第一篇：超塑性鈦合金在航空航天領域的應用

石河子大學機械電氣工程學院 機械工程材料?新型材料課題論文

課題論文題目： 超塑性合金在航空航天領域的應用

姓 名： 劉萍

學 號： 2011509291 院系專業班級： 機械電氣工程學院11機制

（二）班 聯 系 電 話： *** 指 導 教 師： 魏敏 填 表 日 期： 2012年12月8號

《機械工程材料》課程組 2012年11月26日

超塑性鈦合金在航空航天領域的應用

摘要：鈦及鈦合金具有比強度高、耐腐蝕、耐高溫等優良性能，在航空航天、艦艇、化工等領域得到日益廣泛的應用。闡述了航空航天用鈦合金盤件的研究現狀，重點介紹了高性能鈦合金盤件的制備工藝，包括粉末冶金熱等靜壓成形和超塑性等溫鍛造成形。分析了鈦合金盤件在航空航天領域的應用現狀，并探討了航天航空用鈦合金盤件的發展趨勢。

關鍵詞：鈦合金；超塑性；超塑性成形；擴散連接

1，超塑性合金的定義：

超塑性合金是指那些具有超塑性的金屬材料。超塑性是一種奇特的現象。具有超塑性的合金能像飴糖一樣伸長10倍、20倍甚至上百倍，既不出現縮頸，也不會斷裂。金屬的超塑性現象，是英國物理學家森金斯在1982年發現的，他給這種現象做如下定義：凡金屬在適當的溫度下（大約相當于金屬熔點溫度的一半）變得像軟糖一樣柔軟，而應變速度10毫米秒時產生本身長度三倍以上的延伸率，均屬于超塑性。根據金屬材料的結構和變形條件(溫度、應力)，可超塑性合金大致劃分為微晶超塑性合金，相變超塑性合金2大類。由于鈦合金在超塑狀態具有異常高的塑性，極小的流動應力，極大的活性及擴散能力，可以在很多領域中應用。

2，鈦合金的結構特點：

鈦合金的結構特點決定了它們不僅有良好的高溫強度，較好的抗氧化性和抗腐蝕性，而且密度較小，因此是理想的航天和航空材料。當前世界上研究較多的鈦合金有TiAl、Ti3Al等。然而，這些材料的室溫塑性和韌性一般較差；加工性能較差。在其主要優點不受很大損失的前提下，改善其塑性、韌性及加工性。而實現這些目標的主要措施是添加合金元素以形成塑性較好的第二相，超塑性鈦合金的實現一般還需要通過一定的形變熱處理以得到等軸細晶顯微組織。近年來的研究結果已經表明，鈦合金可以獲得很高的超塑性水平——Ti3Al合金的伸長率超過1000%；TiAl合金的伸長率達470%。發展起來的超塑成形技術，改善了鈦合金難以成形的狀況，因而充分發揮了鈦合金的優勢。超塑性鈦合金正以它們優異的變形性能和材質均勻等特點，在航空航天以及汽車的零部件生產、工藝品制造、儀器儀表殼罩件和一些復雜形狀構件的生產中起到了不可替代的作用。

3，超塑性成形工藝：

超塑性成形工藝主要包括了氣脹成形和體積成形兩類。超塑性氣脹成形是用氣體的壓力使板坯料（也有管坯料或其他形狀坯料）成形為殼型件，如儀差殼、拋物面天線、球型容器、美術浮雕等。氣脹成形又包括了Female和Male兩種方式，分別由圖1和圖2表示。Female成形法的特點是簡單易行，但是其零件的先帖模和最后貼模部分具有較大的壁厚差。Male成形方式可以得到均勻壁厚的殼型件，尤其對于形狀復雜的零件更具有優越性。

超塑性氣脹成形與擴散連接的復合工藝（SPF／DB）在航空工業上的應用取得重要進展，特別是鈦合金飛機結構件的SPF／DB成形提高了飛機的結構強度，減少了飛機重量，對航空工業的發展起到重要作用。

