第一篇：碳纖維復合材料的應用及其在電線電纜中的發展建議

碳纖維復合材料的應用及其在電線電纜中的發展建議

一、碳纖維復合材料的發展和戰略地位

碳纖維的出現是材料史上的一次革命。碳纖維是目前世界首選的高性能材料，具有高強度、高模量、耐高溫、抗疲勞、導電、質輕、易加工等多種優異性能，正逐步征服和取代傳統材料。現已廣泛應用于航天、航空和軍事領域。世界各國均把發展高性能碳纖維產業放在極其重要的位置。碳纖維除了在軍事領域上的重要應用外，在民品的發展上有著更加廣闊的空間，并已經開始深入到國計民生的各個領域。在機械電子、建筑材料、文體、化工、醫療等各個領域碳纖維有著無可比擬的應用優勢。

碳纖維是50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學技術的需要而產生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現，這在技術上是又一次飛躍，同時也標志著碳纖維的研究和生產已進入一個高級階段。經過二十多年的發展，碳纖維及其復合材料已從初創期轉入增長發展期，其工業地位已基本確立，美、日、英、法、德等國的碳纖維產量已經占世界產量的絕大部分，并已逐步形成壟斷優勢。

我國對碳纖維的研究由于起步較晚，技術力量薄弱，雖然碳纖維及其復合材料在我國已被納入國家“863”和“973”計劃，但總體情況不盡理想，我國仍不具備成熟的碳纖維工業化生產技術，國防和民用碳纖維產品基本依賴進口。

二、碳纖維復合材料的性能和用途

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維經熱穩定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現出很高的強度，且碳纖維比重小。

1、碳纖維的化學性能

碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學性能穩定性極好的物質之一。這是歷史上最早就被人類認識的碳素材料的特征之一。除強氧化性酸等特殊物質外，在常溫常壓附近，幾乎為化學惰性。可以認為在普通的工作溫度≤250℃環境下使用，很難觀察到碳纖維發生化學變化。根據有關資料介紹，從碳素材料的化學性質分析，在≤250℃環境下，碳素材料既沒有明顯的氧化發生，也沒有生成碳化物和層間化合物生成。由于碳素材料具有氣孔結構，因此氣孔率高達25％左右，在加熱過程易產生吸附氣體脫氣情況，這樣的過程更有利于我們穩定電氣性能和在電熱領域的應用。

2、碳纖維的物理性能（a）熱學性質

碳素材料因石墨晶體的高度各向異性，而不同于一般固體物質與溫度的依存性，從工業的應用角度來看，碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類而變化。（b）導熱性質

碳素材料熱傳導機理并不依賴于電子，而是依靠晶格振動導熱，因此，不符合金屬所遵循的維德曼—夫蘭茲定律。根據有關資料介紹，普通的碳素材料導熱系數極高，平行于晶粒方向的導熱系數可與黃銅媲美。（c）電學性質 碳素材料電學性質主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度有關，石墨的電子能帶結構和載流子的種類及其擴散機理決定了上述性質。碳素材料這類電學性質具有本征半導體所具備的特征，電阻率變化主要與載流子的數量變化有關。

3、碳纖維的主要用途

與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，做成結構材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。在剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要求高溫、化學穩定性高的場合，碳纖維復合材料都頗具優勢。

由碳纖維和環氧樹脂結合而成的復合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。

最神奇的應用是采用長碳纖維制成的“納米繩”可以將“太空電梯”由理想變為現實，太空電梯將可以將乘客和各種貨物運送到空間軌道站上，也可以用這種“納米繩”將太空中發射平臺與地面固定在一起，在這樣的發射平臺上發射人造衛星和太空探測器就可以大大降低發射成本。

總結碳纖維復合材料的現實應用有以下幾個方面：

（1）宇航工業 用作導彈防熱及結構材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層；衛星構架、天線、太陽能翼片底板、衛星-火箭結合部件；航天飛機機頭，機翼前緣和艙門等制件；哈勃太空望遠鏡的測量構架，太陽能電池板和無線電天線。

（2）航空工業 用作主承力結構材料，如主翼、尾翼和機體；次承力構件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發動機艙、整流罩及座板等，此外還有C/C剎車片。

（3）交通運輸 用作汽車傳動軸、板簧、構架和剎車片等制件；船舶和海洋工程用作制造漁船、魚雷快艇、快艇和巡邏艇，以及賽艇的桅桿、航桿、殼體及劃水漿；海底電纜、潛水艇、雷達罩、深海油田的升降器和管道。

（4）運動器材 用作網球、羽毛球、和壁球拍及桿、棒球、曲棍球和高爾夫球桿、自行車、賽艇、釣桿、滑雪板、雪車等。

（5）土木建筑 幕墻、嵌板、間隔壁板、橋梁、架設跨度大的管線、海水和水輪結構的增強筋、地板、窗框、管道、海洋浮桿、面狀發熱嵌板、抗震救災用補強材料。

（6）其它工業 化工用的防腐泵、閥、槽、罐；催化劑，吸附劑和密封制品等。生體和醫療器材如人造骨骼、牙齒、韌帶、X光機的床板和膠卷盒。編織機用的劍竿頭和劍竿防靜電刷。其它還有電磁屏蔽、電極度、音響、減磨、儲能及防靜電等材料也已獲得廣泛應用。

三、碳纖維復合材料在電線電纜中的應用

碳纖維以其固有的特性賦予了其復合材料優異的性能，它具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹系數小等一系列優異性能，從而為其在電線電纜行業中的應用提供了可能和必然。

（一）碳纖維加熱電纜的開發和應用

人們早就知道，以金屬材料為發熱體的電加熱技術已在各個領域得到了廣泛的應用。但是金屬絲在高溫狀態下表面易氧化，由于氧化層不斷的增厚，造成了有效通過電流的面積減小，增大了電流的負荷，因此易燒斷。在相同的允許的電流負荷面積下，金屬絲的強度比碳纖維低6－10倍，在使用過程中易折斷。

碳纖維是一種石墨的六方晶格層狀結構組成，是一種全黑體材料，因此在電熱應用中，表現出來的電熱轉換效率高。在特定的條件下，高溫不氧化，單位面積的電流的負荷強度和機械強度不發生改變。

目前碳纖維加熱電纜的應用如下：

低溫輻射發熱電纜地板采暖系統。

恒溫育雛箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保溫采暖。

道路化雪、機場跑道化雪：用于混凝土結構中樓面加熱的理想產品，也可以用在融雪裝置中，對屋面雨水和排水管進行防霜，還可以用于土壤加熱。

管道、罐體保溫防凍：電伴熱產品近幾年在中國得到了大力的推廣和廣泛的應用。其應用領域主要集中在石油、化工、電力、鐵路和民用或商業建筑等。隨著中國電力工業的發展，以清潔、無二次污染的電能為主要能源的電伴熱產品市場前景非常廣闊，同時，也為電伴熱產品的性能提出了更高的要求。

足球場草坪、公共綠地土壤保溫：太陽能熱水器電能補充加熱器，主要用于在長期陰雨天或寒冬季節，因光照不足而導致太陽能熱水器水溫不能滿足生活、工程需要時，為補充熱能而設計的。它具有較強的耐酷暑、嚴寒和高溫潮濕環境的性能，并具有防干燒的功能。即使偶爾水箱缺水誤通電，也不至于燒壞電加熱器和水箱，故能確保安全使用。

（二）碳纖維復合芯導線的開發和應用

我國是個缺電的國家，不僅發電業的發展滯后，輸電業的弊端也凸現出來，輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴容的需求，由于過負荷造成的停電、斷電故障頻頻發生，電力傳輸成為電力工業發展的“瓶頸”，各國均在研究新型架空輸電路用導線，以取代傳統的鋼芯鋁絞線，碳纖維復合芯導線由此應運而生。與鋼芯鋁絞線相比，碳纖維復合芯導線具有以下優點：

１、和同樣直徑的ACSR電纜相比，可以提供雙倍的載流容量。２、有效解決電纜下垂問題。

３、可以在更高的溫度下工作，最高可達200攝氏度。４、線芯可以抗腐蝕，而且沒有雙金屬間腐蝕問題。

５、因為可以提供更高的載流容量，所以同時也有效的降低了工程成本。６、與相同直徑傳統電纜相比可以多容納28%的導體。

７、高強度線芯可以有效減少電纜架的數量，或降低電纜架的高度。８、有效減少電纜下垂，使地面生物更加安全。

除了上述提及的優點外，還可減少傳輸中電力的損耗，減少20%的塔桿，節省用地，減少有色金屬資源消耗，有助于構造安全、環保、高效節約型輸電網絡。

目前世界上只有美國和日本開發出這種新型導線，他們還達成默契：不向第三國輸出，日本一家碳纖維導線企業的產量就占到世界40%左右。

目前我國電線電纜研究所、電力建筑研究院以及國家電網有限公司都已經開始了對ACCC導線的試驗研究工作。國內電纜廠家也加大與外方合作，將這種新型電纜引進到中國生產，積極推動我國架空輸電線路的技術革命。最近福建電網已經將該新型導線架設運行。

（三）在高低溫、腐蝕等苛刻環境應用的可能

碳纖維細如蛛絲，三型碳纖維比強度是鋼的62倍以上，成形工藝性好，是一代新型工程材料，其彈性量高，抗變性能力比鋼大2倍多，抗拉強度30～40t/cm2pa,而比重還不到鋼的四分之一，是鋁合金的二分之一，高彈模量比鋼鐵大16倍，比鋁合金大12倍。且碳纖維比鋼等柔軟。因此，碳纖維可用于要求能承重、不易損傷內部元件的電纜的加強芯，如海底光纜等。碳纖維可以耐－180℃的低溫，在此條件下，許多材料都變的很脆，連堅固的鋼鐵也變的比玻璃還容易碎，而碳纖維在此條件下依舊很柔軟。因此，碳纖維復合芯可用于極寒（如南極考察研究等）條件下輸電載體的設計和制造。

碳纖維又可以耐3000℃～3500℃的高溫，在此高溫下最好的耐熱鋼也變成鋼水，但在沒有氧氣的情況下，碳纖維沒有變化。碳纖維即使從3000℃的高溫快速冷卻到室溫也不會炸裂，因而可在急冷急熱的環境中工作。這為鋼鐵、冶金、鍋爐等行業中高溫特高溫場合電纜的設計提供了可能。此外，碳纖維紗、碳纖維繩、碳纖維布都可用于消防電纜產品的設計選用。

