第一篇：碳纖維的應用和個人感想

在碳纖維應用領域中，風電葉片是個熱點。當前，風能在我國得到廣泛利用，風電葉片需求潛力巨大。要減輕葉片的質量，又要滿足強度與剛度要求，一個有效的辦法就是采用碳纖維增強。中復神鷹萬噸級碳纖維一期工程投產暨中復聯眾2兆瓦風電葉片、吉林明陽大通風電技術1.5兆瓦系列風電機組等項目近期批量生產。其中，吉林明陽大通產品實現現場安裝，樣機的累計運行參數超過預期水平，并與吉林大唐、華電電力公司等單位草簽了約50億元的供貨合同。

為了降低風電單位成本，風機功率不斷提高，隨之葉片長度也不斷增加，使碳纖維在風電葉片中的應用成為必然。介紹了碳纖維在風電葉片上應用的優勢和不足，以及解決的技術途徑。

碳纖維材料在風力發電機葉片中的應用

當葉片長度增加時，質量的增加要快于能量的提取。因為質量的增加和風葉長度的立方成正比，而風機產生的電能和風葉長度的平方成正比。同時隨著葉片長度的增加，對增強材料的強度和剛度等性能提出了新的要求玻璃纖維在大型復合材料葉片制造中逐漸顯現出性能方面的不足。為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的質量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強。國外專家認為由于現有材料不能很好滿足大功率風力發電裝置的需求，玻璃纖維復合材料性能已經趨于極限，因此，在發展更大功率風力發電裝置和更長轉子葉片時，采用性能更好的碳纖維復合材料勢在必行。他們認為當風力機超過3MW、葉片長度超過40m時，葉片制造時采用碳纖維已成為必要的選擇。事實上，當葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片反而比玻璃纖維葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降了。

目前國外把碳纖維用于葉片制造的廠家主 要有：

（1）丹麥LM Glassfiber“未來”葉片家族中61.5 m長、5 MW風機的葉片在梁和根部都選用了碳纖維。

（2）德國葉片制造商Nordex Rotor新制造的56 m長，5 MW風機葉片的整個梁結構也采用了碳纖維，他們認為葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片的制作成本并不比玻璃纖維的高。

（3）Vestas Wind System 在他們制造的44 m長、V-90 3.0 MW風電機中的葉片的梁采用了碳纖維。2004 年12 月Zoltek Companies Inc.宣布與Vestaswind Systems AS公司訂立長期戰略合同，在前3 a提供價值8千萬到1億美元的碳纖維用于制造風機葉片；Zoltek Companies Inc在股東大會上宣布對NEGMicon的碳纖維合同將比每年150 t增加1倍。同時每

年分別向Vestas和Gamesa各提供1 000 t，所用牌號為Panex33 48K。

（4）西班牙Gamesa在他們旋轉直徑為87 m(G87)和90 m(G90)2 MW的風機的葉片中采用了碳纖維／環氧樹脂預浸料。

（5）NEG Micon在40 m的葉片中采用了碳纖維增強環氧樹脂。

（6）德國Enercon GmbH在他們的大型葉片的制造中也使用了碳纖維。（7）華盛頓的Kirkland公司和TPI Composites公司合作，發展碳纖維風機葉片，以求得最大的能量獲得，同時減輕風機的負載。方案通過對30~35 m長葉片的設計，制造和測試證明先進的碳纖維混編設計葉片的商業化的可行性。

碳纖維在風機葉片中應用的優勢

碳纖維的應用優勢：

(1)提高葉片剛度，減輕葉片重量

碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%，強度大40%，尤其是模量高3至8倍。大型葉片采用碳纖維增強可充分發揮其高彈輕質的優點。荷蘭戴爾弗理工大學研究表明，一個旋轉直徑為120米的風機的葉片，由于梁的質量超過葉片總質量的一半，梁結構采用碳纖維，和采用全玻纖的相比，重量可減輕40%左右;碳纖維復合材料葉片剛度是玻璃纖維復合材料葉片的兩倍。據分析，采用碳/玻混雜增強方案，葉片可減重20%～30%。Vesta Wind System公司的V90 3 Mw發電機的葉片長44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構件，葉片質量與該公司V80 2 MW發電機且為39米長的葉片質量相同。同樣是34m長的葉片，采用玻璃纖維增強聚脂樹脂時質量5800kg，采用玻璃纖維增強環氧樹脂時質量5200kg，而采用碳纖維增強環氧樹脂時質量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風機葉片質量比玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。

