機結構質量通常不如冬天的。作者在普惠上海發動機中心（以下簡稱普惠）的實習過程中，對溫度控制有了新的認識。在機械加工過程中，由于加工時產生的熱量，可能最終導致工件不達標甚至是報廢。普惠對于溫度的控制十分嚴格，保持全廠全年溫度恒定。較高的熱膨脹系數對于目前裝配精度以0.1毫米計算的今天而言是個大問題。金屬中也存在著較低熱膨脹系數的品種，比如殷瓦鋼，但是極不耐腐蝕的特性限制了使用的價值。復合材料的極低熱膨脹系數吸引了波音等公司。

    第二，復合材料更適合一體化設計。復合材料的應用使波音可以造出超大尺寸的整體件，同時因低膨脹，尺寸也不會隨溫度變化產生改變。一體化設計已是大勢所趨，無論是手機，汽車還是飛機都在應用。《超級工廠》有一集講的是意大利超跑帕加尼huayra的誕生。其中剎車部分是典型的一體化設計，從原來25個零件最后減到一個零件，減重效果相當明顯。由此可以看出一體化的設計有著極強的應用前景。787對于航空業界的震撼相當巨大。一架飛機的外部幾乎沒有一個鉚釘，這在之前不可能發生的事情發生了。飛機不再是一塊塊金屬蒙皮鉚在鋁制的隔框，而是一個個復合材料制成的圓筒拼在一起。不過這些部件拼接時還是鉚接。用波音的數據來說，一段機身因結構一體化，取消了約1500塊鋁合金蒙皮和40000至50000個緊固件。這不僅是減重了，更是大幅減少了裝配成本。

    第三，復合材料有著傳統材料所沒有的各向異性。工程師可以將更多實驗室里的空氣動力設計應用在現實中。傳統材料中的原子、晶粒發布十分均勻，因此使其在各個方向上的力學性能都高度相似。但復合材料完全不同，由于鋪設方向的不同，其在不同的方向上，強度等力學性能會有截然不同的變化。以單向鋪設的復合材料構件為例，在纖維方向與垂直方向上，強度相差幾個數量級。工程師可以將設計更完整地呈現。各向異性催生了氣動彈性剪裁，這種技術被廣泛應用于787等飛機的機翼上。因復合材料，無論是自適應機翼，前掠翼還是nasc的其他黑科技都有可能得到大規模應用。787機翼的變形極好地證明了復合材料的強大。

    四、復合材料在實際中的問題

    復合材料在實際應用中仍然存在的問題。第一，復合材料失效性質是什么樣的，什么時候失效和為什么失效。第二，復合材料如何檢測，如何更有效地發現問題。第三，如何修復復合材料，同時有沒有更好的方法。維修是在使用過程中發現問題，解決問題的一個過程。

    一、復合材料的失效。材料的失效通常指在正常或不正常的工作環境中，材料發生了不能工作的現象。金屬的失效相對簡單，例如疲勞、腐蝕、蠕變等等。目前復合材料的失效主要就是纖維布與纖維布之間的分層，因此本文主要討論的失效是分層。個人認為復合材料仍有些失效形式沒有表現出來，因本人技術有限，故不論述。不論述的部分還有增強體的失效。纖維與樹脂基體之間的粘接力目前無法提升到一個較高的水平，分層仍不可避免。失效的成因往往與沖擊有關。鉚個鉚釘，纖維之間就有可能分層了。所以在787上，波音只允許用擠壓式鉚槍，而不是常用的氣動錘擊式鉚槍。高能量的沖擊例如雷擊，鳥撞屬于小概率事件，但維修過程中的低能量沖擊是天天可能碰到的。一把扳手砸了一下，表面沒事，內部已是面目全非。表面可以看到損傷，那么內部已經大范圍分層和基體開裂，強度已降低至原來的40%。同時還有樹脂基體的的老化問題，也會造成分層。不過對此也不做論述。

    二、復合材料的檢測。不同于傳統材料，復合材料的損傷大多難以察覺，發現基本就到壽命了。發現復合材料的損傷，就變成了新的課題。無損探傷作為一種可以在不損壞零件的情況下，對內部進行檢查的方式，被應用在復合材料上。作者在普惠的實習期間，見到了絕大多數的無損探傷，例如熒光粉滲透，磁粉探傷，渦流探傷以及x光射線探傷等，對無損探傷這種技術有了較多的了解。無損探傷雖然很好，但其中大部分并不適用于復合材料，尤其是在飛機上的構件。無損探傷中有些只針對金屬，有些只能在表面進行檢測，有些設備的體積過于龐大，并不能很好地手持操作。曾經在檢修F-22的復合材料機翼時，通常的設備并不合適，F-22的生產商洛克希德。馬丁公司（以下簡稱洛馬）特地開發了新設備。目前可用于復合材料的探傷方式。第一，x光射線。第二，計算機層析照相，也就是CT。第三，超聲波檢測。第四，聲發射檢測。還有些其他的方式，礙于篇幅有限，不進一步闡述。同時有公司正研究在渦輪葉片中加入傳感器，使其一有裂紋就警告。現在的微電子技術十分發達，在石墨烯等新材料的幫助下，更小的傳感器比以前更容易制造。在材料中加入微傳感器是很有可能的。未來，當損傷剛發生的時候，維修人員就已經知道了。