碳纖維有超強的耐腐蝕性。金屬中耐腐蝕性最強的是黃金和鉑，在一份硝酸（濃度70％）和三份硫酸（濃度39％）配成的稱“王水”的溶液中黃金、鉑會被腐蝕的千瘡百孔，而“王水”中的碳纖維卻安然無恙。為各種化學環境下輕型耐化學腐蝕電纜的設計提供了新的思路。

四、發展建議

碳纖維材料的產業化是實現碳纖維導線在國內輸電行業的產業化的前提和保證。碳纖維材料價格則是制約產業化應用的關鍵。

我國從八十年代初期開始起步，加大了對碳纖維材料的研究和開發力度，并也著力于碳纖維材料產業化基地的建設，但由于國外設備、技術封鎖，至今未見重大突破，產品質量不穩定性，預計今后每年至少一萬噸的缺口。

２０００年前碳纖維材料的價格水平為５萬美圓／噸左右，比鋁的價格要高２０倍多。但是近兩年，由于國際政治形勢和軍事格局的變化，碳纖維材料價格受其影響，大幅度上升。這無疑都將對我國現代化的建設成本形成巨大的壓力和負擔。最近，我國福建電網從美國復合材料工程公司（CTC）購置了60公里ACCC導線（鋁導體復合芯架空導線）應用在福建省廈門和福州電網中，其價格水平為１５萬元人民幣／公里。這比我們一直使用的鋼芯鋁絞線的價格要高幾倍。

各科研院所應進一步加大碳纖維材料的基礎應用研究和開發，建立我國自主知識產權，實現碳纖維材料的質量穩定，降低成本。同時要采用國家投入和民間投入相結合的方式，加大碳纖維在航天和軍工以外的民品應用，有助于碳纖維產業的健康持續發展。

最近，我國國內碳纖維產業發展面臨重大機遇。遼寧圣華科技有限公司落戶撫順經濟開發區后，可以把現有撫順部分企業培育成碳纖維及復合材料的龍頭企業，發揮其帶動和輻射功能，把撫順建設成為全國碳纖維研發基地和產業基地。

目前我國電線電纜研究所、電力建筑研究院以及國家電網有限公司都已經開始了對ACCC導線的試驗研究工作。希望國內同行積極研究和開發，為加快碳纖維復合材料在我國線纜行業應用和產業化發展共同努力。

第二篇：電線電纜企業三年發展戰略規劃

電線電纜企業三年發展戰略規劃2012

一、公司發展規劃

（一）業務發展目標

公司將充分利用長期致力生產、研發、銷售優質電力電纜、特種電纜等所凝聚的專業優勢、技術優勢、營銷優勢和管理優勢，繼續專注于超高壓電力電纜、特種電纜業務，堅持差異化競爭戰略和目標市場集聚競爭戰略，通過產品等級提升鞏固和提高目前細分市場相對優勢，通過新產品開發積極拓展新的市場領域，不斷擴大公司規模，提升公司的綜合競爭力，力爭在3-5 年內發展成為國內專而強的大型電纜企業之一，實現年銷售收入進入國內一流電線電纜企業前列。

（二）發展戰略

根據對國內外電線電纜行業的發展現狀和公司綜合實力的系統分析，公司總體發展戰略目標是：成為集科、工于一體，產、學、研相結合的國內知名專而強的一流電線電纜企業。

（三）公司的發展理念

堅持質量第一、用戶至上的經營理念，實施品牌戰略，大力開拓國內外市場；以提高科技水平為手段，實現產品結構的優化升級，生產、銷售高附加值產品，滿足客戶需求；以提升管理水平為基礎，實現節能降耗，提高公司盈利能力。

（四）公司未來幾年計劃

總體目標：公司將通過建立和完善現代企業制度，加強企業內部管理，憑借公司所具有的技術、人才、管理優勢；將以市場需求和行業趨勢為導向，加大科研開發力度，在全力發展超高壓電纜的同時，通過新產品開發，逐步向綠色環保等多種特種電纜產品延伸，使得公司產品結構向多元化發展，加快新產品開發和產業化步伐和規模，從而增強產品的科技含量；通過技改擴能，使能耗和生產成本進一步降低，在未來幾年內使公司的主營業務收入、利潤保持持續穩定增長，提高公司的市場競爭力。

1、生產經營計劃

公司一方面將以成本管理為核心，進一步拓寬降低成本的思路，強化工藝紀律和過程控制，提高產品一次合格率，降低材料損耗，高度重視節能降耗工作，產、供、銷各部門對成本實行目標管理，并落實到車間、班組，建立準確有效的成本核算體系和考核制度，進一步提高公司的成本管理水平；另一方面將加大技術改造力度，利用新技術、新工藝和新設備，加大技改投入，擴大生產規模，加速推進產品轉型升級，特別是增加超高壓電纜、核電站用電線電纜、礦物絕緣防火電纜的生產和銷售，進一步增強產品的市場競爭力，搶先占領市場的制高點，形成新的利潤增長點。

公司還將依靠信息化管理的優勢，科學調度，優化采購，減少生產、采購各環節的資金占用，控制在產品及庫存，減少財務費用支出，提高資金使用效率；繼續重點抓好質量等管理體系建設工作，加大體系的執行力度，實現產品質量的持續改進，促進公司管理水平再上臺階，增強企業發展后勁。

2、產品開發計劃 隨著中國宏觀經濟持續向好，電力設施建設的提速，智能電網、農網改造的深入，風能、太陽能等新能源的建設，海洋工程的開發，以及隨著世界生態環境的惡化、能源緊張等問題的凸顯，環保、可再生等觀念逐漸深入人心。電線電纜行業的發展，從某種意義上來講，就是新材料、新工藝、新設備發展的過程。公司在未來發展中，針對市場的需求和行業發展趨勢，將向電纜的前后道延伸，上游可向原材料制造發展，如銅、鋁桿的生產加工，絕緣材料（中、低、高檔）的制造；下游可向電纜附件設計制造等發展。并將大力發展超高壓環保智能型電纜和綠色環保電纜等高端產品，使公司電纜產品向多元化發展，如繼續開發500kv及以上超高壓交聯電纜、核電站用電纜、礦物絕緣電纜、海洋工程用電纜、礦用電纜等。

把超高壓環保智能型電纜工藝控制等列入工藝開發計劃，在此基礎上，大力開發環境友好型、資源節約型的環保材料，如做好開發低煙、無鹵、低毒、阻燃環保型塑料材料，以及耐光、熱、寒、油、輻射等特性的新材料、新配方的研發工作，為公司新品開發提供強大的材料配套和支撐能力。并以此為先導，帶動相關門類35kv 及以下礦用、船用、風能發電、太陽能發電、海上石油平臺、環保型電力電纜的大發展。

3、市場營銷計劃

為進一步擴大市場占有率，提升公司盈利能力，公司還將采取以下新的舉措：國內市場上，公司計劃在未來幾年里，在鞏固國內現有市場份額的基礎上，繼續擴展銷售網絡，著重鞏固和拓展大客戶，豐富銷售體系。加大行業客戶開拓力度，在未來幾年里，伴隨中國工業化的進程，煤電、石化、鐵路的業務量將會逐漸增大，公司將加大在這些行業的開拓力度，堅持“顧客是上帝”的宗旨，本著“優質、方便、高效、真誠”的服務方針，針對不同的客戶、行業制定專門的營銷方案、提供技術支持和服務等，更加貼近客戶。確保公司持續穩健發展。通過對現有客戶和潛在客戶持續提升公司品牌質量和知名度。

4、技術開發與創新計劃

公司發展要緊緊依靠科技領先，技術創新，并通過加快新品開發、轉換、產業化發展，實現又好又快發展。要積極實現兩條腿走路。一方面同高校、科研院所聯合，另一方面要積極、大膽引進專業人才，加快公司新品開發的速度和能力。

同時，高水平的科研、創新能力，必須依靠設備完善、試驗研究隊伍實力雄厚做支撐，構建以技術創新為中心的研發體系，公司將逐步通過體制、機制、人才引進、設備投入等綜合措施，把公司技術中心建設成國內一流的國家電線電纜工程研究中心，利用該中心，公司將分別對電纜用材料、超高壓電纜、中低壓環保電纜等進行研究，開發適合市場需求并具有先進水平的各種電纜和電纜用材料。

5、人力資源計劃

人力資源隊伍建設是公司在未來能否實現跨越式發展、躋身國內前列的基礎和保證。公司將大力引進各類高級人才，實現人才強企、人才支撐發展戰略；大力培養各類具有綜合素質、實際管理能力的、有豐富實踐經驗的的骨干隊伍，實現公司人才知識層次布局合理、配備齊全。公司將實行人力資源的優化配置，堅持以人為本，加強人才引進與培養，完善激勵機制，實現公司的可持續發展：

（1）強化內部培訓。公司將繼續加強員工培訓，加快培育一批素質高、業務強的科技人才、營銷人才和管理人才；對管理人員進行工商管理知識教育，抓好技術人員新產品、新工藝、新技術的知識更新，開發員工潛在能力；特別重視對生產一線員工的技能培訓，提高員工的職業技能水平，進一步做好新員工的入職培訓。

（2）不斷引進外部人才。隨著公司經營規模的擴大，管理的復雜程度會加大，公司將從各大院校招納一批優秀的專業技術人才和管理人才；著重加強技術人才以及各類管理人才的引進，壯大公司科研技術力量和管理隊伍，優化企業的人員結構，滿足企業可持續發展需求；向社會招聘和培養一批技術工人，以適應公司生產規模擴大的需要。

6、完善治理結構計劃

公司將進一步完善法人治理結構，健全以執行力為核心的現代企業管理體系，建立適應現代企業制度要求的決策和用人機制，以工作目標為主導，強化管理，做到崗位職責明確、管理層次清晰、工作效率提高、管理成本降低，使公司的管理水平得到全面提升；以加強董事會建設為重點，充分發揮獨立董事和專門委員會的作用，更好地發揮董事會在重大決策、選擇經理人員等方面的作用。公司將進一步完善公司的內部決策程序和內部控制制度，繼續加強內部審計職能，強化內部控制，保證公司財務運作合理、合法及有效，最大限度地避免決策失誤，規避投資風險。公司將根據客觀條件和自身業務的變化，及時調整內部結構和崗位設置，以保持組織結構的合理性和管理的有效性。

