第一篇：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

第二篇：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。

第三篇：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。

第四篇：高分子復合材料在各種航空航天工具中應用

高分子復合材料在各種航空航天工具中應用

多種高性能的高分子復合材料目前已經用于各種航空航天工具中。例如，碳纖維復合材料不久前還只在軍用飛機上用做主結構如機身和機翼。但是，近年來先進復合材料已開始用于大型民航客機上用做主結構，玻纖增強塑料也大量使用在一些較為次要的部位。

在美國，碳纖維復合材料主要用于航空航天工業；在歐洲，碳纖維復合材料在航空航天領域的使用量達到33%，僅次于其他工業用途。例如，無人駕駛飛機上，目前已經大量使用碳纖維復合材料。

新近推出的波音公司新型民航客機7E7和空中客車公司A380，都開始采用航空航天復合材料作飛機的主結構。這是因為復合材料能提供目前制鋁工業所能提供的鋁合金大致相同的性能，而且復合材料還能進一步降低成本。此外，復合材料還有耐久性好，所需保護少，零部件可以整合，耐腐蝕性強，通過利用智能纖維材料和嵌入式傳感器進行結構監測等優點。

7E7客機絕大多是用復合材料制造的，將需要約25噸增韌碳纖維增強環氧樹脂疊合材料和夾層材料。A380也使用通常的復合材料結構，例如機翼包皮的40％采用碳纖維增強塑料，減輕質量1.5t，減輕全裝配結構11.6t。尾翼的大部分包括尾翼的安定面是碳纖維復合材料，仿照老式空中客車客機。未增強的后機身由連接到復合材料機架上的復合材料與合金架的組合體上的碳纖維蒙皮構成。總計復合材料將占機架質量的大約16%，減輕同種規模的全金屬結構（空飛機的總質量將約為170t）。

第五篇：碳纖維在交通工具制造業中的應用

碳纖維在交通工具制造業中的應用

摘要

碳纖維的用途主要是利用其“輕而強”和“輕而硬”的力學特性，廣泛應用于航空、航天、軍工、體育休閑等結構材料；利用其尺寸穩定性，應用于宇宙機械、電波望遠鏡和各種成型品；利用其耐疲勞性，應用于直升飛機的葉片；利用其振動衰減性，應用于音響器材；利用其耐高溫性，應用于飛機剎車片和絕熱材料；利用其耐藥品性，應用于密封填料和濾材；利用其電氣特性，應用于電極材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料；利用其生體適應性，應用于人工骨、韌帶；利用其 X-光透過性，應用于 X-光床板等。此外，還可以活化成活性碳纖維，應用于各種吸附領域。

此文著重介紹碳纖維在交通工具制造業中的應用。

關鍵詞

碳纖維：carbon fibre 碳纖維的應用 新材料 航空工具 汽車制造

正文

（一）碳纖維的的特點及其在各個領域中的應用

碳纖維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20多年，它至今仍保持纖維形態。

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。材料的比強度愈高，則構件自重愈小，比模量愈高，則構件的剛度愈大，從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景，綜觀多種新興的復合材料(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，不少人預料，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。

碳纖維是含碳量高于90％的無機高分子纖維。其中含碳量高于99％的稱石墨纖維。碳纖維的軸向強度和模量高，無蠕變，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，耐腐蝕性好，纖維的密度低，X射線透過性好。但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發生氧化，與金屬復合時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。因此，碳纖維在使用前須進行表面處理。

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。

碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構成復合材料。碳纖維增強的復合材料可用作飛機結構材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等。

碳纖維的用途主要是利用其“輕而強”和“輕而硬”的力學特性，廣泛應用于航空、航天、軍工、體育休閑等結構材料；利用其尺寸穩定性，應用于宇宙機械、電波望遠鏡和各種成型品；利用其耐疲勞性，應用于直升飛機的葉片；利用其振動衰減性，應用于音響器材；利用其耐高溫性，應用于飛機剎車片和絕熱材料；利用其耐藥品性，應用于密封填料和濾材；利用其電氣特性，應用于電極材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料；利用其生體適應性，應用于人工骨、韌帶；利用其 X-光透過性，應用于 X-光床板等。

此外，還可以活化成活性碳纖維，應用于各種吸附領域。具體應用例如： ①釣魚桿現年產量約1200萬只，年碳纖維用量1200t；

②高爾夫球桿隨著輕量化和長尺寸化的要求，現已占碳纖維體育用品用途的50％，年碳纖維用量為

2000t；

③網球拍的年市場規模約為450萬只，年碳纖維用量約500t；

④飛機方面，小型商務機和直升飛機的復合材料用量已占70％一80％，軍用機30％一40％，大型客機15％一20％；

⑤人造衛星結構體、太陽能電池板和天線要用高模碳纖維，先進的運載火箭和導彈殼體、發射筒等要用800H和 T300碳纖維等；

⑥土木建筑領域，已用于補修加工用片材、建筑部件、代鋼筋材料、屋頂構架材料等

⑦能源領域，已用于汽車的壓縮天然氣罐和風車葉片(長達30-40m)、海底油田管道、升降機等；

⑧交通運輸方面，已應用于賽車、汽車傳動軸、大型卡車車體 ⑨電子電器領域，已應用于增強熱塑性樹脂的擠出成型品，如抗靜電 IC盤、筆記本電腦的筐體，具有電磁波屏蔽效果；