超塑性體積成形包括不同的方式（例如模鍛、擠壓等），主要是利用了材料在超塑性條件下流變抗力低，流動性好等特點。一般情況下，超塑性體積成形中模具與成形件處于相同的溫度，因此它也屬于等溫成形的范疇，只是超塑性成形中對于材料，對于應變速率及溫度有更嚴格的要求。這種方法利用自由運動的輥壓輪對坯料施加載荷使其變形，使整體變形變為局部變形，降低了載荷，擴大了超塑性工藝的應用范圍。他們采用這樣的方法成形出了鈦合金、鎳基高溫合金的大型盤件以及汽車輪轂等用其他工藝難于成形的零件。

4，超塑性成形及擴散聯接（SPF/DB）：

超塑性成形及擴散聯接（SPF/DB）是航空領域多年來重點發展和應用的一種近無余量先進成形技術。通過在一次加熱、加壓過程中成型整體構件，不需要中間處理，能有效減輕結構重量和提高材料利用率，可為設計提供更大的自由度，具有廣闊的應用前景。

基本原理是：利用金屬及合金的超塑性和擴散焊無界面的一體化特點，在材料超塑溫度和擴散焊溫度相近時，采用吹脹或模鍛法在一次加熱、加壓過程中完成超塑成形和擴散連接兩道工序，從而制造高精度復雜的大型整體構件。該技術具有以下特點：

（1）成形壓力低/變形大而不破壞（2）外形尺寸精確，無殘余應力和回彈效應（3）節省裝備，縮短制造周期

（4）改善結構性能，提高結構完整性，延長機體壽命（5）降低制造成本，減輕結構重量

從以上特點分析，SPF/DB簡化了零件制造過程和裝配過程，減少了零件（標準件）和工裝數量，消除大量連接孔，避免了連接裂紋及疲勞問題，有利于提高結構耐久性和可靠性，尤其適合于加工復雜形狀的零件，如飛機機翼、機身框架、發動機葉片等。對于鈦合金，SPF/DB解決了鈦合金冷成形和機加工難的缺點，促進了鈦合金整體構件的使用（如圖3），相對常規金屬結構，夾層結構具用足夠的疲勞強度、良好的塑性和斷裂韌性。英國、美國是世界上開展SPF/ DB 技術研究及應用較早的國家，目前已建立了專業化生產廠，如英國TKR 公司、羅羅公司、Superform 公司和美國RTI公司等都具有很強的鈦合金SPF/ DB 結構件的生產能力。另外，法國、德國、俄羅斯以及日本對鈦合金SPF/ DB 技術也進行了大量研究和應用，具備了較強的鈦合金SPF/ DB 結構件的生產能力。國外SPF/ DB 鈦合金結構件在飛機上的應用廣泛（見圖4），如民機A300、A310/ 320的前緣縫翼收放機構外罩，減重10%，A330、A340機翼檢修口蓋、駕駛艙頂蓋、縫緣傳動機構等采用SPF/DB結構，減重46 %，技術經濟效益顯著。此外，A380飛機吊艙艙門結構采用了SPF/DB工藝。國內開展鈦合金SPF/DB研究已多年，已逐漸用于主承力結構，取得了一定的減重效果和經濟效益，圖5為某飛機TC4鈦合金SPF/DB腹鰭結構，已通過了全尺寸靜力試驗考核，結果證明滿足設計要求，成本降低16％，減重11％，但國內還未開展該技術在民機上的應用。

SPF/DB在國外已比較廣泛的應用于軍民用飛機，顯示出巨大的技術經濟效益，但在國內還處于應用初期，沒有充分發揮這一技術的優勢。針對民用飛機使用要求、主要結構特點等，要實現該技術的工程化成熟應用，需要盡快開展以下研究工作：

（1）SPF／DB結構設計技術，目前，SPF/ DB 技術多用于層板結構，這種板結構在強度方面存在不足。因此，應大力發展體積成形與擴散連接結合的新型SPF/ DB 構件。

（2）SPF/ DB制造控制技術，包括成形過程組織演變和變形機制，工藝過程控制與加工過程自動化，結構完整性及應力與變形控制，實現組織與性能匹配。（3）SPF/ DB質量評估與檢測技術，建立設計用性能數據庫，研制低成本檢測技術，提高檢測精度，制定質量控制程序和檢驗標準。