7、收購兼并及對外擴充計劃

公司目前暫無具體的收購兼并計劃，但隨著規模的擴大、實力的增強，以增強資本效率為目標，圍繞核心業務將可能實施必要的、能給公司帶來顯著效益的橫向、縱向的購并活動。

二、擬定上述計劃所依據的假設條件

本公司擬定上述業務發展計劃，主要依據以下假設條件：

（一）本次募集資金能及時到位，募集資金投資項目能順利如期完成；

（二）本公司所遵循的現行法律、法規及產業政策無重大不利變化；

（三）本公司所處行業處于正常發展狀態，不會出現重大的市場突變情形；

（四）本公司能夠持續保持現有管理層、核心技術人員的穩定性或連續性；

（五）本公司經營業務或營運所在地執行的稅率無重大轉變，原材料及產品銷售價格在合理范圍內波動；

（六）本公司所處的宏觀經濟、政治、法律和社會環境處于正常發展狀態，無重大影響公司發展的不可抗力現象。

三、實施計劃所面臨的主要困難

（一）本次募集資金投資項目投產后，本公司的生產經營規模和銷售收入都將大幅擴大，確保始終如一的優秀產品質量、通暢的銷售渠道、溝通無阻的管理體制等方面存在一定的困難。

（二）本公司生產經營規模的擴大需要招聘大量的熟練工人、技術研發人員和管理人員，由于公司生產經營所在地并非經濟發達的中心城市，故存在一定的人員招聘困難。

四、實現上述業務目標的主要手段和方法

（一）資金保障

本次募集資金為實現上述業務目標提供了充足的資金來源，將解決公司發展過程中的資金瓶頸問題，促進公司發展走上快車道，并為加速實現公司業務目標奠定基礎。

（二）優化體制

公司將進一步促進公司經營機制的轉換，法人治理結構的完善，管理體制的升級，接受社會公眾的監督，提高公司規范運作的透明度，為今后健康、持續的發展奠定良好的制度基礎。

（三）增強吸引人才的能力

公司將繼續地增強對優秀人才的吸引和保留能力，提高公司的人才儲備質量和人才競爭優勢，為公司的持續發展提供人力資源保障。

（四）增強市場影響力

公司將繼續加大市場的開拓，逐步提升公司品牌的市場影響力，增加公司產品的市場份額，并提升客戶的忠誠度和品牌認知度，對加快公司發展、實現業務目標具有很大的促進作用。

五、上述業務發展計劃與現有業務的關系

上述業務發展計劃是在本公司現有主營業務的基礎上，結合市場開發情況，經過審慎分析而制定的，該計劃緊密圍繞公司現有資產狀況、業務特點和總體發展目標，是現有業務的拓展和延伸。

上述計劃在現有業務基礎上，將快速擴大公司生產規模、改善產品結構、提高產品附加值，從整體上提高公司的持續盈利能力、核心競爭力和后續發展能力，充分利用市場、客戶、品牌等方面的現有資源，快速搶占市場，鞏固公司在行業內的領先地位，實現公司的總體發展目標。

第三篇：我國碳纖維的發展及現狀分析

我國碳纖維的發展及現狀分析

碳纖維是一種纖維狀碳材料。它是一種強度比鋼大、密度比鋁小、比不銹鋼耐腐蝕性強、比耐熱鋼耐高溫、又能像銅那樣導電，具有許多寶貴的電學、熱學和力學性能的新型材料。碳纖維主要被制成碳纖維增強塑料這種復合材料來應用。每一根碳纖維由數千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5滋m～8滋m。在原子層面的碳纖維跟石墨很相近，由一層層以六角型排列的碳原子構成。碳纖維與石墨兩者的差別在于層與層之間的連接。石墨是晶體結構，它的層間連接松散，而碳纖維不是晶體結構，層間連接是不規則的，這樣可防止滑移，增強物質強度。一般碳纖維的密度為1750kg/m3，導熱能力高但傳電能力低，碳纖維的比熱容量亦比銅低。當加熱的時候，碳纖維會變厚、變短。雖然碳纖維的天然顏色是黑色，但科學家可以把它染成不同的顏色。我國碳纖維產品市場現狀我國碳纖維的生產和使用尚處于起步階段,，國內碳纖維生產能力僅占世界高性能碳纖維總產量的0.4％左右，國內用量的90％以上靠進口。而PAN原絲質量一直是制約我國碳纖維工業規模化生產的瓶頸。另外，碳纖維長期以來被視為戰略物資，發達國家一直對外實行封鎖。因此,業內專家認為，強化基礎研究是創新之本，是發展國內碳纖維工業的根本出路。我國早在上世紀六七十年代就開始了碳纖維的研究工作，幾乎與世界同步。經過30多年的努力，已經研制出接近日本東麗公司T300水平的碳纖維產品，但產量和品質都遠不能滿足國內需求，與國外差距甚遠。與國際先進水平相比，國產碳纖維的突出問題是碳纖維強度低，均勻性和穩定性都較差，發展水平比發達國家落后了近20年～30年，而且生產規模小，技術設備落后，生產效益不理想。目前全球碳纖維產能約3.5萬噸，我國市場年需求量6500噸左右，屬于碳纖維消費大國，但我國碳纖維2007年產量僅200噸左右，而且主要是低性能產品，沒有形成規模化產業，絕大部分依賴進口，價格非常昂貴，比如標準型T300市場價格每千克曾高達4000元~5000元。由于缺少具有自主知識產權的技術支撐，國內企業目前尚未掌握完整的碳纖維核心關鍵技術。我國碳纖維的質量、技術和生產規模與國外差距很大，其中高性能碳纖維技術更是被日本及西方國家壟斷和封鎖。因此碳纖維要真正實現國產化需要一個漫長的過程。由于市場短缺，近年來國內出現了“碳纖維熱”，眾多科研院所和企業紛紛啟動了碳纖維研究或千噸級產業化項目。雖然當前國內市場對碳纖維產品需求較大，但盲目發展低于檔次品類存在很大風險，尤其現有產品研發停滯不前，不能開發出新型配套系列產品，這些千噸級項目實施后，市場產能出現過剩趨勢將成為必然。從價格角度分析，目前碳纖維國際市場供不應求，國內價格居高不下，而且在我國，碳纖維應用領域越來越廣泛，已從軍用向民用領域快速滲透。從投資角度分析，大量資本，特別是民營資本的高度關注，在很大程度上激活了這一產業，極大地提高了碳纖維產業的活躍程度，民營資本的進入為加快碳纖維產業化進程發揮了積極而重要的作用，使國內碳纖維的產業化研究不斷深入。到目前為止，我國已建立起相對完整的十分級、百分級甚至千分級碳纖維產業研發的配套體系。1976年在中科院山西煤炭化學研究所建成我國第一條PAN基碳纖維擴大試驗生產線，生產能力為2t/a，20世紀80年代開展了高強型碳纖維的研究，于1998年建成一條新的中試生產線，規模為40t/a。中科院山西煤化所、上海合纖所、北京化工大學、山東工業大學、東華大學、安徽大學、浙江大學、長春工業大學等科研機構及院校參與了碳纖維項目的研究與開發。目前，國內小規模PAN基碳纖維生產企業和科研院所共10余家。國內企業不再照搬國外現成的技術，關鍵設備也在加快研發，某些關鍵設備的研發已取得了突破性成果，而且原材料供應充足。我國碳纖維產業技術特點十分明顯，技術多元化越來越受到重視。從2000年開始，我國已完全放棄了硝酸法原絲技術，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術。目前，國產碳纖維百分級產品能與日本東麗的T700相媲美。可以說，我國多年來碳纖維產、學、研相結合研發的技術成果已不遜色于東麗的相應技術。在我國完整的碳

纖維研發鏈條下的碳纖維工程化研發出現了加速發展的勢頭。吉林、山東、江蘇、山西、遼寧、安徽是我國傳統的碳纖維工程化研發的基地，而近年來，河北、上海、陜西逐步成為新興的碳纖維工程化研發基地，有越來越多的企業加入到工程化研發與建設中來。同時，北京、廣東、浙江、江蘇也積極參與了碳纖維的產業化建設。我國碳纖維主要生產企業華皖碳纖維，國家已批準在安徽蚌埠建立500t／aPAN原絲和200t／a碳纖維生產線，總投資過億元。PAN原絲采用亞砜一步法，技術由國外引進；產品以12K的T300級碳纖維為主，并準備引進成熟的預浸料生產線。華皖集團(原蚌埠燈芯絨集團公司)二期建設規模將使碳纖維產量翻一番，達到400t／a，下游產品的開發也列入發展規劃。中寶碳纖維責任有限公司在浙江嘉興。擬建400t／a大絲束碳纖維生產線，部分引進技術和設備，投資數億元，并配套300萬m2預浸料。該項目國家已批準，并積極開展了前期論證和考察工作。根據國內外市場動向及投資與回報等因素，暫緩建立碳纖維生產線，而集中力量開發預浸料等下游產品。同時，還成立了浙江省碳纖維工程技術研究開發中心，全面推進碳纖維事業。山東威海光威漁具集團有限公司主要從事釣竿生產，碳纖維預浸布的規格有30余種，根據發展趨勢，有可能向上游即PAN基原絲和碳纖維發展。此外，山東省東營生產力促進中心也在考慮招商引資建立碳纖維生產線，認為石油等工業是碳纖維的潛在市場。北京化工大學與吉化公司樹脂廠，將依靠自己的技術建立500t/a原絲和200t/a碳纖維生產線。放棄硝酸法，采用亞砜一步法技術路線生產原絲。目前，正在進行中試實驗。中鋼集團吉林炭素股份有限公司是我國小絲束碳纖維生產基地，已向用戶提供50余噸小絲束碳纖維。目前，該廠正在建立新的小絲束碳纖維生產線，擴大產量，以滿足市場需求。中科院山西煤化所研制碳纖維已有30多年歷史，上世紀70年代中期，建成我國第一條纖維中試生產線；在90年代末期，又建成我國第一條噸級粘膠基碳纖維生產線。目前該所與揚州聚酯責任有限公司共建碳材料聯合實驗室，研制高性能PAN基碳纖維，并準備在揚州建立產業化基地。此外，山西榆次化纖廠是我國唯一用亞砜一步法生產PAN基原絲達數十年的單位，目前仍在生產。從以上信息可以看出，當前發展態勢有以下幾個特點：投入力度大；規模大；參與單位多，特別是大企業的參與；起點高，采用多項新技術、新工藝；自動化程度高，工控、程控在線配套使用；逐步建立起質量控制和質量檢測方法，特別是在線檢測。碳纖維新產品開發骨骼組織醫用材料利用經過化學方法處理過的碳素纖維，修補或置換骨骼組織一段時間后，碳素纖維會被一層具有類似真正軟骨機能特點的組織所覆蓋，可降低人造骨骼或組織在植入人體后的排斥問題，但是較脆易斷問題仍有待解決。另一項新產品為以液壓為動力的碳素纖維人工膝關節，雖然其外表不太美觀，但在速度、力量與靈活性方面并不比真的肌肉與骨骼差。電腦斷層掃描機的感應器是由內裝10大氣壓氦氣的密封箱所構成，利用X射線將氦氣激發成電離子，電腦再由氦電離子數量的計測描繪出人體的斷面影像。氦氣壓力愈高，斷面影像愈清晰，但機器壁愈厚，X射線的減衰愈大，所能激發的氦氣也愈少，影像效果因而變差。如果壓力容器由碳素纖維復材制成，軟X射線領域的減衰可降為1/10，性能將大為提升。現行鋰電池的集電體大都采用金屬鋁或銅，因而在纏繞使用時容易發生破裂。為了解決這一問題，采用在碳素纖維中加入金屬來制造集電體(三菱材料)。其正極的集電體采用鋁與碳素纖維，負極的集電體采用銅與碳素纖維的混合物。其次，二次鋰電池中碳薄膜是正極或負極的重要材料，因碳薄膜的種類決定了二次鋰電池的功率、充放電效率及壽命。燃料電池使用氫氣作為燃料，其關鍵材料在于納米碳管(Nanotubes，或稱為納米碳素纖維Nanofi鄄bres)。納米碳管是由石墨中一層(單壁)，或若干層碳原子(多壁)卷曲而成的管狀纖維，比重只有鋼的1/6，而強度卻是鋼的100倍，若連接成繩索，并不會被自身重量所拉斷，管內可以充填其他物質或吸收氫氣，也可以用來發射電子，運用于二極體。1997年由NortheasternUniversityBoston合成的納米碳管，據稱可以儲存相當自身重量70%的氫氣，但因制造資料沒有公布出來而廣受質疑。燃料電池用的納米碳