(2)提高葉片抗疲勞性能

風機總是處在條件惡劣的環境中，并且24小時的處于工作狀態。這就使材料易于受到損害。相關研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當與樹脂材料混合時，則成為了風力機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一。

(3)使風機的輸出功率更平滑更均衡，提高風能利用效率 使用碳纖維后，葉片重量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學性能，減少對塔和輪軸的負載，從而使風機的輸出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同時，碳纖維葉片更薄，外形設計更有效，葉片更細長，也提高了能量的輸出效率。

(4)可制造低風速葉片

碳纖維的應用可以減少負載和增加葉片長度，從而制造適合于低風速地區的大直徑風葉，使風能成本下降。

(5)可制造自適應葉片

葉片裝在發電機的輪輪上，葉片的角度可調。目前主動型調節風機(active utility-size wind turhines)的設計風速為13 to15m/sec(29 to 33mph)，當風速超過時，則調節風葉斜度來分散超過的風力，防止對風機的損害。斜度控制系統對逐步改變的風速是有效的。但對狂風的反應太慢了，自適應的各向異性葉片可幫助斜度控用系統(thepitch control system)，在突然的、瞬間的和局部的風速改變時保持電流的穩定。自適應葉片充分利用了纖維增強材料的特性，能產生非對稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設計，使葉片在強風中旋轉時可減少瞬時負載。美國Sandia National Laboratories致力于自適應葉片(“adzptive”blade)研究，使1.5W風能從每KWh 5美分降到4.9分，價格可和燃料發電相比。

(6)利用導電性能避免雷擊利用碳纖維的導電性能，通過特殊的結構設計，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。

(7)降低風力機葉片的制造和運輸成本

由于減少了材料的應用，所以纖維和樹脂的應用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運輸成本都會下降。可縮小工廠的規模和運輸設備。

(8)具有振動阻尼特性。碳纖維的振動阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發生任何共振的可能性。

感想

在這次關于碳纖維的課題中，我們每人都負責一塊內容，從碳纖維的歷史背景到合成工藝，又從發展應用到熱點的討論和發展前景。每個人通過在網上查閱資料，最后資料整合，做成ppt，這個過程，我們付出了努力，從中也頗有收獲。這是一個自我探究與發現的過程，對于未知領域的認識與探討，鍛煉了我們的學習能力，探究能力和合作能力。在這次課題里，我負責的是關于碳纖維的熱點，其實碳纖維的應用已經很廣泛了，我在查閱了很多資料后，發現碳纖維可以用于航空航天、交通、體育與休閑用品、醫療、機械、紡織等很多的領域，然而，最有價值的我認為是應用于風力發電，將碳纖維的工藝用于制造風車葉片，是具有重大意義的，它對于人類能源的利用，人類未來的發展都影響很大，目前對于這一方面的知識也是很尖端的。

我整理的關于目前碳纖維的熱點，能源一直是人類發展的重要前提，目前世界能源緊缺，對于能源的充分利用具有重大的意義。在中國幅員遼闊，海岸線長，風力資源十分豐富，所以風力發電對于能源的利用是十分重要的，風車一直以來都在改進，以獲得更大的效率，風車葉片利用碳纖維加工，是很有遠見性的，將碳纖維運用于風力發電，有很大的優勢，(1)提高葉片剛度，減輕葉片質量(2)提高葉片抗疲勞性能（3）使風機的輸出功率更平滑更均衡,提高風能利用效率（4）可制造低風速葉片（5）可制造自適應葉片（6）利用導電性能避免雷擊（7）降低風力機葉片的制造和運輸成本（8）碳纖維的風車葉片成為目前的熱點。