（4）SPF/ DB結構靜力與疲勞考核驗證，以適航標準為依據進行符合性驗證，確保民用飛機安全可靠使用。

5，高性能鈦合金盤件的研究現狀：

對于航空航天用發動機壓氣機盤、渦輪盤等轉動部件，不僅要求具有良好的高溫熱強性，還要求在高溫條件下有優良的抗疲勞性能和長期使用的可靠性。因此，制備高性能鈦合金，要綜合考慮合金成分、熱加工工藝、組織與性能及可加工性等因素。只有制備潔凈度高、成分和組織均勻的鑄錠，并在先進渦輪盤鍛壓技術和熱處理工藝的配合下，才能保證鈦合金盤件流線形態的完整性、盤件組織的均勻性和性能的高可靠性。目前制備高性能盤件的主要方法有超塑性等溫鍛造成形工藝和粉末冶金熱等靜壓成形兩種，這兩種方法各有特點。

粉末冶金鈦合金盤件在熱處理時，盤件內部存在溫度梯度，會產生較大的殘余熱應力。這些殘余應力對盤件保持完整性和機加工性能的影響很大，當局部殘余應力足夠大時，盤件就可能開裂。而小的殘余應力，也會影響盤件的加工性能，如加工變形等。因此，粉末冶金鈦合金盤件的熱處理工藝極為關鍵。對于大規格高性能鈦合金盤件，由于鈦合金導熱率低，盤件規格較大，不同部位存在較大的溫度梯度，容易造成組織和性能的不均勻性，則主要采用等溫超塑成形的方法。

超塑性等溫鍛造是利用鈦合金在高溫及低應變速率下材料具有異常好的塑性及變形抗力低的特點發展起來的一種鍛造方式。通常采用近盧或準盧熱模鍛造兩種鍛造方式。這種新工藝能獲得尺寸精確度高、組織均勻、性能穩定、形狀復雜的高精度鍛件，而且可用小噸位的液壓機鍛造大型鍛件，來提高材料的利用率和減少切削加工量。等溫鍛造有以下特征：①在整個鍛造過程中，鍛模與鍛件始終保持在同一加工溫度；②鍛造速度很慢，應變速率很小；③為防止氧化，鍛模與鍛件有時需置于真空或惰性氣體環境中。等溫鍛造可通過控制加工溫度、應變率、變形程度等來控制微觀組織，以實現組織優化的目標。結合優化的調質熱處理制度，使鈦合金的組織和性能滿足不同零部件的應用需求“。等溫鍛造的薄壁鈦鍛件具有良好的拉伸強度和綜合性能，是用于宇航加工中最經濟且簡易的成形方法。

參考文獻

[1] 劉樹桓.英國超塑成形擴散連接技術的現狀及特點.航空制造工程, 1994 [2] 王向民等.鈦合金SPF/DB技術在航空工業中的應用.鈦工業進展, 1998, No1 [3] 白秉哲等.美國超塑成形技術及應用.航天技術與民品, 1999, No1 [4] 超塑成形/擴散焊接組合工藝數值模擬初探.南京航空航天大學學報, 1999, Vol31, No3 [5 ] 李曙光等.國外先進制造技術與裝備應用現狀分析.航天制造技術, 2004,Vol6,No3 [6] 李志強等.超塑成形/擴散連接技術的應用與發展現狀.航空制造技術, 2004, No11 [7] 于衛新等.材料超塑性和超塑成形/ 擴散連接技術及應用.材料導報, 2009, Vol23,No6

第二篇：納米材料在航空航天領域的應用

納米11

陳美齡

41136025

納米材料在航空航天領域的應用

學 院：姓 名：學 號：班 級：

——《納米材料科學與技術前沿》論文

材料科學與工程學院 陳美齡 41136025 納米11班 2014.7.30 納米11

陳美齡

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一、摘要：

隨著我國社會經濟的快速發展，科技技術更新速度日益加快。納米材料早已滲透到我們人類生活的方方面面，在我們的日常生活中發揮著不可替代的作用。

目前，納米材料材料研究領域，已經由原來如何方便人類生活、如何開發新型材料，逐步向減少環境負擔、材料可循環利用、低能高效的方向發展。同時，隨著航天事業的發展，納米材料材料同樣發揮著不可替代的作用。在未來的研究方面，將會是向低碳環保和科技技術方面發展。