管只有10納米寬，使得電池體積可縮小至普通電池的1/16，卻是目前世界上超大級功率的電池。現在的電動汽車使用普通電池，充電一次可跑144km，且產品壽命只能充電200次，而納米碳素纖維電池充電一次至少可以跑4000km，且可充電1200次以上。以混有碳素纖維和玻璃纖維的樹脂，來制造移動電話、個人數位助理等攜帶式資訊器材機殼材料，以取代鎂材質之機殼，已是電子產品新趨勢之一。而最先利用碳纖維材料于筆記本電腦機殼上的是IBM公司的ThinkPad600、570、240與A20，其資料顯示，碳纖維強韌性是鋁鎂合金的兩倍，且散熱效果良好。預測未來10年碳纖維的需求量將持續增加，工業用與運動休閑用領域依然為市場主流，而呈兩極化發展的碳纖維產品中(高彈性率產品及高強力產品)，以高強力纖維的成長較為看好。但由于廠商間競爭激烈，低價格化已成趨勢。碳纖維產品國外市場概況 世界碳纖維的主要生產商為日本的東麗、東邦人造絲、三菱人造絲三大集團，以及美國的卓爾泰克、阿克蘇、阿爾迪拉和德國的SGL公司等。其中日本三大集團占世界碳纖維生產能力的75%。世界CT型碳纖維總生產能力為22100t/a，LT型碳纖維總生產能力為9550t/a，實際生產量約為7000t/a。當前世界上PAN基炭纖維正處于迅速增長的發展期，產品性能趨向于高性能化，T700S加快取代T300作通用級碳纖維；產量增加較快，1996年～2000年增長48.1%；航天航空和體育用品用量增加穩定，民用工業用量增幅較大，已超過前兩者，特別是隨著大絲束碳纖維的大規模生產，價格的降低，民用工業需求增加迅猛。日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲公司的小絲束碳纖維產量占世界總產量的75％左右，而這3個公司發表的專利也相當多。例如，東麗公司目前生產的碳纖維T1000，抗拉強度最高(7.02GPa)、單絲直徑最細(5.3滋m)，可代表世界先進水平，但該公司最新專利報道，其實驗室已研制出新一代碳纖維，抗拉強度已達到9.03GPa，比T1000提高了28.6％；單絲直徑降到3.2滋m，比T1000細了39.6％。同時，該公司還開發截面形狀為三葉形的PAN原絲及碳纖維，以拓寬其用途。碳纖維的起源1880年，美國發明家愛迪生首先將竹子纖維碳化成絲，作為電燈泡內發光燈絲，開啟了碳纖維的先河。碳纖維用于結構材料的首創者，則以美國UnionCarbide公司為代表，于1959年以螺距纖維為原料，經過數千百度的高溫碳化后，得到彈性率約40GPa，強度約為0.7GPa的碳纖維；1965年該公司又用相同原料于3000℃高溫下延伸，開發出絲狀高彈性石墨化纖維，彈性率約500GPa，強度約為2.8GPa。1961年，日本大阪工業技術試驗所進藤召男博士，以Polyacrylonitrile聚丙烯腈為原料，經過氧化與數千度的碳化工序后，得到彈性率為160GPa、強度為0.7GPa的碳纖維。1962年，日本碳化公司用PAN為原料，制得低彈性系數碳纖維。東麗公司亦以PAN纖維為原料，開發了高強度CF，彈性率約為230GPa，強度約為

2.8GPa，并于1966年起達到每月量產1噸的規模，與此同時他們還開發了碳化溫度2000℃以上的高彈性率CF，彈性率約400GPa，強度約為2.0GPa。PAN系碳纖維產量于1992年已達6500噸／年，至2000年已超過1萬t/a以上。雖然碳纖維需求量逐漸擴大，但于1991年冷戰結束后，軍事用途使用量萎縮，又因經濟蕭條，供需失去平衡，產業受到沖擊。然而，美國波音公司新銳機型B777的生產，加上土木、建筑、汽車與復合材料應用領域的擴大，使得碳纖維產業逐漸緩步成長。碳纖維的種類經高溫處理后，其含碳量超過90％以上的纖維材料，稱之為碳纖維。碳纖維的分類有許多方法，可依原料、性能、形態來進行分類。若依原料可分為聚丙烯腈系碳纖維；瀝青系碳纖維。其中聚丙烯腈系碳纖維具有高強度、高彈性率的性質，在航空器材、體育、休閑娛樂等領域大范圍使用。瀝青系碳纖維具有的高彈性模量、高導熱性等特性是聚丙烯腈系碳纖維所達不到的，通常以長纖維形態被利用。由于瀝青系碳纖維為高模量級纖維，比彈性模量顯著優良，故適合于支配剛性結構物輕量化并賦予其結構剛性。另外，瀝青系碳纖維具有高導熱性、低電阻、低熱線性膨脹率及化學穩定性好等特性。依機械性能可分為超高彈性率碳纖維(UHM類型)，彈性率600GPa以上，強度2500MPa以上；高彈性率碳纖維(HM類型)，彈性率350GPa～600GPa，強度2500MPa以上；中彈性率碳纖維(IM類型)，彈性率280GPa～350GPa，強度3500MPa以上；標準彈性率類型碳纖維(HT類型)，彈性率200GPa～280GPa，強度2500MPa以上；低彈性率碳纖維(LM類型)，彈性率200GPa以下，強度3500MPa以下。碳纖維特點及性質碳纖維呈黑色，堅硬，具有強度高、重量輕等特點，是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在35000MPa以上，是鋼的7.9倍，抗拉彈性模量為230000MPa～430000MPa，高于鋼。因此CFRP的比強度，即材料的強度與其密度之比可達到20000MPa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強度僅為590MPa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強度愈高，構件自重愈小；比模量愈高，構件的剛度愈大。從這個意義上已預示了碳纖維在工程上的廣闊應用前景。縱觀多種新興復合材料，如高分子復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料的優異性能，眾多專家預料，人類在材料應用上正從鋼鐵時代進入到一個復合材料廣泛應用的時代。PAN碳纖維及其復合材料具有以下特征：機械特性，與金屬相比，密度小，質輕；模量高，高剛性；強度高；疲勞強度高；耐磨耗性、潤滑性優良；振動衰減性優良；耐熱性、安定性，熱膨脹系數小，尺寸穩定性好；具有導熱性；在惰性氣體中耐熱性優良；電傳導及電磁波屏蔽性，具有導電性；具有電磁波屏蔽性；X射線透過性優良；屬多種導性材料，針對其目的可設計出適當的結構體。2007年，日本主要碳纖維生產商東麗公司與日產汽車等企業聯手開發出了使用碳纖維的尖端材料，可大幅減輕汽車主要部件，如底盤的重量。新技術可使汽車整體重量減輕1成，提高燃效性能4%～5%。另外，耐沖擊性可達到原來的1.5倍。這些廠家計劃3年后在市售車上應用此新技術。在全球為減排溫室氣體而強化燃效規定的背景下，這一新技術有望加快以鋼鐵為主的汽車原材料的轉變。底盤是汽車底部的骨架，是與發動機等同等重要的基礎部件。此前，曾在將發動機的動力傳導給車輪的傳動軸上采用過碳纖維。如果新技術達到實用水平，則是首次在汽車主要部件上采用碳纖維。以高級乘用車為例，目前的鋼鐵底盤重量約達300kg，如果改用碳纖維與樹脂合成的碳纖維強化塑料，則可降低到150kg左右，1.5t左右的汽車總重量由此可減輕1成。另外，在發生碰撞事故時，底盤會發生變形，從而吸收沖擊力。假定在時速60km下發生碰撞事故，底盤的能量吸收量可提高到

