波音787大量採用碳纖維複合材料是否存在隱患？

01-15

1.萬一飛機出現事故，碳纖維材料是否會燃燒產生有毒的CO等氣體造成更大的危害？
2.相比鋁合金，碳纖維複合材料的微小裂縫、疲勞損壞等容易檢測維護嗎？

雖然複合材料有著諸多好處，但是波音787仍然保留了20%的鋁，15%的鈦，10%的鋼，這是複合材料不耐高溫、不耐衝擊的特點所決定的。碳纖維本身雖然不怕熱，但是將其粘結成型的樹脂基體卻很難耐受高溫；尤其是波音787上普遍使用的環氧樹脂類產品，一般最大工作溫度不高於150攝氏度。F22由於存在超聲速巡航需求，飛機外表會長時間與空氣高速摩擦；因此在機翼複合材料上不惜使用韌性更差、更不耐衝擊的雙馬來醯亞胺樹脂基體以獲得260攝氏度的最大工作溫度。波音787的鈦、鋼結構中，就有相當一部分是用於發動機吊架等高溫結構。

圖：發動機吊架等部位不能使用複合材料

　　波音787上的鋁合金結構主要承擔的則是預防飛鳥撞擊的功能，以避免複合材料在高能量衝擊下直接解體引發災難性事故。F22上也有過類似的反覆：它的機翼大梁等核心承力結構最初計劃使用複合材料，但試驗證明它抗機炮破壞的能力遠遠無法達到要求，最終又換回了鈦合金材料。這源自於複合材料的兩個缺陷：首先它一層與一層之間的結合力非常薄弱，而一旦出現分層的情況，就會對其整體性能造成嚴重的破壞。其次用以粘結碳纖維、形成複合材料整體的樹脂基體的韌性都很差。

787靜力試驗中斷裂的複合材料

事實上比起飛行中撞鳥、或者挨上幾發炮彈這種概率比較低的情況，複合材料結構往往更怕的是日常的低能量衝擊：比如被維修人員失手掉下的扳手給砸了——這就足以導致它形成內部的層間缺陷，然而從外表卻很可能根本看不出痕迹。當一個複合材料部件的衝擊損傷在表面已經可以勉強目視發現時，它內部已經出現大範圍的基體開裂和分層，強度可以驟降到無損狀態的40%。事實上飛機複合材料部件最多的損傷就是在維護過程中各種碰撞、拆卸而產生的。

　　在傳統的鋼、鈦、鋁合金部件加工過程中，人們幾乎不需要考慮中毒的問題，環境污染也很易於控制，但是對複合材料部件生產來說這就完全不同了。雖然碳纖維本身主要是腈綸纖維碳化以後剩下的單質並無毒性，作為複合材料基體的樹脂類材料也多數無毒或者低毒；但是促使液態樹脂的小分子交聯成三維立體高分子變成固體結構的固化劑，以及各種有機溶劑、助劑，它們帶來的毒性和污染問題一直比較嚴重。

碳纖維所謂的耐高溫，是指其性能不因溫度變化發生太大變化，碰到明火一樣得跪。

限制複合材料高溫性能的主要因素是基體樹脂性能，為此，F-22和B-787的部分CFRP放棄了環氧基樹脂，改用雙馬來醯胺樹脂作為基質材料。

關於題主問題：

1. 航空材料均需通過阻燃測試，這個測試並不要求材料不可燃，而是要求其在指定溫度的明火下，仍可保持一定強度一段時間；其燃燒速度低於指定速度；其燃燒產物無毒。

2. 波音和空客都在竭力發展複合材料無損檢測技術，目前探測技術本身已經足夠成熟並普及，波音在B-787推介會上已經保證其檢測費用和安全性都已經達到或接近傳統金屬材料的水平了。

但是對於微小損傷的檢查，其最大問題不在於是否容易檢測，而是檢查到了以後如何處理。
現代飛機普遍採取損傷容限的思想進行設計和維護，大部分的微小損傷其實是不進行處理而是保持監控的，但如何監控就必須回答兩個問題：
1. 此損傷尺寸達到多少是危險的？即臨界尺寸是多少，損傷達到什麼標準了必須修理。
2. 此損傷從現有尺寸擴展至臨界尺寸要多長時間？即如何保證在微小損傷擴展到臨界尺寸前即可發現並處理。
對於金屬材料，其裂紋的擴展機理、成長曲線雖然沒有明確的理論結論，但藉助長期經驗，已經可以很準確的進行預估，回答這兩個問題。但對於複合材料，其臨界損傷和擴展速度都缺乏足夠的經驗，為此其損傷標準和檢查間隔都被迫定的更為嚴格，從而增加了維護成本，同時也是存在一定的風險的。