本文主要介紹在航天領域方面的熱門兩種納米材料。

二、無機抗菌納米材料

（1）簡介

細菌、霉菌、酵竹苗、凜類等_仃害微牛物小僅對人類生活作業境造成污染，而且時人體健康和生命造成嚴幣損害。即使在遠離地球的找人航天E行器艙內環境中同樣不能豐免。美國載人航無器E行史中，因細菌感染而導致乘員患感冒、尿路感染、皮炎、I I牌，潰瘍的病例就打多起。如阿波羅7、8 q曾發生呼吸道感染，9、1I、12、14發生中耳炎，其他E行任務中也牲牛過皮疹等皮膚感染性疾病，P號宅川站乘員留軌期問也有因細菌感染患疵，從而不得不提返航的病例。納米11

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（2）機抗菌納米材料材料簡介

無機抗菌納米材料材料就是含有無機抗菌成分并具有抗菌抑菌功能的納米材料材料。無機抗菌劑是一種新的、含有銀、鋅、銅等金屬離子成分和無機載體的接觸型抗菌制劑，其所含金屬離子具有超強抗菌能力。

當細菌、霉菌等微生物接觸到載體中游離態金屬離子后，帶正電荷的金屬離子與帶負電荷的微生物因庫侖引力相互吸附，并在微生物表面聚積，在金屬離子之正電荷達一定量時，就會有效擊穿細菌細胞壁，接觸細胞內部蛋白質和核酸，產生化學反應，使蛋白質變性，從而降低蛋白酶活性。蛋白質失活就會影響細胞的代謝和呼吸功能，使其無法進行分裂繁殖，直到死亡，從而達到滅菌、抑菌目的。

（3）分子材料航天應用現狀

目前我國己試制和生產出硅、鈣、鉀三大系列七大類多種抗菌劑，而且還為各種制劑選配了合適載體，較好的解決了部分抗菌納米材料制品的生產工藝技術難題。如抗菌尼龍絲、聚乙烯板，藥品包裝材料、食品包裝膜、聚丙編織絲料、無紡布、ABS、PS、聚酯泡沫塑料、涂料、空氣清新劑等多種抗菌制品，經過進一步嚴格篩試，均可應用于載人航天技術領域。

為給乘員創建安全可靠工作條件和舒適方便的生活環境，納米材 納米11

陳美齡

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料聚合材料越來越多的運用于載人航天艙內設備。航天服就用到多種經特殊處理的保溫耐壓納米材料材料。又如頭盔及其面窗材料，通信用麥克和耳機材料，飛行程序控制用計算機殼體、操作鍵盤，各種連接導線和電纜，多種非金屬餐飲、復水器具，食品、飲料及藥品包裝材料，廢物和大小便收集存貯裝置，尿液及航天廢水再生處理用過濾、透析膜材料,吸水材料，保溫材料，各種通用工具及設備的操作把手，各種通風排氣復合軟管材料，減震保溫用發泡材料，有時電熱設備的絕緣隔熱層也不得不用納米材料材料制成。納米材料材料為人類創建生活和工作便利的同時，同樣也會遭受有害菌侵蝕，不僅損害材料外觀，而且嚴重損害到材料質量，甚至通過交叉傳播殃及人體健康。據調查，105 f-1電話中46％的機子上有大腸桿菌，僅在塑料聽筒、話筒上就有480余種細菌和2400種病毒。有害微生物的繁衍速度很快，在適宜條件下，一個大腸桿菌經9個小時可達1億個之多。

三、聚磷腈在航空航天中的應用

（1）簡介

在現代材料科學與技術發展歷程中，航空航天材料一直扮演著先導性角色，材料進步不僅推動了航空航天業本身的發展，也帶動了地面交通工具進步，航空航天材料反映了材料發展的前沿，代表一個國家材料的最高水平。航空航天材料主要要求是抗疲勞、耐高溫、耐腐蝕、長壽命等。納米11