1.5倍，從而可減輕人體所受的沖擊。碳纖維的應用碳纖維是含碳量高于90%的纖維的總稱，因含碳量高而得名。碳纖維既具有元素碳的各種優良性能，如比重小、耐熱、耐熱沖擊，耐化學腐蝕和導電等，又有纖維的可繞性和優異的力學性能。特別是它的比強度和比模量高，在絕氧條件下，可耐2000℃的高溫，是一種重要的工業用纖維材料，適用于作增強復合材料、燒蝕材料和絕熱材料。它是20世紀60年代初發展起來的一種新型材料，現已成為現代社會不可缺少的一種新穎材料。休閑產品中，最早應用PAN碳纖維的是釣魚竿。現在世界上碳纖維釣魚竿的年生產量為1200萬根左右，相當于碳纖維用量約1200噸。碳纖維在高爾夫球桿的應用是于1972年開始的，現在世界上碳纖維高爾夫球桿的年生產量約4000萬根左右，相當于2000噸碳纖維的用量。網球拍的應用是從1974年開始的，目前世界上年生產碳纖維球拍約450萬個，需碳纖維用量約500噸。在其他方面，碳纖維還廣泛應用于滑雪板、雪船、滑雪桿、棒球棒、公路賽以及船舶類體育用品。人們認識到了碳纖維輕量化、耐疲勞性和耐腐蝕性等性能，因而開始廣泛應用于航空航天行業。在宇航領域，由于高模量碳纖維的輕量性、尺寸穩定性的導熱性，早已應用于人造衛星等方面，近年來已開始應用于銥星等通信衛星。造型復合物主要是以短纖維的形式混入用于熱塑性樹脂中，由于具有補強、抗靜電、電磁波屏蔽效果，可廣泛應用于家用電器、辦公室機器、半導體及其相關領域。壓力容器主要用在壓縮罐和消防員用的空氣呼吸器，包括用CF長絲纏繞所生產的所有罐類。其他燃料容器，如CNG罐，若采用以往的金屬制造是很重的，為了使其運行距離加長，必須輕量化。因此，采用金屬加上纖維纏繞或塑料襯里的全復合材料容器正進行實用化生產應用。空氣呼吸器是去年在美國受到DOT認定的CF制品，今后

其市場需求將急劇增長。近幾年在土木建筑領域，靠碳纖維進行抗震補修和補強的施工法，在日本得到劃時代的普及。以阪神大震災為開端的抗震補強，以及伴隨著與施工時相比，因交通量和積載量等大幅度增加而造成的劣化所進行的道路橋梁等補強，都開始滲透碳纖維片材的施工法。這種施工法是將單向排列的碳纖維片材或織物狀材料，用常溫固化型的環氧樹脂貼服于結構物表面而進行的補修與補強。公路橋的地面、橫梁、建筑物和梁、構架以及煙筒等的彎曲補強中，碳纖維的模量變得格外重要。除前文所述日本東麗在汽車領域中的大幅研制與應用外，近年來以歐洲為中心，在渡輪、大型快艇和其他舟艇類方面，碳纖維的市場需求量正在增長。在能源及相關領域，包括風力發電機葉片、燃料電池電極、飛輪等用途，碳纖維的成長趨勢更是強勁。雖然風力發電用途目前尚待進一步推廣，但這些應用領域都能充分發揮碳纖維的特長。碳纖維的應用，除涉及到以往X射線醫療器械、電子器械等相關領域、各種機械部件、電器部件、傘類骨架、頭盔等與生活相關的用品，以及卡車的構架、車輛的結構體、冷凍箱、家用電梯等新項目。

第四篇：碳纖維復合材料在航空航天領域相關發展

碳纖維復合材料在航空航天領域的發展淺析

咱們分航空和航天兩個方面，對CFRP的應用，略加介紹。這篇的很多技術術語，都在前文中介紹過。您有了那些鋪墊，再讀下去，會覺得沒那么生澀。還會因為知道了前因后果，感悟得更多一點所謂外行看熱鬧，內行看門道。說到應用，國外的料大家盡管爆，國內產品公開的信息不多，因此兵器迷所知有限，只能給大家上個小菜——所有國內資料都來自互聯網官方報道和公開出版物，并注明了相關來源。額來壇子的目的，第一是學習，第二是分享，第三是科普。

一、航空方面的CFRP應用

業內一般認為，碳纖維復合材料在軍用航空方面的應用大體上可以分為三個階段（也有按四個階段分的，差異不大）。民機對安全性、經濟性、可靠性要求高于軍機，因此在應用上更加保守和延后，但也大體追隨了軍機的步伐。在此一并介紹。

第一階段——非承力結構：20世紀60-70年代：由于1公斤CFRP可以大體替代3公斤鋁合金，性能滿足要求，因此開始用于非承力結構，如艙門、前緣、口蓋、整流罩等尺寸較小的部件。對于民機，除了上述應用外，機艙大量的內飾也會用到復合材料，但其中有很多是芳綸或者玻璃纖維復材，這里不贅述。

國內方面：從難度上說，非承力結構是航空復材的小case，但是應用面卻最廣泛。國內在技術上已無大的障礙，基本達到了國外類似的水平，需要的是大規模普及。相信ARJ21,C919和運20等大平臺和眾多無人機小平臺定型運營后，能夠為此提供廣闊的應用空間。

這些一般應用，大多用便宜的大絲束產品就夠了；而T300以上的產品，貴得離譜，好鋼用在刀刃上，于是大多用在承力結構上。

第二階段——次承力結構：20世紀70-80年代：隨著力學性能的改善與前期應用的效果提高了人們的信心，CFRP逐步擴展到飛機的次承力結構，即垂尾、平尾、鴨翼、副襟翼舵面等受力較大、尺寸較大的部件。

其中，1971年美國F-14戰斗機把纖維增強的環氧樹脂復合材料成功應用在平尾上，是復合材料史上的一個里程碑事件。波音B777也將CFRP應用于垂尾、平尾等多處部件，共用復合材料9.9噸，占結構總重的11%。

國內方面:

中國將CFRP用于軍機的舵面和翼面，也已經開始成熟。

根據《玻璃鋼》等雜志的公開報道,早在“六五”期間，沈陽飛機設計所、航空材料研究院和沈陽飛機廠共同研制殲擊機復合材料垂尾壁板，比原鋁合金結構輕21kg，減重30％。北京航空工藝研究所研制并生產的QY8911／HT3雙馬來酰亞胺單向碳纖維預浸料及其復合材料已用于飛機前機身段、垂直尾翼安定面、機翼外翼、阻力板、整流壁板等構件。殲轟7-A戰機采用了CFRP平尾。

2009年建國60周年國防成就展上，報道了殲10在鴨翼、垂尾、襟副翼、腹鰭等所有7個舵面和腹鰭采用了CFRP材料，這與國外這一階段的發展水平基本相當。

2011年通用航空大會上披露，即將定型的獵鷹L15高教機也采用了復材的機頭罩、方向舵和垂尾，其中舵面是CFRP。

在民機方面，ARJ21新支線飛機的復合材料技術水平大體達到了這樣一個水平，算是開了個頭，但大規模應用尚需時日。

圖1 國內某機型基于“π”形接頭盒段結構成型的CFRP垂直安定面

圖2：獵鷹L15采用了T300CFRP材料制作的尾翼舵面

國內CFRP次承力構件的廣泛應用，與T300生產進程密切相關。材料的國產化，產量的擴大化和價格的低廉化，分別為CFRP次承力構件的應用提供可能性、適用性和經濟性。從而最終推動CFRP次承力構件成為國產軍民航空器的標配。

這一階段的材料和工藝，都是我們用T300和手工鋪疊工藝能夠達到的，因此未來的發展相對有把握。但如果制件再大些，承力再大些，就會涉及主承力結構了。

第三階段，從上世紀80年代至今，隨著高性能碳纖維和預浸料-熱壓罐整體成型工藝的成熟，CFRP逐步進入機翼、機身等受力大、尺寸大的主承力結構中。

美國原麥道飛機公司于1976年率先研制了F/A-18的復合材料機翼，把復合材料的用量提高到了13%，成為復合材料史上的又一個重要里程碑。后期更采用自動鋪絲技術為FA-18E/F制造CFRP的12塊機身蒙皮，10塊進氣管蒙皮，4塊水平尾翼蒙皮。F16戰斗機BLOCK50之后也開始采用CRPR復合材料機翼。F22戰機的復合材料用量已經提高到結構重量的22%。目前西方國家軍機上復合材料用量約占全機結構重量的 20%～50%不等。

民機方面，波音777采用全復合材料尾翼，其翼面及翼盒構件，均采用自動鋪帶技術制造。空客A330/A340飛機長9m，寬2m，重200kg的大型蒙皮壁板。A380的后機身所有蒙皮壁板19段，22%的機身重量是CFRP。尤其是A380的8*7*2.4米中央翼盒，重8.8噸，CFRP就用了5.5噸，比金屬材料減重達1.5噸，其燃料經濟性相當可觀。

這方面的先行者，是波音公司的B787“夢想”飛機，復合材料應用率50%。CFRP廣泛應用在機翼、機身、垂尾、平尾、機身地板梁、后承壓框等部位，同時是第一個同時采用CFRP復合材料機翼和機身的大型商用客機，其23% 的機身均使用了自動鋪絲機制成的CFRP材料。

最值得關注的，是其機身：787機身工藝采用直徑5.8m 的成型模胎安裝在一旋轉夾具上沿長軸轉動，先鋪長桁然后鋪皮，形成外表光滑的變厚度的殼體以及共固化的桁條組成的機身段，經過熱壓罐固化后，取下模胎。這一工藝可以代替由上百塊蒙皮壁板、加強筋及長桁、上千個緊固件組成機身的工藝，見下圖。

圖3：波音787直徑5.8米整體成型CFRP框段

在研機方面，波音公司X-45系列飛機復合材料用量達90%以上，諾斯羅普·格魯門公司的X-47系列飛機也基本上為全復合材料飛機。

看完波音的系列CFRP主承力結構產品，兵器迷想問問某些網友，憑哪條說美國是產業空心化，只剩下金融和房地產了？人家居安思危，幾句謙虛的自拙之語，被剛進入工業化不久的我們如獲至寶般的照單全收，再加以主觀放大，作為沾沾自喜的根據，實在不足為取啊。

國內方面

根據中廣網的公開報道，2012年12月，中航工業西飛公司向中國商用飛機有限責任公司(簡稱中國商飛)交付了C919大型客機中央翼、襟翼及運動機構部段，這是C919大型客機七大部段中難度最大、工作量最大的兩個部分。這兩個部段尺寸大、結構復雜、外形公差要求高，尤其是國內民機最長尺寸、長達15米的襟翼緣條加工，技術難度非常大。西飛突破了復合材料大型成型模具設計制造技術、復合材料構件預裝配變形控制技術等多項技術難關，整個研制過程全部采用先進的三維數字化設計、傳遞與制造，中央翼部段除1號肋是金屬件外，全部采用了先進的中模高強碳纖維/增韌環氧樹脂復合材料制造。這是國內首次在固定翼飛機最重要的主承力結構件上使用復合材料，代表了中國制造的碳纖維航空復合材料應用的最高水平。