具有振動阻尼特性。在這些優勢下，

第二篇：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

第三篇：專利分析報告(碳纖維復合材料的應用)

題目：碳纖維復合材料國內專利情況研究報告專利情報分析報告

學

院：

專

業： 年

級： 姓

名：

2015年12月

目錄 檢索報告 …………………………………………………3 1.1 課題背景 …………………………………………………3 1.2 檢索范圍 …………………………………………………4 1.3 檢索系統 …………………………………………………4 1.4 檢索方式 …………………………………………………5 1.5 檢索策略 …………………………………………………5 1.6 檢索結果及處理 …………………………………………5 2.專利總體分析 ………………………………………………5 2.1 專利文獻公布量年代分析 ………………………………6 2.2 專利權人分析 ……………………………………………6 2.3 技術領域趨勢分析

…………………………………7 2.4 申請人相對研發實力分析 ………………………………8 2.5專利類型分析

……………………………………………9 2.6法律狀態分析 ……………………………………………10 2.7機構屬性分析 ……………………………………………11

1檢索報告 1.1課題背景

碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內剛”，質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。碳纖維具有許多優良性能，碳纖維的軸向強度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性好等。碳纖維與傳統的玻璃纖維相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱夫拉纖維相比，楊氏模量是其2倍左右，在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出。

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，現在還廣泛應用于體育器械、紡織、化工機械及醫學領域。隨著尖端技術對新材料技術性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不斷努力提高。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。

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。因為航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運載火箭減輕500公斤。所以，在航空航天工業中爭相采用先進復合材料。有一種垂直起落戰斗機，它所用的碳纖維復合材料已占全機重量的1/4，占機翼重量的1/3。據報道，美國航天飛機上3只火箭推進器的關鍵部件以及先進的MX導彈發射管等，都是用先進的碳纖維復合材料制成的。

隨著新技術的不斷發展，對材料的要求日益增加，碳纖維所具有的高強度（是鋼鐵的5倍）、出色的耐熱性(可以耐受2000℃以上的高溫)、出色的抗熱沖擊性、低熱膨脹系數(變形量小)、熱容量小（節能）、比重小（鋼的1/5）、優秀的抗腐蝕與輻射性能等優勢越來越能夠適應時代的要求。

1.2檢索范圍

國內相關專利

1.3檢索系統

SIPO專利檢索系統

1.4檢索方式

關鍵詞

1.5檢索策略 1.5.1檢索詞

碳纖維

carbon fibre 復合材料

composite material 1.5.2檢索策略

發明名稱=(碳纖維 AND 復合材料)1.6檢索結果

通過以上檢索式在SIPO專利數據庫共檢索出相關合并同族專利后專利文獻1332篇.(經過閱讀，共篩選出相關文獻1032篇為基礎進行分析)

2.總體專利分析

2.1專利文獻公布量年代分析

從上圖中可以看出，碳纖維復合材料方面專利文獻公開量從2006年起整體呈增長趨勢。近十年的公布量分為兩個階段：第一階段2006年-2013年7年間，專利文獻數量由最開始的少于50篇增長至2013年的187篇；第二階段2013年-2015年三年間，專利文獻數量波動不大，進入了相對平穩時期，專利數量在150篇200篇之間。通過文獻公開量的趨勢可以看到，近年來，該領域中，專利文獻公開量呈快速增長趨勢。通過文獻量的趨勢，可以判斷出該領域的技術近年來呈平穩快速發展趨勢。

2.2 專利權人分析

從上表可以看出，碳纖維復合材料方面技術主要掌握于各個高校手中，申請前十有五所均為高校，專利權數量占前十總量的59.24%，其中哈工大申請數量最多、。前十另外四家為各個公司所有，值得注意的是第四名為個人肖忠淵。