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（2）聚磷腈材料在航空航天領域中的應用

1、在織物阻燃中

航空航天領域織物包括降落傘和宇航服裝，要求材料具有高的阻燃和耐熱性能，以滿足特殊條件下的使用。

劉霞等人通過熱重分析(TGA)、差熱分析(DTA)，紅外光譜(IR)等詳細研究了TAP對織物阻燃性能的影響。當添加質量分數為l7％ 時，成率(燃燒分解后剩余質量占原來質量的分數)為39％，氧指數為47。5，手感好，強度損失小，水平點燃有自熄性。國外有人對TAP(日本曹達公司產品)的水合物和鹽酸鹽進行研究。經TAP化合物阻燃整理的棉纖維性能見表1。

由表1可知，經TAP化合物整理后，棉緞具有高的耐洗性和耐久性，阻燃效果明顯，基于增質量率和不同條件下的極限氧指數(iO0最高達到39。TAP化合物與防火整理劑(丙烷一派羅伐特克斯，cp)進一步經熱分析對比，發現CP在受熱過程中發生放熱分解。TAP化合物在受熱過程中，由于放出HCI和NH 而發生吸熱，且TAP在纖維素中發生縮聚反應(如圖3所示)，在酸催化作用下，脫除NH，而發生縮聚，生成不溶于水的聚合物，從而賦予纖維以持久的阻燃性。用TAP化合物進行阻燃整理有如下優點：賦予棉纖維以持久阻燃性；不會游離出甲醛；經整理的布手感柔軟，強度保持率(經向)高達90％；不變色；由于不含鹵素，燃燒時不會產生鹵素氣體和鹵化氫氣體。此 外，TAP對人造纖維、棉針織物、絲綢有防縮整理效果。納米11

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2、在阻燃泡沫橡膠中

美聯邦航空局的Richard等人對高效阻燃聚磷腈泡沫材料進行了測試。聚磷腈材料與其他材料相Ii試數據見表2.前者的熱性能顯示了非常大的優勢，EYPEL—A熱釋放能力比航空用Pu橡膠降低了66．4％，膨脹石墨改性聚磷腈橡膠的 更是降低了80．7％。從反應材料阻燃性的成炭率可看出：EYPEL—A比航空用Pu橡膠的成炭率提高9倍，膨脹石墨改性聚磷腈橡膠更是提高了近20倍。另外聚磷腈材料的燃燒性能更為優越(表3)，與Pu相比，燃燒時聚磷腈材料最大熱釋放速率降低70％，平均有效燃燒熱量降低37．5％，顯著降低燃燒釋放出的熱量，減少燃燒造成的損失，石墨改性的聚磷腈性能則更優。6 納米11

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3、在膠黏劑中

聚磷腈膠黏劑[1 具有突出的耐熱性能，300度以上有較好的耐熱性和黏結一IIii(對金屬粘接剪切強度為200MPa以上)，并且其抗沖擊韌性比無機鹽膠黏劑好得多。聚磷腈膠黏劑主要用于高溫作業下如火箭、導彈、飛機等有關耐高溫部件的金屬、陶瓷和玻璃鋼等工件的粘接。典型的聚磷腈膠黏劑合成見圖4。納米11

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四、結語

納米材料也叫做聚合物材料，通常是指由千萬個小分子有化學鍵連接而成的大分子聚合物。我們生活中應用的納米材料材料就是指合成材料、合成橡膠、合成纖維等合成納米材料材料。然而20世紀60年代，納米材料工業已基本完善，解決了人們的衣著、日用品、和工業材料等需求。因此，在未來的納米材料航空航天應用領域，納米材料材料功能化、納米納米材料材料復合技術以及可降解生物納米材料材料研發將是三個重要的研究領域。

五、參考文獻

（1）許勝國，魏民，趙成堅，謝瓊-中國宇航學會首屆學術年會論文集，無機抗菌納米材料材料在載人航天技術中的應用前景。（2）李愛元，張慧波，陳亞東，王建-《膠體與聚合物》，聚磷腈納米材料材料在航空航天領域中的應用。

第三篇：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?；糜癐II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?，F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?？湛虯330/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?？膳碌氖峭苑票『鸵估勺源髢煞N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?！皷|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??？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：鈦合金在船舶海水管系的應用