⑩其它，還有X-射線盒、醫用床板、印刷、制膜、造紙等用的各種滾軸、空氣或氧氣呼吸用壓力容器等等

（二）碳纖維在汽車制造行業中的應用

輕型化汽車：碳纖維碳纖維只占到復合材料30%的重量，復合材料的制造方法主要來自低產量的航空技術，新的、大批量復合材料成型方法才是突破點。2010年SGL與寶馬合資的碳纖維及復合材料廠在美國開工，根據寶馬的測算，每臺汽車大約需要90公斤的碳纖維，將來需要6萬噸的碳纖維。

碳纖維在汽車行業需求前景：碳纖維復合材料傳動軸、尾翼和引擎蓋已經在汽車行業廣泛應用，雖然現在主要是用在豪華車型，但預計未來將在大眾車型中推廣。日產汽車、本田汽車和東麗公司，將聯手開發汽車車體用的新型碳纖維材料。合作企業還包括三菱麗陽和東洋紡織，使用后使車體較使用鋼材者輕40%。日本政府亦支持該項計劃,希望在全球開發環保車輛的趨勢中取得領先地位。日本經濟產業省計劃未來五年投資這項計劃20億日圓(1850萬美元)。

采用碳纖維材質將可改善車輛的燃料效能，并使二氧化碳排放減少30%。碳纖維制品多用于特殊領域，其使用壽命和更新周期均有嚴格要求，大量廢棄的碳纖維產品急待處理。據日本三菱人造絲公司估計，目前全球廢棄的CFRP大約為1萬噸。隨著CF生產能力的擴大及增強材料的大量使用，環境友好要求企業重視CF的回收利用。發達國家已開始了這項工作：德國Thuringian(TITK)研究所開發的新工藝，不采用撕切處理就能從廢棄CF紡織品中獲取長度≥20mm，一般長度為30mm～70mm的碳纖維；西班牙INASMET運輸安全機構經過兩年的研究試驗，采用化學和熱解處理技術開發了CF-環氧樹脂復合材料回收再利用的新途徑，其回收產品可用于一般的CFRP。據中國環氧樹脂行業協會專家介紹，日本東麗公司、帝人公司(日本東京)，和三菱麗陽公司計劃聯手大規模生產循環碳纖維，以促進高強輕質材料的回收利用。汽車制造者將碳纖維視為輕質汽車材料，在東麗及一些其他公司的帶動下，將進一步鼓勵采用循環碳纖維，提高材料及零件可回收成分。關于碳纖維在汽車上的應用，首先在汽車車身、底盤的應用，由于碳纖維增強材料有足夠強度和剛度，其適于制造汽車車身、底盤等主要結構件的最輕材料，可使汽車車身、底盤減重40～60％，相當于鋼結構重量1/3～1/6；在制動摩擦片上的應用，碳纖維還因其環保、耐磨特點，而應用在制動摩擦片上，但含有碳纖維復合材料都格外貴，所以目前主要應用高檔轎車；在座椅加熱墊上的應用，碳纖維汽車座椅加熱墊是一個突破，在汽車配套市場變得越來越受歡迎，將會完全替代傳統的座椅加熱系統；在輪轂上的應用，德國輪轂制造專家WHEEL SANDMORE，推出的“Megalight-Forged-Series”輪轂系列，采取2片式設計，外環為碳纖維材質打造、內轂為輕量化的合金，搭配不銹鋼制的螺絲，較一般同尺碼減輕重量40％左右；在燃料貯罐上的應用，采用CFRP在滿足要求的條件下，可以實現壓力容器的輕量化。

（三）碳纖維在民航中的應用

最近幾年尤其在亞洲和歐洲，飛機乘客數量的增加促進了新飛機的需求增長。《空客全球市場預測》估計，2010～2025年間，飛機運營商將需要22700架客機和貨機。這些OEM正引領著結構性復合材料用量的巨大增長，其中包括碳纖維，其最新的應用就是B787和A380飛機。航空航天領域是世界碳纖維的傳統市場，根據世界第2大碳纖維生產商——日本東邦公司的預測，航空器中碳纖維復合材料的使用量，未來幾年將以年均12％的速度繼續增長，2012年可達13000噸。

A380為大型噴氣式客機，其結構(包括主要結構)使用了22%的碳纖維復合材料。波音公司B787中碳纖維/環氧預浸料的唯一供應商是東京的東麗公司(Toray)，2家公司已經就Torayca預浸料簽訂了長達18年的供應合同，一直到2021年。據報道787主要結構的合同價值，高達20.3億歐元(30億美元)。新型超大型客機——空中客車A380和波音787，均大量使用環氧樹脂浸漬碳纖維，或碳纖維增強塑料(CFRP)作為主要的結構材料。碳纖維復合材料約占A380飛機35噸結構材料中的20％以上，包括中央翼盒、機尾組件以及壓艙壁；波音787中結構材料有近50%需要使用碳纖維復合材料和玻璃纖維增強塑料，包括主機翼和機身。金屬結構材料采用碳纖維復合材料后不僅可以減輕機身質量，而且還可以保證不損失強度或剛度，大大提高了燃油經濟性。新一代的客機將使用更高比例的碳纖維復合材料。空中客車公司日前宣布，碳纖維復合材料將在新一代噴氣式客機A350XWB中用于主機翼和機身材料。碳纖維在中小型噴氣客機中的需求也將快速增長。例如三菱重工計劃利用碳纖維復合材料，制作新一代支線噴氣客機MRJ主機翼和尾部組件，該機型預計在2013年進入市場。歐洲空中客車公司授予赫氏復材其遠程寬體客機A350XWB主結構件的長期供應合同，此合同要求赫氏復材供應碳纖維復合材料直至2025年。