2.3 技術領域趨勢分析

從上表可以看出，十年來，領域B32（層狀產品）以及領域H01（基本電器元件）盡管在2012年左右稍有增加，但從體來說年申請量基本沒有增長。而領域C08（有機高分子化合物;其制備及原料加工；以其為基料的組合物）和領域B29（塑料的加工；一般處于塑性狀態物質的加工）則在進十年間總體上呈高速狀態，盡管近兩年有所下滑，但也遠高于另外兩個領域，可以預見這兩個領域將是碳纖維復合材料今后的主要發展方向。

2.4申請人相對研發實力分析

從上表可以看出，申請量排名前十的申請人在不同領域的研發水平和側重情況有所不同，其中，最為平均的是哈爾濱工業大學和天津大學，在5~6個領域都有發明；最不平均的是肖忠淵，只在兩個領域有專利，而肖忠淵則在F16（工程原件或部件）領域獨占鰲頭，幾乎壟斷該項技術；而大連理工大學在B23（機床；其他金屬加工）方面具有壟斷性優勢。

2.5專利類型分析

從上表可以看出，在碳纖維復合材料領域發明書要遠大于實用新型數

2.6法律狀態分析

從上表可以看出，整體上來說，碳纖維符合材料相關專利的法律狀態并不樂觀，僅有約三分之一的專利有效，撤回，失效，駁回的專利占四分之一，而還有四成多的專利處于審核狀態，這提醒我們后來的人要注意申請專利時一定要各方面考慮完全，盡量提高申請成功率。

2.7機構屬性分析

從上表可以看出，企業和大專院校是專利申請的主力軍，幾乎平分了申請總量，另有少部分也屬于科研單位，這從側面也證明了碳纖維復合材料屬于高科技領域，具有相當廣闊的市場前景。

第四篇：碳纖維復合材料在航空中的應用

碳纖維復合材料在航空中的應用

摘要：碳纖維復合材料由于其質輕高強的特點而在航空領域大量使用，主要介紹了其在飛機上的大量應用，期待我國碳纖維工業能早日達到先進水平。關鍵字：碳纖維；碳纖維復合材料；商用飛機。1引言 碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，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、耐摩擦、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、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的比強度。

碳纖維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3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。

正是由于碳纖維在力學上的出色性能，碳纖維復合材料(CFRP)被廣泛用于航空航天領域。早在上世紀50年代就被用于火箭，而隨著80年代高性能復合材料的發展，碳纖維復合材料的應用更加廣泛。不僅在火箭、宇航、航空等領域發揮著重要作用，而且廣泛應用于體育器械，紡織、化工機械及醫學領域。2碳纖維復合材料在商用飛機上的應用 復合材料誕生之時，就由于其質輕高強的性能而與航空航天器結下了不解之緣。上世紀40年代開始，復合材料就被用于軍用飛機的修補。上世紀80年代，復合材料在商用飛機上得到逐步應用。隨之而來的碳纖維革命，尤其是中模量碳纖維性能的提高﹑技術的穩定，使得碳纖維復合材料最終被用于大型商用飛機的主結構。以B787 和A350 為代表的大型商用飛機，其復合材料在飛機結構重量中的占比已經達到或超過了50%，最大的商用飛機A380 的中央翼也完全使用復合材料，這些都是復合材料在大型商用飛機上使用的里程碑。2.1商用飛機上主要的CFRP構件[1] 目前，商用飛機上使用的復合材料大部分是碳纖維環氧復合材料，也包括一些玻璃纖維環氧復合材料，以及少量的特種基體樹脂復合材料。其應用分為三個大類，即一級結構材料、二級結構材料和內裝飾材料。如圖所示：

2.2主要的纖維和基體類型

在選用的纖維方面，通用級 T300 碳纖維 CFRP 可用來制造飛機的二次結構部件。例如，T300/ 5208用來制造B757、B767 和B777的二次結構部件。但因T300的抗拉強度僅為 3.53 GPa，抗拉模量為 231 GPa，特別是斷后延長僅有 1.5 %，滿足不了制造一次結構件的要求。隨后開發成功的高強中模型碳纖維在上述 3 項質量指標有了大幅度提高，再配套韌性環氧樹脂所制高性能CFRP 就可用來制造大飛機的一次結構件。主要的高強中模碳纖維品牌及性能如下表所示：