    三、復合材料的維修。復合材料的修理是個大課題。復合材料需要高要求的工作環境，同時需要維修人員有好的技術。這是個多方面的問題，與復合材料自身有關。首先，復合材料的修補通常需要使用樹脂基體。雖然復合材料本身常常是無毒的，但促使樹脂固化的固化劑以及有機助劑等等卻有著毒性以及污染的問題。復合材料會受潮，自身會儲存水分，必須有較高的環境要求。同時，復合材料打磨下來的碎屑尺寸非常小，處理起來非常麻煩。通常在打磨復合材料之前，需要在打磨區域外搭個十分嚴實的帳篷。復合材料的的修復主要是去掉原來的受損的區域，再補上一塊。實際操作時，打磨去除材料時的難度相當大。復合材料部件上一層碳纖維布 0.01 英寸，修三層，0.03 英寸厚，要把它打磨成 1.5 英寸寬的斜面。不僅要分清楚每一層纖維布的鋪層方向，最后的區域要打磨成圓形或者理想點打磨成橢圓形。換算成毫米，可見難度之大。據資料表明，復合材料的維修難度對于維修基地而言也是相當高的。復合材料修補難度還不止這些。通常只用樹脂修補，還有其他的方法，比如在某些區域，用緊固件來代替樹脂。復合材料不怕腐蝕，通常只有鈦制的或莫奈合金的緊固件可以使用。同時必須使用特制的擠壓式鉚釘。在高溫合金或者鈦合金上鉆孔的難度已經非常大了，幾個孔已是鉆頭的極限。由于復合材料的散熱性較差，在復合材料上鉆孔更難。在F-22的復合材料機翼上鉆孔幾乎是不可能的，一個孔可能需要數根鉆頭。最后洛馬特地開發了金剛石鉆頭，才基本解決了問題。由此也可見復合材料維修的復雜性。

    五、解決方法

    解決方法共三點，加強人員培訓，使用新技術或者新思路以及加強基礎研究。

    第一，加強人員培訓。復合材料構件雖然性能優異，卻無法承受沖擊，有時連低能量的沖擊都有可能使整個工件報廢。復合材料的制造缺陷與本文相關性不大，但是使用損傷時刻存在。使用損傷分兩類，高能量沖擊與低能量沖擊。高能量沖擊通常屬于突發事件，無法避免。低能量沖擊通常由人員的失誤和日常飛行引起。人員的失誤應該極力杜絕。比起鳥撞，雷擊，滑跑過程中的地面上的外來物FOD等不可控的因素，人屬于相對可以控制的，實現起來的成本比較小，比較現實。加強人員的人為因素培訓，避免發生二次損傷。接下來是增加人員的技術培訓。復合材料的維修難度比金屬要高，人員的要求也需要提高。新的工具設備，人員都需要熟練掌握。在沒有更好的技術或者設備輔助的情況下，人員只能依靠自己的技術，技術水平的高低直接影響到最后的成功率。