圖4 國內基于T 形接頭共固化/膠接一體成型工藝研制的盒段件。

圖5國內采用CFRP生產的某機型縱橫向加筋機身壁板。

注意，圖5的產品仍然面積較小，需要通過機械加工多塊拼接形成大型壁板。而波音787可以整體成型超長超寬的壁板，覆蓋在兩個大型工藝分離面（核心主框段）之間，如5.8m×7m 的47 段和 4.3m×4.6m的 48段CFRP壁板。

我們能做出來786這么大的壁板嗎？回答是：能。

這位眼睛瞪圓了——那為什么不用呢？

其實，國內C919大飛在一開始，也曾雄心勃勃，想做類似波音787這樣的大型整體壁板.但我們的工藝水平不成熟，雖然能做出來，卻無法控制批次質量的穩定性.廢品率高，成本自然下不來。C919是商飛啊，不是技術驗證機，安全性和經濟性都是一票否決，所以琢磨了很久，還是放棄了。仍然采用分塊成型拼接吧。

差強人意,亦屬無奈。

為了學習CFRP大型構件整體成型的新技術、新工藝，哈飛復合材料公司與外方合作伙伴一起，共同進行C919的部件開發。下圖6展示的，就是哈飛復材公司參與制造的C919機尾框段——在2.4米的長度內，直徑從2米平滑過渡到1.2米，一次整體成型，是目前公開所見國內合作制作的最大體積整體成型CFRP制件。見圖6

圖6：C919機尾76-81框的CFRP整體成型框段

CFRP主承力結構件，對T700,T800等高性能軍用碳纖維生產，以及大型復材整體成型技術提出了更高需求。國內在這兩方面又都存在短板甚至空白。因此大多數應用是探索性，合作性和階段性的。在短期內，我們尚無法做到主承力結構CFRP的大規模應用。

對此，正確的態度應當是：學而時習之。中國人有差距，不可怕。咱學，咱追，一定有一天咱超——就像空警2000一樣。可怕的是妄自菲薄和夜郎自大兩種極端心態。這樣的心態，距離事實很遠;距離成功，那是無限遠。

CFRP三個階段的應用介紹完了，咱們再看看——

直升機、旋翼機、風扇葉片等其他方面

包括CFRP在內的先進復合材料的用量甚至更大。如V-22魚鷹傾轉旋翼機，其結構的50%由復合材料制成，包括機身、機翼、尾翼、旋轉機構等，共用復合材料3000多千克，其中很大一部分是CFRP。V-22的整體后機身，原由9塊手工鋪疊的壁板裝配構成，后改為自動鋪絲工藝整體成型，減少了34％的緊固件，53％的工時，降低了90％廢料率。自動鋪絲技術同時應用于儲油箱、旋翼整流罩、主起落架艙門。已經下馬的“科曼奇”(RAH-66)共使用復合材料50%，歐洲最新批次的“虎”式武裝直升機結構部件的復合材料用量高達80%，接近全復材結構。

國內方面：

2011年國際通用航空大會披露，我國與法國、新加坡合作研制的輕型直升機 EC120的機身、垂尾、水平安定面、尾翼、前艙等結構均由CFRP等復合材料制成。在軍機方面，近年來所有的國產直升機旋翼都是多維編制的CFRP復材葉片，金屬旋翼葉片已經完全淘汰。報載：復材葉片和先進旋翼機構，已經成為中國直升機整體短板下不可多得的優勢點，水平基本與國外看齊——殲20、武直

10、遼寧號這些平臺類的突破固然可喜，而直升機葉片這樣長期困境中的點滴進步，也同樣令人感動。

既然說起葉片，再嘮叨兩句航空渦扇發動機。

大家知道，航發的風扇葉片，大多采用鈦合金。金屬葉片有一個弱點，就是振動阻尼性能較差，高速旋轉時容易震顫，而且不易衰減。而且如果葉片本身已經有微小裂紋，就會在這種持續震顫中，引發裂紋由內向外快速擴張，在極短時間內造成葉片斷裂。這是一種比共振更加危險的振動現象。

因此，有些風扇就在每個葉片的兩側加一個凸臺，專業術語稱為“凸肩”。建國60周年空軍成就展上披露，在殲11系列的AL31FN和WS-10A發動機進氣口，都有這樣的凸肩（見下圖）。這樣，葉片全部高速旋轉時，各凸肩形連起來成了一個加強環，增加了葉片剛度。而且，葉片是依次疊加的，每個凸肩“頂”著前面一個葉片，有效降低了阻尼震顫。但這樣做的后果，是凸肩增加了葉片厚度和重量，同時增加了葉片數量，降低了發動機的推重比。

圖7：殲10發動機進氣口的凸肩（紅圈處）

而CFRP材料制成的風扇葉片，由于纖維多層交叉鋪貼，材料本身“各向異性”性能優越，裂紋生長緩慢，再加上振動衰減率比鈦合金快5-6倍，因此可以取消葉片凸肩。2010年珠海航展披露，GE和法國斯奈克瑪為C919大飛聯合研制的發動機LEAP-X，就采用了CFRP三維碳纖維編織物整體成型的風扇葉片，不但重量減輕了50%，葉片數也減少了一半。

國內發動機風扇葉片，目前只看到渦槳發動機的復合葉片，尚未見到實裝渦扇發動機使用CFRP的報道。2012年珠海航展上的CJ-1000A發動機是我國第一款商用渦扇航空發動機在研產品，據稱采用了CFRP寬弦復合大彎掠風扇葉片。讓我們假以時日，拭目以待吧。

在2011年中國國際通用航空大會上，“天弩”、“風刃”等無人機采用了全機結構CFRP材料，V750無人直升機、小型通用航空雙座飛機，也都大范圍采用了CFPR蒙皮，可以看作是國內碳纖維復材在通用航空領域的有益嘗試。

航空說完了，咱吧眼光再放遠點，看看航天吧。

二、航天方面的CFRP應用

鼻錐和翼面：洲際導彈、宇航飛船高速再入大氣層時，由于絕熱壓縮空氣的阻力，飛行器表面的溫度非常高。美國阿波羅飛船指揮艙表面的最高溫度達2740℃。利用CFRP系列中的分支——碳纖維碳增強復合材料CFRC（也稱碳/碳復合材料）制成燒蝕材料，熱力學性能優異，防熱效果好。如美國碳/碳復合材料在3837℃高溫持續255秒的過程中，線燒蝕率只有0.005毫米/秒，保證了航天飛機在1650℃的環境中連續工作40分鐘安然無恙。而且，碳/碳復合材料用來制造洲際彈道導彈的鼻錐和翼尖，在燒蝕過程中燒蝕率低、燒蝕均勻和燒蝕對稱。這保持了航空器的良好氣動外形，有利于減少非制導誤差，美國的民兵-III導彈，就采用了碳/碳復材鼻錐。

噴管喉襯：固體火箭發動機推進劑燃燒時產生的高溫高壓和高能粒子從噴管以3.0～4.5馬赫的超音速噴出，噴管承受3 500℃高溫、5～15 MPa的壓力和高溫沖刷。美國的民兵-III導彈，第三極火箭噴管喉稱采用了碳布浸漬樹脂，滿足3260℃工作60秒的需求。MX彈道導彈第三級發動機的噴管關鍵部位如外頭帽前段、整體喉襯入口段和喉部下游段采用了CFRC。固定體和柔性接頭絕熱層采用了碳纖維填充三元乙丙橡膠(EPOM)；海軍三叉戟Ⅱ型(D-5)的第一、第二級發動機采用了CFRC。

發動機殼體：導彈發動機殼體的減重，有利于提高導彈射程。美國“北極星”導彈的固體發動機殼體由金屬材料到CFRP材料制造，射程提高了1倍左右。例如，“北極星”AⅠ型的兩級殼體都用鋼，射程僅為2 200 km；AⅡ型第一級為鋼，第二級用GFRP，射程提高到2 800 km；AⅢ兩級都用GFRP，射程提高到4 600 km。三叉戟Ⅱ型(Trident-Ⅱ，D-5)，固體發動機殼體采用了CFRP，射程由Ⅰ型的7 400 km提高到12 000 km，命中精度為90 m，成為當前潛射洲際彈道導彈的主要型號。而且，美國目前的新型火箭，基本連殼體都是CFRP復材制成，重量輕、體積小、射程遠。

再入彈頭：洲際彈道導彈的頭部大面積防熱材料大多采用粘膠基碳纖維增強酚醛樹脂。美國Amoco、Hitco公司和白俄羅斯的斯威特朗岡斯克(СВЕТЛОГОРСК)是世界上生產粘膠基碳纖維的主要大廠。不但防熱效果好，而且粘膠基碳纖維和酚醛樹脂的純度高，堿、堿土金屬的含量相當低，重返大氣層過程中形成的燒蝕尾流含金屬離子少，不易跟蹤，加強了導彈的突防和生存能力。

級間聯接：美國GE公司為“阿特拉斯”導彈設計的高2.34米的聯接器，除口蓋之外全部采用碳纖維環氧樹脂復合材料，比鋁合金減重44%。

衛星結構材料：美國康維爾公司為雙元“OV-I”衛星制作了CFRP的四根大梁結構，減重68%。美國”ATS”衛星的地球觀測艙CFRP連接支架，長4.4米，僅重3.6公斤，可承受9頓負荷。比最好的金屬支架減重50%以上，而且高低溫度下的變形很小。

有鑒于此，分析了一下印度烈火-5導彈的公開報道（17.5米的長度，50噸的重量，1噸的彈頭，長細尖銳的彈頭外形?..）, 估計其尚不具備火箭發動機CFRP殼體，或者火箭CFRP外殼，且缺乏長程洲際導彈高彈道再入大氣層所需要的粘膠基碳纖維的獨立生產能力。果真如此，那么面對其航天大國和洲際導彈強國的炫耀，只能說，印度的進步是顯著的，差距也同樣顯著。