由表中數據可知，這類高強中模碳纖維的性能比通用級 T300 有了大幅度提高。我國目前還不能生產這類高性能碳纖維，處于實驗室研制階段，有望在“十一五”期間有所突破。通用型環氧樹脂固化后屬于脆性材料，需增韌改性為韌性基體樹脂。高強中模碳纖維與韌性基體樹脂復合后所制韌性CFRP可用來制造大飛機的一次和二次結構件。其中，具有代表性的是T800H/3900-2（P2302）和 IM7/8551-7。熱固性樹脂（TS）為母相，熱塑性樹脂（TP）為分散相，兩者均勻混合固化成型。在熱固化成型過程中，TS 成為三維交聯體，TP 仍保持線性特性，賦予CFRP韌性。這樣可制得韌性CFRP。T800H/3900-2（P2302）是典型的用來制造大飛機一次和二次結構件的韌性復合材料。

2.3韌性 CFRP 在大飛機上應用需關注的技術關鍵[2] 隨著碳纖維性能的不斷提高，增韌改性基體樹脂的不斷深入和復合技術的日趨完善，韌性CFRP 在大飛機上的應用逐步拓寬。未來500～600座的大飛機將成為航空客運的主力機型。為此，需要解決好以下幾方面的問題：

(1)設計允許應變達到0.6%，可用沖擊后抗壓縮強度（CAI）來評價。這就需用高強度、大伸長碳纖維與韌性基體樹脂來復合。例如，T800H/3900-2 或 IMT/8551-7 的韌性預浸料，可達到上述指標。

(2)提高抗 CFRP 的抗沖擊強度，需采用高強度、大伸長碳纖維。例如，T700S 斷后延長高達 2.1 %。上漿劑中可含有熱塑性塑料微粒，提高其韌性。

(3)提高沖擊損傷后的抗壓縮強度（CAI），需采用高強度、大伸長碳纖維與韌性環氧樹脂復合。控制碳纖維石墨微晶尺寸，也可提高抗壓縮強度。同時，研究韌性耐熱的熱可塑性樹脂，作為新一代韌性基體樹脂。

(4)提高抗層間剪切強度（ILSS），改善兩相界面粘接強度，有效傳遞載荷。同時，采用三維編織物和 RTM 成型技術，也可有效提高 ILSS 和防止層間剝落現象。

(5)提高CFRP的耐熱性，以適應超音速飛行。除提高基體樹脂的耐熱性外，也應關注碳纖維表面上漿劑的濕熱性能。吸濕會降底 CFRP 性能。

(6)采用整體成型的先進復合技術來制造大型構件，如體翼一次成型技術。這不僅提高整體復合件的性能，而且可大幅度減少零件數目和緊固件數目，有利于降低生產成本。3碳纖維復合材料在發動機和短艙上的應用[1] 復合材料在商用飛機上的另一個主要應用領域是在發動機和短艙，而發動機葉片，例如，GE90 的發動機葉片，則是這種應用的典范。GE90葉片使用的是8551-7/IM7預浸料，通過熱壓罐工藝成型獲得，這種環氧中模量碳纖維預浸料具有極高的韌性和損傷容限，可以滿足葉片苛刻的性能要求。

發動機復合材料葉片的另一種制作工藝是使用3D碳纖維織物，用環氧樹脂灌注而成。這種技術充分利用了3D織物的特點，用其制得的復合材料具有低裂紋擴展性、高能量吸收性以及耐沖擊、抗分層性能。即將用于C919客機的Leap-X1C即使用這種技術。