    第二，使用新的技術或者思路。在普惠時的親身經歷，當時在特種工藝車間學習熱噴涂，當時有一個難題放在車間主任面前。一個附件齒輪箱需要噴涂修復一個直徑很小的尺寸，相當難處理，條件互相掣肘。一方面溫度不能下降，但是沒冷卻，因為殼體太重，轉不快無法自然冷卻，另一方面，溫度太高，鋁制殼體受不了，同時無法直接冷卻，溫度太低，涂層受不了，會自行脫落。所有的思路是通常地做加法，不是加轉速就是加保護。作者向師傅提出，能否將粉末的直徑縮小一個等級，思路是做減法。他認為理論上確實可以這么做。不過結束了實習，不知道結果。有些時候換個思路看問題，可能更容易些。就像前面所寫的，在材料里加傳感器，就有能力在產生損傷的一開始，便知道哪里出現了問題，可以用最小的代價來解決問題。現在F-35上使用的蒙皮叫做智能蒙皮，是一種功能型復合材料，可以隱身，部分代替天線，同時擁有一定的自修復能力。在維修的時候，可以不再僅僅使用傳統的材料。波音專門推出過針對787外場維修時用的修補片，半永久半臨時性質的。認為如果可以把傳統材料的修補片，換成更方便維修功能型材料的，例如帶有自修復效果的補強片。需要注意的是，其可靠性以及可行性方面可能存在問題，需要時間。同時，這幾年，科技的發展越來越快，無論是材料，還是制造工藝，都在增強提高。航空業卻似乎停止不前，馬航失聯，才開始重視飛機的實時通信能力，當前的技術都不知是多少年前的。安全與可靠是個幾乎繞不過去的話題。不考慮成本的情況下，有了新技術，就反復論證，但是現在有兩種情況。一種是新技術完成了論證，通過了考驗，因為論證時間太長而過時了，另一種則相反，也通過了測試，但是仍然不夠可靠，例如鋰電池，標準一再降低但是仍有問題。雖然安全性一直是客機的首要要求，不過安全性標準在不降低部分要求的情況下，應變得更利于新技術的實用化。在航空業正處于十字路口時的當下，大量新技術井噴，安全性標準將面對越來越多的質疑，規則的制定者也會面臨更大的壓力。從鋰電池上，就可以看出美國聯邦航空管理局（以下簡稱FAA）對鋰電池沒有足夠的技術儲備。面對大量新技術，FAA的準備明顯不足。對于安全性的要求應當更有彈性，更包容新技術。

    第三，加強基礎研究。還是先舉個普惠的例子，去實習前，中航商用發動機公司的人正好去培訓，路過看到一些剛剛拆下來的緊固件，便討了回去。我們當然可以制造緊固件。但背后的原因值得我們思考，個人認為與商用發動機的需求有關。一臺好的發動機不僅僅注重其性能，更重要的是其細節，例如可維護性。可維護性一直是國外的重點研究科目，但我國從建國后就沒有真正造過一臺面向民用市場的航空發動機，甚至堪用的核心機都沒有，這次卻要做出與CFM-56同級的發動機，要求自然是面面俱到，難度巨大，很多設計只能借鑒國外，自身的基礎遠遠不夠。能夠體現一個工業大國真正實力，不僅僅是超大型機械，更多時候這些機械背后的細節，比如一個O型圈。蘇聯人就是個絕佳的例子，作為曾經的超級大國，蘇聯人的飛機設計地并不差，他們在基礎物理方面的造詣，仍然夠俄羅斯使用至今。但是作為基礎的材料，卻也是其致命傷，優秀的設計差點變成平庸之作，這樣的例子比比皆是。加強基礎研究，雖然過程漫長痛苦，卻是值得的。日本人喜歡鉆研，不怕枯燥，成為了今天材料方面的強國。今天787大量部件由日本制造不無其道理。航空業越來越受到國家重視，原因是其背后的利益。一架飛機從原料變成最后的成品，其中有無數的企業在幕后，需要大大小小各個學科的知識，對于拉動國內的各個學科的基礎研究有著積極的作用。復合材料作為下一代客機的重要基礎，必然是下一個知識高地，想要從泰坦的蛋糕上挖掉一塊，加強基礎是必經之路。

    結論

    復合材料十分強大，也十分脆弱。787可能會成為機庫皇后，不僅僅是因為鋰電池，復合材料的機身可能是個更大的問題。復合材料雖然在其他領域用了很多年，在飛機也不是一天兩天了。早在2000年，NH-90直升機就已是全復合材料的機身，現在在多國服役，表現良好。但是作為一種使用了多年的材料，人類對于其的了解仍然不夠，就像鋰電池。70年代第一塊鋰電池誕生，90年代鋰離子電池研制成功，并量產，隨后被廣泛應用，并不斷改進。但問題是人類做了大量研究后，仍不知道鋰電池什么時候因何原因而起火。正如同曾經的電報一樣，有些時候理論研究是落后于實際使用的，但這并不妨礙那些新技術或者好的技術被應用。即使是金屬材料，人類研究了數百年，仍然沒有徹底了解其性質，但這并沒有阻擋金屬成為我們日常生活中最常用的材料之一。復合材料也是同樣的。即使我們仍沒有真正了解復合材料，也必須做好準備工作，同時不斷地開展研究。下個時代的飛機將突破我們的固有思維，復合材料一定是其中的基礎。無論是基礎研究，還是實際使用，如果沒有抓住787的典型，好好研究復合材料的特性，那么中國的飛機沒有可能成為ABC中的C。這是種趕超的哲學，不在于趕上，而在于超越。正如同美蘇在冷戰期間的軍備競賽，蘇聯只有不斷追上美國，卻從沒有超越過。

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責任編輯：殷鵬飛

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