這位說了，說人家阿三，咱自己中不中啊？呵呵，咱往下看。

國內方面：

據《合成纖維》等雜志和網上的公開報道，我國在戰略武器方面的碳纖維應用情況如下：

火箭發動機殼體：中國的GFRP固體發動機殼體始于20世紀80年代，并已取得成功。“東方紅-2”通訊衛星運地點發動機、“風云-2”氣象衛星運地點發動機和“長征-2E”發動機的殼體都采用了GFRP來制造。我國研制成功的大型(殼體直徑1 402 mm，長2 058 mm)SPTM-14發動機與長二捆火箭配套，成功地將模擬衛星送入軌道，標志著我國大型GFRP殼體進入實用階段。之后，我國研制成功的EPKM-17上面級發動機殼體(直徑1700 mm，長1 874 mm)與長二捆大推力火箭配套，于1995年末成功地將“亞洲二號”衛星和“艾克斯達一號”衛星送入36 000 km的太空。

火箭導彈殼體：我國研制CFRP殼體也取得了長足進步。1990年代后期，進行了T300固體火箭發動機殼體的基礎試驗、殼體結構強度試驗、點火試車等全程考核，完成了12K T700 CFRP殼體結構強度試驗。第一個用在型號上的是“開拓者一號”固體小運載發動機的第四級(直徑640 mm)，并于2003年9月飛行成功。實現了CFRP殼體的歷史性跨越。目前，T800 CFRP殼體預研試驗已經展開。

噴管喉襯：我國研制的C／CFRP噴管于1989年點火成功，出口壁厚最薄處僅為0.9 mm的大尺寸(Ф500～2 000 mm左右)噴管顯示出優異的綜合性能。

再入彈頭：根據《東華校友》“創制國防尖端材料的科研先鋒——記上海市勞動模范潘鼎教授”一文報道，2001-2003上海勞動模范，東華大學材料學教授、博士生導師潘鼎教授，主持了“300Kg/年粘膠基碳纖維擴試線”這一國家級重大軍工科研項目，用不同于國外原料的國產棉纖維素原絲制成了填補國內空白、產品質量達到國際先進水平的高純度航天級粘膠基碳纖維，成果無償轉給中科院山西煤化所，進行放大生產。課題組還制定了“ＧＪＢ３８３９－２０００”國家標準，形成了具有獨立知識產權、世界上獨一無二的，用棉纖維素粘膠簾子線制備碳纖維的技術及應用設備。該技術和產品榮獲2003國家科學技術進步二等獎，解決了DF-31導彈的定型難題，并使我國已成為美俄之外，能夠獨自掌握這一產品及其生產技術的世界第三大國。

衛星結構

據中國質量新聞網報道，我國2011年發射的嫦娥二號探月衛星，其定向天線的重要支撐部分，定向天線展開臂，是由哈爾濱玻璃鋼研究院研發的CFRP復材，總重量僅500余克，較使用鋁合金材質減輕近300克，但承重能力毫不遜色。

有朋友說，300克算什么啊？呵呵，要知道，衛星的減重，是以克計的，少1克，能節約500克燃料。少300克，衛星就可以多帶一個相機或望遠鏡，多完成一些任務。再看看減重比例：40%，還是很有效的，呵呵。

總結

至此，關于碳纖維及其復合材料在航空航天領域的發展淺析系列文章，就此打住了。

有朋友問：你說了這么多，那么在碳纖維復材的航空航天應用上，中國在世界上究竟處于什么位置呢？

這個問題，兵器迷可回答不了，咱們借用中國材料大師師昌緒老先生在2010年的評論：目前中國的CFRT應用，大約處于西方發達國家1980年代的水平。

從上面的介紹可以看出，中國的碳纖維復材，在軍用領域緊追慢趕，亮點不少。但在民用航空領域的發展，一直大幅度落后于美歐日等國家，直接原因是成本太高，比要替代的鋁合金貴的多，甚至比鈦合金還要貴。

這其中的間接原因是多方面的。

首先，戰略軍用小絲束產品，得益于兩代“核心”領導的重視，T300軍用碳纖維的完全國產化，使得次承力結構軍用構件有較快的發展。而民用大絲束領域的政策扶持相對滯后許多。實際上，國家當年資源人力都有限，為了救急，集中精力搞軍用小絲束，是完全合理的。但是，從長遠來看，通用、民用產品的市場空間更大，是碳纖維行業持久發展、持續創新的厚土沉基。在軍品已經打開突破口，經濟發展、國力增強的今天，不要說大絲束，即便是小絲束產品，也應當更多的從市場和民用角度，拓寬其行業基礎，以軍帶民、以民養軍、分苗嫁接、開枝散葉，形成軍用技術和民用產業的良性互動。這是政策層面的原因。

第二，國內十數家碳纖維生產廠家，群雄并起，看似熱鬧，實際上有很大一部分并沒有掌握核心技術。要么是關鍵設備、關鍵材料需要進口，要么是工藝參數和質量控制沒有吃透。甚至，很多企業到現在，PAN原絲生產還要高價進口東麗公司的DMSO溶劑，屬于照貓畫虎形的“自主生產”。多數廠家的產品質量批次差異性較大，纏結、斷絲時有發生，合格的PAN原絲生產量不過100噸/年，達不到基本規模經濟水平。產業布局和關鍵技術的把握，都有很大的提升空間。這是PAN原絲和碳纖維生產層面的原因。

第三，在預浸料自動鋪疊技術和整體成型工藝，已經成為發達國家成熟制造技術，但對于中國航空航天碳纖維復合材料領域，依然是工業化生產中最大的一塊短板，甚至空白。即便有了引進設備，我們對復材的物理性質，力學性能研究不透，對加工參數掌握不足，知其然不知其所以然，直接用國外的軟件設計復材方案，導致CFRP復材的產量低、價格高、質量不穩定和創新能力低下。軍用部件不計成本，也就罷了，而對商業化批量生產和應用，這就是一個重大的阻礙，很多廠家為此畏難而退，裹足不前，干脆直接用已經摸透的金屬材料做更有把握和更經濟。這是復材生產層面的原因。

第四，航空航天器的設計，需要結合復材性能特性，加強整體設計的思想，而不是簡單的替換原金屬部件。舉一個簡單的例子，國內某型軍機的平尾改用CFRP復材后，確實輕了不少，但卻因此改變了全機力矩平衡，需要通過配重進行調整，結果整機減重效果并不理想。當然，逐項替代也是一種有效的驗證步驟，但有一種理念需要強調：局部優化不代表整體優化。在復合材料應用愈加廣泛的今天，頂層設計，全局優化，才能最大化的發揮復材的最大功能效用和經濟效用。這是設計思想層面的原因。

寫至此處，兵器迷覺得筆端異常沉重——回顧碳纖維復材的發展歷程，我們再一次感受到美國的強大和日本的扎實。這種強大是深入骨髓的，這種扎實是無所不在的。在碳纖維這個領域，他們傲然前行，卓越領先。

這里面有著深層次的原因。如果不能正視這種真正的領先，反而意淫著多少年GDP趕上美國就揚眉吐氣了，那么GDP第一長達上百年的大清朝頹然崩坍的歷史，就可能重演。如果不能從長效機制和基礎研究上練真功夫，那么我們今天的進步就可能是局部甚至短暫的。

當然，承認現實不代表低頭認輸。中國強大過數千年，也落后過數百年，并且已經追趕過數十年。雖然領跑者的數量和差距正在縮小，但學習和追趕仍將是我們這個民族今后很長一段時間的常態。懷著這樣的心態來看問題，美日的領先和強大，就能夠成為中國崛起成型過程中最好的熱壓罐——我們今天的挫折和困難，就像碳纖維和復材形成過程中的高溫和預浸料。忍辱負重、腳踏實地、科學精心地調制這一痛苦和嚴苛的過程，是中國軍工，乃至中華民族走向真正強大的必經之途。

期盼著中國制造碳纖維的千絲萬縷，勝金克鐵；

憧憬著中國碳纖維復材制造的航空器，自由高飛。

第五篇：碳纖維在航空航天中的應用

碳纖維在航空航天中的應用

郭 偉 中國地質大學 地球科學學院

摘要: 碳纖維就是纖維狀的碳，由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構。本文將針對碳纖維的結構、性能、制備方法及其在航空航天中的應用介紹。

引言

20世紀納米科技取得了重大發展，而納米材料是納米技術的基礎，碳纖維是一種比強度比鋼大，比重比鋁輕的材料，它在力學，電學，熱學等方面有許多特殊性能，碳纖維的強度比玻璃鋼的強度高；同時它還具有優異的導電、抗磁化、耐高溫和耐化學侵蝕的性能，被認為是綜合性能最好的先進材料，因此它在各個領域中的應用推廣非常迅速。在近代工業中，特別是在航空航天中起著十分重要的作用。

1.碳纖維的概念

碳纖維就是纖維狀的碳，由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。與傳統的玻璃纖維(GF)相比，楊氏模量是其3 倍多；它與凱芙拉纖維(KF-49)相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。有學者在1981年將PAN基CF浸泡在強堿NaOH溶液中，時間已過去30多年，它至今仍保持纖維形態。2.碳纖維的結構

碳纖維的結構決定于原絲結構和炭化工藝。對有機纖維進行預氧化、炭化等工藝處理，除去有機纖維中碳以外的元素，形成聚合多環芳香族平面結構。在碳纖維形成過程中，隨著原絲的不同，質量損失可達10~80％，形成了各種微小的缺陷。但無論用哪種材料，高模量的碳纖維中的碳分子平面總是沿纖維軸平行的取向。用x一射線、電子衍射和電子顯微鏡研究發現，真實的碳纖維結構并不是理想的石墨點陣結構。碳纖維呈現亂層石墨結構。在亂層石墨結構中，石墨層片仍是最基本結構單元，一般由數張到數十張層片組成石墨微晶，這是碳纖維的二級結構單元。層片之間的距離叫面間距d，由石墨微晶再組成原纖維，其直徑為50nm左右，長度為數百nm，這是纖維的三級結構單元。最后由原纖維組成碳纖維的單絲，直徑一般為6—8μm。原纖維并不筆直，而是呈彎曲、裙皺、彼此交叉的許多條帶組成的結構。在這些條帶的結構中，存在著針形孔隙，其寬度為1.6—1.8nm，長度可達幾十nm。在碳纖維結構中的石墨微晶與纖維軸構成一定的夾角，稱為取向角，這個角的大小影響纖維模量的高低。如聚丙烯脯基碳纖維的d為0.337nm，取向角為8°。碳纖維結構是高倍拉伸的、沿軸向擇優取向的原纖維和空穴構成的高度有序織態結構。影響碳纖維強度的重要因素是纖維中的缺陷。碳纖維中的缺陷主要來自兩方面，一方面是原絲帶來的缺陷，另一方面是炭化過程中產生的缺陷。原絲帶來的缺陷在炭化過程中可能消失小部分，而大部分將保留下來，變成碳纖維的缺陷。同時，在炭化過程中，由于大量的元素以及各種氣體的形成逸出，使纖維表面和內部形成空穴和缺陷。3.碳纖維的性能 3.1 碳纖維的力學性能