復合材料除了提供結構貢獻以外，在發動機和短艙上的另一個貢獻是降噪。在B787的發動機和短艙上使用了一種降噪蜂窩，用其作為芯材、環氧預浸料作為蒙皮的夾層結構起到了良好的降噪效果，使B787被譽為最安靜的飛機，這也是B787的亮點之一。4碳纖維復合材料在飛機上的其他應用 通用小飛機的結構簡單，有的小飛機機身甚至甚至可以使用玻璃纖維預浸料為蒙皮的蜂窩夾層結構，而外翼的翼樑則可以使用單向碳纖維復合材料制造。生產工藝上，從節約成本考慮，較為普遍采用的是非熱壓罐工藝。碳纖維復合材料在直升機上的應用也十分廣泛，除機身、尾樑等結構件以外，還包括槳葉、傳動軸、高溫整流罩等對疲勞、濕熱性能有更高要求的部件。特別是復合材料槳葉的使用，把槳葉的使用壽命從金屬的2000小時提高到了復合材料的6000小時以上，甚至是無限壽命，并且兩者的制造成本幾乎相當，因此使用復合材料取代金屬材料也成為必然。

碳/碳（C/C）復合材料則是制造飛機剎車裝置的優異材料。例如著名的B-2戰略轟炸機、空客A320均采用C/C復合材料剎車裝置。這些先進的 C/C剎車裝置可有效地把飛機降落過程中的動能轉化為熱能，不僅剎車制動的安全性高，而且可有效減輕質量。例如160 座的空客 A320，采用的C/C剎車裝置可減質量140 kg。這種 C/C 剎車裝置已在戰機和客機上得到廣泛應用。[3] CFRP 還可用來制造隱身飛機。B-2 戰略轟炸機屬于隱身飛機，其雷達散射截面積

（RCS）僅有0.1 ㎡，不易被對方雷達發現，大大增加了突防能力和生存概率。B-2 轟炸機大量采用先進的特種 CFRP，所用碳纖維的截面積不是圓形，而是異型截面，如方形截面，且在表面沉積 1 層多孔碳粒或附著1 層多孔微球，實施對雷達波的散射和吸收，賦予其吸波功能。這種結構吸波和涂層吸波相疊加，大大增強了綜合吸波動功能。這也就是說，特種 CFRP 不僅是結構材料，而且也是結構吸波材料。[3] 5我國碳纖維復合材料發展現狀 我國較早地意識到碳纖維的研制和生產對軍事工業發展和國民經濟具有重要作用，早在20 世紀60 年代末就開始研制碳纖維，經過 40 余年的發展，碳纖維從無到有，從研制到生產取得了一定的成績。但總的來說，國內碳纖維的研制與生產水平還較低，一直沒有在高標號碳纖維研究上取得突破性進展。我國碳纖維產業未實現大規模工業化生產，產品規格單一。近些年來，由于我國對碳纖維需求量的日益增加，碳纖維又成為國內新材料業研發的熱點。但是，除極個別企業外，大多數引進項目的技術和設備水平屬國際中下等，生產的碳纖維產品也未達到高端水平。引進后的消化、吸收與創新是碳纖維行業面臨的重大課題。[4] 我國碳纖維工業與先進國家相比存在15 年左右的差距，我們還不能生產高強中模碳纖維，T300仍處于產業化階段。實驗室研制高強中模碳纖維雖然取得長足進步，但產業化仍有一段路要走。在國家大力支持和有實力民營企業的介入，縮短產業化時間已具備條件，高強中模碳纖維指日可待。[5] 參考文獻

[1] 吳一波.碳纖維復合材料在航空工業中的應用技術(上).玻璃鋼, 2003,(2): 14-21.[2] 賀福, 孫微.碳纖維復合材料在大飛機上的應用.高科技纖維與應用, 2007, 32(6): 5-8, 17.[3王春凈, 代云霏.碳纖維復合材料在航空領域的應用.機電產品開發與創新, 2010, 23(2): 14-15.[4] 顧超英.碳纖維復合材料在航空航天領域的開發與應用.化工文摘, 2009,(1): 17-21.[5] 劉志強.碳纖維復合材料在航空領域的應用.黑龍江科技信息, 2013: 62.