額外說句，關於787的適航標準，波音略坑。「由於B-787使用了大量新技術，傳統的適航法規已經無法適應，為此波音與FAA合作，編寫了大量新的適航標準」。而由於美國民航業已經波音一家獨大，傳統的FAA邀請麥道、洛馬等不同公司的工程師合作，交叉審定適航標準的做法已經不可行了，所以這些適航標準可以說就是波音自己按需編寫的。

然後就出現了大功率鋰電池適航標準短短几年改版多次的「特殊情況」。

關於碳纖維燃燒的問題，大致上贊同 @Hung w 的觀點。

對於第二條，自己倒覺得，比起能否做無損檢測這點來說，複合材料最大的問題是到現在人們還不是很清楚用它做的大型結構件在長期使用的情況下疲勞和老化的特性是如何的，也不能準確的估計出出現損壞後零件遭到破壞的速度是如何的。這兩點才是最要命的隱患吧~

人類使用金屬的時代已經非常久遠了。所以，對於金屬部件在長期使用的情況下會發生什麼狀況，人們心裡很有數的啊~什麼樣的結構承什麼樣的載會疲勞。什麼樣的結構承受多大的形變不會有問題。出現了裂紋到底有多嚴重以及多快會擴散成多大，人們心裡很清楚。於是，就可以利用這些東西很精巧的設計，並且指導日後的維護以及對損壞做出較準確地評估。

可是對於複合材料，人們卻不知道那麼多了。

畢竟工業上開始大量的使用複合材料的時間還很短。有些東西發明出來的時間，都比不上一架新客機的全壽命時間。這樣的話，你怎麼來分析呢？實際上過去不是沒有人懷疑過復材。2001年紐約一架A300因為垂尾脫落而墜毀，分析事故原因的時候就懷疑過將垂尾固定在機身上的碳纖維件損壞。因為人們當時並不知道用過一段時間的碳纖維零件在那種情況下會是什麼狀況。而換成金屬的話，就好分析多了。

也正是因為如此，據說787實際上是採取了過度加強結構的方式。如此，希望能讓復材的結構在老化後仍然能承受超出預料的破壞。但這樣真的就沒事了么？

誰知道呢？

關於碳纖維燃燒的問題劉瑞超已經回答的很清楚了。

關於碳纖維復材的檢測，記得已經有不少的標準了，力學性能等等。無損檢測也不是很難，超聲C掃描，CT等等技術，做得也很多了，只需要時間的積累了。

想談的是LZ的思路，其實飛機上如果起火燃燒，最大的問題不應該是結構件，而是飛機內部的裝飾材料。雖然現在飛機內部大量應用阻燃材料，但是可燃物還是很多的，各種紙張，旅客的毛毯等等。而飛機的結構部分如果起火，那說明內部已經燒的很慘了，這種情況下如果乘客還沒逃走，那逃生的幾率本身也就很低了，而此時究竟是碳纖維復材的結構還是金屬的結構，對於乘客的逃生意義已經不是那麼大了。

這個問題這麼久了，實在是忍不住想說兩句補充一下答案。

比較贊同hung的答案，碳纖維是作為增強基，靠著環氧樹脂作為基底材料從而形成的複合材料。一旦飛機起火燃燒，已經固化過的樹脂材料都有很大可能降解。本人目前對於防火性能並不是太了解，所以還望高人多評價具體可能產生的有毒氣體。還有一點就是楊皓提到的，其他材料在燃燒情況下所釋放的有毒氣體可能更致命。但有點跑題就不贅述了。

再來說說飛機上碳纖維複合材料的損傷和無損檢測方法。與金屬材料各項同性不同，碳纖維複合材料屬於層狀結構，這也就意味著優異的層面性能和相對較弱的層間性能。如何避免層間受力過大從而導致材料失效是設計部件時非常重要的一點。有很多比較成熟的檢測方法都可以用在複合材料上，比如超聲波，熱學成像，acoustic emission，等等，各有特點及優劣。但總的來說，大多數無損檢測方法都屬於非實時的檢測，這也就意味著飛機需要停在地面進行定期檢修而無法把現有資源最大化。也有很多正在研究的方法，比如電學方法，embedded sensor，或者吹了很多年的self healing。