碳纖維具有很高的抗拉強度，其抗拉強度是鋼材的2倍、鋁的6倍。碳纖維模量是鋼材的7倍、鋁的8倍。

3.2 碳纖維的物理性能

碳纖維的密度在1.5—2.0g／cm3之間，這除與原絲結構有關外，主要決定于炭化處理的溫度。一般經過高溫(3000℃)石墨化處理，密度可達2.og／cm3，碳纖維的熱膨脹系數與其他纖維不同，它有各向異性的特點。平行于纖維方向是負值(-0.72×10-6~0.90×10-6)，而垂直于纖維方向是正值(32×10-6~22×10-6)。碳纖維的比熱容一般為7.12×10-1 KJ／(kg·K)。熱導率隨溫度升高而下降。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關，在25℃時，高模量纖維為775μΩ／cm，高強度碳纖維為1500 μΩ／cm。碳纖維的電動勢是正值，而鋁合金的電動勢為負值。因此當碳纖維復合材料與鋁合金組合應用時會發生化學腐蝕。3.3碳纖維的化學性能

碳纖維的化學性能與碳很相似，它除能被強氧化劑氧化外，對一般堿性是惰性的。在空氣中，溫度高于400℃時則出現明顯的氧化，生成CO和CO2。在不接觸空氣或氧化劑時，碳纖維具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高于1500℃時強度才開始下降，而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化，它還有耐油、抗放射、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。4.碳纖維的制備

碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經碳化制得：按狀態分為長絲、短纖維和短切纖維：按力學性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強度為1000兆帕（MPa）、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強型（強度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。強度大于4000MPa的又稱為超高強型：模量大于450GPa的稱為超高模型。隨著航天和航空工業的發展，還出現了高強高伸型碳纖維，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。目前應用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。碳纖維的制造包括纖維紡絲、熱穩定化（預氧化）、碳化、石墨化等4個過程。其間伴隨的化學變化包括，脫氫、環化、預氧化、氧化及脫氧等。

第一、原絲制備，聚丙烯腈和粘膠原絲主要采用濕法紡絲制得，瀝青和酚醛原絲則采用熔體紡絲制得。制備高性能聚丙烯腈基碳纖維需采用高純度、高強度和質量均勻的聚丙烯腈原絲，制備原絲用的共聚單體為衣康酸等。制備各向異性的高性能瀝青基碳纖維需先將瀝青預處理成中間相、預中間相（苯可溶各向異性瀝青）和潛在中間相（喹啉可溶各向異性瀝青）等。作為燒蝕材料用的粘膠基碳纖維，其原絲要求不含堿金屬離子。

第二、預氧化(聚丙烯腈纖維200～300℃)、不熔化（瀝青200～400℃）或熱處理(粘膠纖維240℃),以得到耐熱和不熔的纖維,酚醛基碳纖維無此工序。

第三、碳化,其溫度為：聚丙烯腈纖維1000～1500℃,瀝青1500～1700℃,粘膠纖維400～2000℃。第四、石墨化,聚丙烯腈纖維為2500～3000℃,瀝青2500～2800℃,粘膠纖維3000～3200℃。第五、表面處理，進行氣相或液相氧化等，賦予纖維化學活性，以增大對樹脂的親和性。

第六、上漿處理,防止纖維損傷,提高與樹脂母體的親和性。所得纖維具有各種不同的斷面結構。要想得到質量好碳纖維，需要注意一下技術要點：

（1）實現原絲高純化、高強化、致密化以及表面光潔無暇是制備高性能碳纖維的首要任務。碳纖維系統工程需從原絲的聚合單體開始，實現一條龍生產。原絲質量既決定了碳纖維的性質，又制約其生產成本。優質PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件。

（2）雜質缺陷最少化，這是提高碳纖維拉伸強度的根本措施，也是科技工作者研究的熱門課題。在某種意義上說，提高強度的過程實質上就是減少、減小缺陷的過程。

（3）在預氧化過程中，保證均質化的前提下，盡可能縮短預氧化時間。這是降低生產成本的方向性課題。

（4）研究高溫技術和高溫設備以及相關的重要構件。高溫炭化溫度一般在1300～1800℃，石墨化一般在2500～3000℃。在如此高的溫度下操作，既要連續運行、又要提高設備的使用壽命，所以研究新一代高溫技術和高溫設備就顯得格外重要。如在惰性氣體保護、無氧狀態下進行的微波、等離子和感應加熱等技術。5.碳纖維在航空航天中的應用

5.1在飛機機身上的應用

近10 年來,國內飛機上也較多的使用了碳纖維及其復合材料。例如由國內幾家科研單位合作開發研制的某殲擊機復合材料垂尾壁板,比原鋁合金結構輕21 kg ,減質量30 %。北京航空制造工程研究所研制并生產的Q Y8911/ HT3雙馬來酰亞胺單向碳纖維預浸料及其復合材料已用于飛機前機身段、垂直尾翼安定面、機翼外翼、阻力板、整流壁板等構件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/ AS4C 熱塑性樹脂單向碳纖維預浸料及其復合材料,具有優異的抗斷裂韌性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲勞性能,適合制造飛機主承力構件,可在120 ℃下長期工作,已用于飛機起落架艙護板前蒙皮。在316 ℃這一極限溫度下的環境中,復合材料不僅性能優于金屬,而且經濟效益高。隨著基體樹脂和碳纖維性能的不斷提高,碳纖維增強樹脂基復合材料的耐濕熱性及斷裂延伸率得到顯著改善和提高。在飛機上的應用已由次承力結構材料發展到主承力結構材料。5.2 在航空發動機上的應用

樹脂基復合材料由于具有密度小、比強度高和耐高溫等固有特性,復合材料在航空渦輪發動機上應用的范圍越來越廣且比例越來越大,使航空渦輪發動機向“非金屬發動機”或“全復合材料發動機”方向發展。憑借比強度高,比模量高,耐疲勞與耐腐蝕性好的優點,J TA GG 驗證機的進氣機匣采用碳纖維增強的PMR15 樹脂基復合材料,比采用鋁合金質量減輕26 %。

碳化硅纖維增強的鈦基復合材料，憑借密度小(有的僅為鎳基合金的1/ 2),比剛度和比強度高,耐溫性好等優點,碳化硅纖維增強的鈦基復合材料在壓氣機葉片、整體葉環、盤、軸、機匣、傳動桿等部件上已經得到了廣泛應用。

目前主要的陶瓷基復合材料產品是以SiC 或C纖維增強的SiC 和SiN 基復合材料。憑借密度較小(僅為高溫合金的1/ 3～1/ 4),力學性能較高,耐磨性及耐腐蝕性好等優點,陶瓷基復合材料,尤其是纖維增強陶瓷基復合材料,已經開始應用于發動機高溫靜止部件(如噴嘴、火焰穩定器),并正在嘗試應用于燃燒室火焰筒、渦輪轉子葉片、渦輪導流葉片等部件上。5.3 在火箭發動機上的應用

由于火箭發動機噴管壁受到高速氣流的沖刷,工作條件十分惡劣, 因此C/ C 最早用作其噴管喉襯, 并由二維、三向發展到四向及更多向編織。同時火箭發動機設計者多年來一直企圖將具有高抗熱震的Ct / SiC 用于發動機噴管的擴散段, 但Ct 的體積分數高, 易氧化而限制了其廣泛應用, 隨著CVD、CVI 技術的發展, 新的抗氧化Ct / SiC 及C-C/ SiC 必將找到其用武之地。Melchior 等認為碳纖維CMC、陶瓷纖維CMC 以及C/ C 復合材料,特別是以SiC 為纖維或基體的CMC 抗氧化, 耐熱循環和燒蝕, 是液體火箭發動機燃燒室和噴管的理想材料, 并進行了總數為31 個的長達20 000 s 的燃燒室和噴管點火試驗, 內壁溫度高達1732 ℃, 一個600 kg 發動機成功地點火七次, 溫度為1449℃。目前為解決固體火箭發動機結構承載問題, 美國和法國正在進行陶瓷纖維混合碳纖維而編織的多向(6 向)基質、以熱穩定氧化物為基體填充的陶瓷復合材料。SiC 陶瓷制成的喉襯、內襯已進行多次點火試驗。今天作為火箭錐體候選材料的有A12O3、ZrO2、ThO2 等陶瓷, 而作為火箭尾噴管和燃燒室則采用高溫結構材料有SiC、石墨、高溫陶瓷涂層等。碳纖維仍將是今后固體火箭發動機殼體和噴管的主要材料。5.4在衛星和宇航器上的應用

由于碳纖維的密度、耐熱性、剛性等方面的優勢, 增強纖維以碳纖維為主。碳纖維復合材料在空間技術上的應用, 國內也有成功范例, 如我國的第一顆實用通信衛星應用了碳纖維/環氧復合材料拋物面大線系統;第一顆太陽同步軌道“ 風云一號” 氣象衛星采用了多折迭式碳纖維復合材料剛性太陽電池陣結構等。衛星結構的輕型化對衛星功能及運載火箭的要求至關重要,所以對衛星結構的質量要求很嚴。國際通訊衛星VA 中心推力筒用碳纖維復合材料取代鋁后減質量23 kg(約占30 %),可使有效載荷艙增加450條電話線路,僅此一項盈利就接近衛星的發射費用。

參考文獻

[1]高永忠.纖維增強樹脂復合材料在武器裝備上的應用[J].應用導航, 2006 ,01 :24.[2]李愛蘭,曾燮榕,曹臘梅等航空發動機高溫材料的研究現狀[J].材料導報,2003 ,17(2):26.[3]《航空航天先進復合材料現狀》論文 吳良義

[4]《復合材料在航空航天中的應用》論文 蘇云洪,劉秀娟,楊永志 [5]部分內容來源于維基百科及百度百科等網站