第五篇：碳纖維復合材料在航空航天領域的應用

碳纖維復合材料在航空航天領域的應用

林德春

潘

鼎

高

健

陳尚開

（上海市復合材料學會）

（東華大學）

（連云港鷹游紡機集團公司）

碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在 90%以上。具有十分優異的力學性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強度和最高比模量。特別是在 2000℃以上高溫惰性環境中，是唯一強度不下降的物質。此外，其還兼具其他多種得天獨厚的優良性能：低密度、高升華熱、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動衰減性、低熱膨脹系數、導電導熱性、電磁屏蔽性,紡織加工性均優良等。因此，碳纖維復合材料也同樣具有其它復合材料無法比擬的優良性能,被應用于軍事及民用工業的各個領域，在航空航天領域的光輝業績，尤為世人所矚目。

可以明顯看出，在航空航天領域碳纖維的用量有大幅度增加，2006年比2001年增長約40%，2008年增長約76%，2010年和2001年相比增長超過100%。

本文將介紹碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）在航空航天領域應用的新進展。

航空領域應用的新進展

T300 碳纖維/樹脂基復合材料已經在飛行器上廣泛作為結構材料使用，目前應用較多的 為拉伸強度達到 5.5GPa，斷裂應變高出 T300 碳纖維的 30％的高強度中模量碳纖維 T800H 纖維。

（1）軍品

碳纖維增強樹脂基復合材料是生產武器裝備的重要材料。在戰斗機和直升機上，碳纖維 復合材料應用于戰機主結構、次結構件和戰機特殊部位的特種功能部件。國外將碳纖維/環 氧和碳纖維/雙馬復合材料應用在戰機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了 明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能，數據顯示采用復合材料結構的前機身 段，可比金屬結構減輕質量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%；復合材料垂直安定面可減輕質量32.24%。用軍機戰術技術性能的重要指標——結構重量系數來衡量，國外第四代軍機的結構重量系數已達到27～28%。未來以F-22為目標的背景機復合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機和無人駕駛飛機，已實現了結構的復合材料化。目前主要使用的是T300級和T700級小絲束碳纖維增強的復合材。

美國在殲擊機和戰斗機上大量使用復合材料：F-22的結構重量系數為27.8%，先進復合材料的用量已達到25%以上，軍用直升機用量達到50%以上。八十年代初美國生產的單人駕駛的“星舟”輕型機，結構質量約1800kg，其中復合材料用量超過1200kg。1986年美生產的“旅行者”號輕型飛機，其90%以上的結構采用了碳纖維復合材料，創下了不著陸連續九天進行環球飛行的世界記錄。Boeing公司用GF / PPS制造海軍巡航導彈的殼體，Du Pont公司用GF、KF / PA、PPS，制造軍機的零部件。

由于碳纖維增強復合材料不但是輕質高強的結構材料，還具有隱身的重要功能，如

CF/PEEK 或 CF/PPS具有極好的寬峰吸收性能，能有效地吸收雷達波。美國已用來制造最新 型的隱形轟炸機。美國的P－22 超音速飛機的主要結構就是采用了中等模量的碳纖維增強的特種工程塑料。幻影III戰斗機的減速降落傘蓋和彈射的彈射裝置也由這種材料制成。已成功地用于飛機的肋條、蒙皮及一些連接件、緊固件等雷達波的吸收件。戰斧式巡航導彈殼體、B-2隱型轟炸機的機身基材，F117A隱型飛機的局部也都采用了碳纖維改性的高分子吸波材料。

英國ICI公司用GF/PA生產戰斗機上的閥門，使飛機閥門在很寬的溫度范圍內與燃料長 期接觸也能保持其性能和形狀的穩定；其它國家的飛機F/A-

18、RAH-66、A330 / A340、B77、Y-22上面也都采用了這種材質來制造機翼、蒙皮、主承力結構、中央冀盒、地板、尾 冀、設備箱體及結構件。

大量采用碳纖維復合材料為部件的中國新型號的軍機“飛豹”飛機總長約22.3米，翼展約12.7米，最大起飛重量28.4噸，最大外掛重量約6.5噸，最大M數1.70，轉場航程約3600公里。該機的攻擊威力已超過“美洲虎”、“旋風”、蘇-24等飛機，具備了第三代戰斗機的特點。