還有特別需要注意的一點就是碳纖維複合材料絕大多數損傷都是無法從外部看到的，這些和塗層什麼的都關係不大。層狀結構以及相對性能較差的樹脂基底決定了絕大多數失效類型，尤其是早期失效例如基底失效，碳纖維與基底界面斷裂，或層間斷裂等等，都是很難通過外部觀察檢測到的。就算是被撞擊，材料內部所引起的層間斷裂的面積，往往遠大於表面留下的撞擊痕迹。

說了這麼多總覺得有點沒回答到具體問題，但重新看了一下題目，是關於碳纖維是否帶來安全隱患的這個大課題，所以也算沒跑太偏。。碳纖維複合材料不是完全無法承受任何斷裂，而是需要通過合理的測試檢修，或定期檢測來確保這些微小裂紋或斷裂不會繼續延伸成影響結構性能的斷裂。在A380，A350或者787上應用的碳纖維複合材料，除了已經注重了設計細節外，也用到了一些碳纖維及金屬材料所組成的複合材料，加上sandwich structure的設計從而進一步提高性能降低重量。

民用方面的飛機材料其實非常保守，目前遠遠沒有達到真正的合理利用複合材料。現在的很多設計為了確保安全，往往多加了很多材料在上面，帶來了很多重量。但就算加上這些從某種意義上來說不是那麼重要的重量，碳纖維複合材料提供同等性能所需要的重量也低於金屬材料，所以才會越來越多的應用在各個領域。民用飛機上由於材料問題所導致的重大事故，發生的概率應該是遠遠低於其他因素吧。

1.碳纖維是耐高溫的，燒不起來；

2.複合材料的無損檢測技術雖然不比金屬，但也成熟起來了，可能檢測成本會比較高。

多說一句，商用飛機上天一定要經過適航認證，如果是全新技術應用在飛機上，則需要在驗證項目里表明其性能要等於或者好於之前已經通過驗證的飛機。雖然不能保證新技術完全沒有風險但也能保證在已有的驗證項目里風險不會比現有的飛機更高。

碳纖維在空氣中超過500度就肯定會發生燒損，這個算是常識了，不知道樓上幾位說的耐高溫是耐多少度

第二個問題，不知道題主說的微小裂紋具體是指什麼。疲勞性能的話，高分子基體複合材料和金屬的機理完全不同，這個就不了解了

復材和鋁在疲勞壽命上沒有可比性，因為適航要求不同。

碳纖維複合材料目前在787上有大量的應用，纖維增強複合材料佔了整個機體重量的50%，最重要的是因為碳纖維輕，比強度高，省燃料。但是成本高，除了碳纖維的本身成本高以外，用於製備CFRP需要的設備耗費巨大，溫度壓力真空控制是一大挑戰。在機翼和機體的結合部位，還是用到的玻璃纖維增強塑料，因為抗震動衰減性能，熱膨脹係數等等。

787能飛代表787的復材耐火使用一定是適航驗證過的因此不用擔心，還有就是FAR有專門針對複合材料整體郵箱可燃燒性的推薦實驗方法，可能也有關於復材耐火性的試驗方法（之前找過沒找到），應該還未公開。

第二個問題先佔個坑明天再說現在好睏

大神們回答受益匪淺。不過還是想攪和一下。

因為之前了解的波音品質和747工程師的傳記，突然一個心理暗示就蹦出來了——我相信波音的工程師們

機頭還是必須用鈦合金

跟飛機用的碳纖維複合材料打過多年交道，的確，很多問題有待完善和解決，不過這就是科學發展的自然規律嘛。

碳纖維材料也是幾十年前在747上小規模應用後，累計了足夠的經驗，才在787上大量使用的。樓主多慮了。

1. 碳纖維一般如同骨架被其他材料如漆層或者橡膠等作為隔熱絕緣層；2. 飛機的維保是定期強制性的，應該可以避免LZ的擔心

關於第一個問題大家已經回答得很完備了

至於第二個，現在確實技術越來越成熟，有基於光學、電學、熱學等的多種方法。鄙人現在的研究方向恰好就是Structural Health Monitoring，恰好就是幫上面提到的公司做。利益相關，匿名且不寫公司名字了。

是，所以我們期待第二個溫都爾汗

1.碳纖維是很高溫下生成的，耐高溫

2.碳纖維表面還有漆層保護，通常都是漆層損傷，787碳纖維是很多層結構，損傷不易擴展，碳纖維的疲勞強度高，不像金屬容易出現裂紋，內部損傷可以用超聲波檢測。修理只需加溫加壓鋪層修理損傷區域就行。