鈦合金在船舶海水管系的應用

船舶海水管路是船舶推進保障系統、發電機保障系統和輔助系統的重要組成部分，對保障船舶動力裝置、輔助機械和設備的正常工作具有重要作用。管系的漏損對船舶的影響近次與主機，占第二位。

多年以來，我國的船舶海水管系以銅制設計為主，從2000年以來，耐腐蝕性能優良的B10合金替代原來的紫銅在船舶海水管系中大量應用，大大改善了我國船舶海水管系的腐蝕破損問題。但隨著我國遠洋戰略的實施和船舶行業的發展，海水管系的腐蝕問題依然嚴峻。B10合金的極限設計流速為3.6m/s，無法滿足現代船舶高海水流速的要求。B10合金海水管路設計時不同海水系統對應有不同的流速限制，而部分管道關閉造成局部管道實際流速超出設計流速的情況時有發生。另外在海水管系方向發生改變的部位，管路內海水實際流速通常也會超出設計流速。同時，隨著世界經濟的發展，工業對海水造成的污染也不斷加劇，對海水管路的耐腐蝕性能提出了更高的要求。以上幾種情況導致海水管系的腐蝕問題依然突出。

鈦合金具有優良的耐海水腐蝕性能，被稱為“海洋金屬”。具有低比重、力學性能優良等特點。同時鈦合金具有優良的耐沖刷腐蝕性能（見圖1），作為海水管系使用，服役期限不少于40年。

圖1 不同海水流速下材料耐腐蝕性能

由于鈦合金同時具有較高的強度，可以使管材的壁更薄，從而減輕管系的重量。世界各國都非常重視鈦合金在海水管路上的應用研究工作。俄羅斯和美國已成功將鈦合金應用于各類動力的潛艇、水面艦船。如美國海軍對薄壁鈦合金管從費效角度進行評價，作為水面艦船海水管系的候選管材，鈦合金可以減輕管路的腐蝕和沖刷破壞，但鈦合金與其它材料的電偶不匹配，材料之間的電絕緣造價較高。

鈦合金在海水中的腐蝕電位較高，容易造成與之相連的其它金屬的加速腐蝕，因此，鈦合金在海水管路中使用時，必須加強電絕緣防護。以避免海水管系中、海水管系與船體間的電偶腐蝕發生。通常采用的方法是電絕緣連接，即用各種惰性材料（包括密封材料）制成墊片、套管，插入法蘭連接中，使兩法蘭陰極之間的導電通路被斷開。近年來，鈦合金的絕緣防護技術不斷發展，如熱氧化、陽極氧化、微弧氧化等技術已有較好的技術積累和應用經驗。這些新技術的發展和應用為鈦合金在海水管路的應用提供了有力的技術支持。

鈦合金具有良好的生物兼容性，在海水管系的應用時，易生長海生物造成管徑減小，甚至堵塞（如圖2），從而影響系統運行。針對這一問題，國內已有單位開展系統的研究工作。目前常用的有涂防污漆、電解銅鋁防污和電解氯氣防污等手段。因目前國內采用鈦合金海水管系的船舶較少，以上幾種方法的應用實踐較少。其中電解氯氣防污在濱海電廠的鈦合金管路得到較多應用，使用效果良好。

圖2 被海生物堵塞的鈦合金管路

鈦合金在海水管系的應用是一個系統的工程，除了管材材料規格齊全和電絕緣技術成熟，還要有防污技術、泵閥、管件材料制備技術、成熟的焊接技術等配套產品的工藝技術儲備。目前，國內已制備了鈦合金管件的國標和船用標準，也有部分廠家具備了多種規格鈦合金管件的供貨能力，國內船舶海水管路中采用鈦合金閥門的型號僅有很少的小型船只，應用經驗較少，相關的設計和研究工作開始也較晚，尚無法為大規模應用提供足夠的技術和供貨保障。鈦合金海水管系所需的焊接技術已經比較完善，可以滿足幾乎所有工況的應用。

總之，鈦合金是船舶海水管系材料未來的發展方向。目前國內相關應用經驗較少，材料配套能力尚需進一步提升。