（2）民品

在民用領域，555座的世界最大飛機A380由于CFRP的大量使用，創造了飛行史上的奇跡。飛機25%重量的部件由復合材料制造，其中22%為碳纖維增強塑料(CFRP), 3%為首次用于民用飛機的GLARE纖維－金屬板（鋁合金和玻璃纖維超混雜復合材料的層狀結構）。這些部件包括：減速板、垂直和水平穩定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。繼A340對碳纖維龍骨梁和復合材料后密封 框——復合材料用于飛機的密封禁區發起挑戰后，A380又一次對連接機翼與機身主體結構中央翼盒新的禁區發起了成功挑戰。僅此一項就比最先進的鋁合金材料減輕重量1.5噸。由于CFRP的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損。從而大大減少了油耗和排放，燃油的經濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高飛機的低15%--20%，成為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠程客機。

航天領域新進展

(1)火箭、導彈

以高性能碳(石墨)纖維復合材料為典型代表的先進復合材料作為結構、功能或結構/功能一體化構件材料，在導彈、運載火箭和衛星飛行器上也發揮著不可替代的作用。其應用水平和規模已關系到武器裝備的跨越式提升和型號研制的成敗。碳纖維復合材料的發展推動了航天整體技術的發展。碳纖維復合材料主要應用于導彈彈頭、彈體箭體和發動機殼體的結構部件和衛星主體結構承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發動機噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料，在美國侏儒、民兵、三叉戟等戰略導彈上均已成熟應用，美國、日本、法國的固體發動機殼體主要采用碳纖維復合材料，如美國三叉戟-2 導彈、戰斧式巡航導彈、大力神一 4 火箭、法國的阿里安一 2火箭改型、日本的 M-5火箭等發動機殼體，其中使用量最大的是美國赫克里斯公司生產的抗拉強度為 5.3GPa 的IM-7 碳纖維，性能最高的是東麗 T-800 纖維，抗拉強度 5.65Gpa、楊氏模量 300GPa。

我國各類戰略和戰術導彈上也大量采用碳纖維復合材料作為發動機噴管、整流罩防熱材料。我國九十年代后期開展了纖維增強復合材料材料殼體的研究，進行了 T300 CFRP 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，開展了 T800 碳纖維 CFRP多種殼體的預研實驗。

（2）衛星、航天飛機及載人飛船

高模量碳纖維質輕，剛性，尺寸穩定性和導熱性好，因此很早就應用于人造衛星結構體、太陽能電池板和天線中。現今的人造衛星上的展開式太陽能電池板多采用碳纖維復合材料制作，而太空站和天地往返運輸系統上的一些關鍵部件也往往采用碳纖維復合材料作為主要材料。

碳纖維增強樹脂基復合材料被作航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等。美國發現號航天 飛機的熱瓦，十分關鍵，可以保證其能安全地重復飛行。一共有 8 種：低溫重復使用表面絕熱材料 LRSI；高溫重復使用表面絕熱材料 HRSI；柔性重復使用表面絕熱材料 FRSI；高級 柔性重復使用表面絕熱材料 AFRI；高溫耐熔纖維復合材料 FRIC—HRSI；增強碳/碳材料 RCC；金屬；二氧化硅織物。其中增強碳/碳材料 RCC，最為要的，它可以使航天飛機承受 大氣層所經受的最高溫度 1700℃。

從 1996 年 11 月 20 日的“神州一號”升空開始到“神州六號”上天，中國在八年多的時間里六次飛天。在飛船、衛星、返回艙中大量使用的碳纖維復合材料，為這一舉世矚目的成就立下了汗馬功勞。隨著科學技術的進步，碳纖維的產量不斷增大，質量逐漸提高，而生產成本穩步下降。各種性能優異的碳纖維復合材料將會越來越多地出現在航空航天領域中，為世界航空航天技術的發展作出更大的貢獻。