第一篇：碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

林德春

潘

鼎

高

健

陳尚開

（上海市復(fù)合材料學(xué)會）

（東華大學(xué)）

（連云港鷹游紡機(jī)集團(tuán)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(yōu)異的力學(xué)性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強(qiáng)度和最高比模量。特別是在 2000℃以上高溫惰性環(huán)境中，是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)。此外，其還兼具其他多種得天獨(dú)厚的優(yōu)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(shù)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、電磁屏蔽性,紡織加工性均優(yōu)良等。因此，碳纖維復(fù)合材料也同樣具有其它復(fù)合材料無法比擬的優(yōu)良性能,被應(yīng)用于軍事及民用工業(yè)的各個領(lǐng)域，在航空航天領(lǐng)域的光輝業(yè)績，尤為世人所矚目。

可以明顯看出，在航空航天領(lǐng)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(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的新進(jìn)展。

航空領(lǐng)域應(yīng)用的新進(jìn)展

T300 碳纖維/樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)在飛行器上廣泛作為結(jié)構(gòu)材料使用，目前應(yīng)用較多的 為拉伸強(qiáng)度達(dá)到 5.5GPa，斷裂應(yīng)變高出 T300 碳纖維的 30％的高強(qiáng)度中模量碳纖維 T800H 纖維。

（1）軍品

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是生產(chǎn)武器裝備的重要材料。在戰(zhàn)斗機(jī)和直升機(jī)上，碳纖維 復(fù)合材料應(yīng)用于戰(zhàn)機(jī)主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)件和戰(zhàn)機(jī)特殊部位的特種功能部件。國外將碳纖維/環(huán) 氧和碳纖維/雙馬復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)機(jī)機(jī)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(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機(jī)身 段，可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%；復(fù)合材料垂直安定面可減輕質(zhì)量32.24%。用軍機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要指標(biāo)——結(jié)構(gòu)重量系數(shù)來衡量，國外第四代軍機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)已達(dá)到27～28%。未來以F-22為目標(biāo)的背景機(jī)復(fù)合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復(fù)合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機(jī)和無人駕駛飛機(jī)，已實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)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(qiáng)的復(fù)合材。

美國在殲擊機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)上大量使用復(fù)合材料：F-22的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)為27.8%，先進(jìn)復(fù)合材料的用量已達(dá)到25%以上，軍用直升機(jī)用量達(dá)到50%以上。八十年代初美國生產(chǎn)的單人駕駛的“星舟”輕型機(jī)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量約1800kg，其中復(fù)合材料用量超過1200kg。1986年美生產(chǎn)的“旅行者”號輕型飛機(jī)，其90%以上的結(jié)構(gòu)采用了碳纖維復(fù)合材料，創(chuàng)下了不著陸連續(xù)九天進(jìn)行環(huán)球飛行的世界記錄。Boeing公司用GF / PPS制造海軍巡航導(dǎo)彈的殼體，Du Pont公司用GF、KF / PA、PPS，制造軍機(jī)的零部件。

由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不但是輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)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(dá)波。美國已用來制造最新 型的隱形轟炸機(jī)。美國的P－22 超音速飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)就是采用了中等模量的碳纖維增強(qiáng)的特種工程塑料。幻影III戰(zhàn)斗機(jī)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(jī)的肋條、蒙皮及一些連接件、緊固件等雷達(dá)波的吸收件。戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈殼體、B-2隱型轟炸機(jī)的機(jī)身基材，F(xiàn)117A隱型飛機(jī)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(chǎn)戰(zhàn)斗機(jī)上的閥門，使飛機(jī)閥門在很寬的溫度范圍內(nèi)與燃料長 期接觸也能保持其性能和形狀的穩(wěn)定；其它國家的飛機(jī)F/A-

18、RAH-66、A330 / A340、B77、Y-22上面也都采用了這種材質(zhì)來制造機(jī)翼、蒙皮、主承力結(jié)構(gòu)、中央冀盒、地板、尾 冀、設(shè)備箱體及結(jié)構(gòu)件。

大量采用碳纖維復(fù)合材料為部件的中國新型號的軍機(jī)“飛豹”飛機(jī)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(shù)1.70，轉(zhuǎn)場航程約3600公里。該機(jī)的攻擊威力已超過“美洲虎”、“旋風(fēng)”、蘇-24等飛機(jī)，具備了第三代戰(zhàn)斗機(jī)的特點(diǎn)。

（2）民品

在民用領(lǐng)域，555座的世界最大飛機(jī)A380由于CFRP的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。飛機(jī)25%重量的部件由復(fù)合材料制造，其中22%為碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP), 3%為首次用于民用飛機(jī)的GLARE纖維－金屬板（鋁合金和玻璃纖維超混雜復(fù)合材料的層狀結(jié)構(gòu)）。這些部件包括：減速板、垂直和水平穩(wěn)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(jī)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(fù)合材料后密封 框——復(fù)合材料用于飛機(jī)的密封禁區(qū)發(fā)起挑戰(zhàn)后，A380又一次對連接機(jī)翼與機(jī)身主體結(jié)構(gòu)中央翼盒新的禁區(qū)發(fā)起了成功挑戰(zhàn)。僅此一項(xiàng)就比最先進(jìn)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(jīng)濟(jì)性比其直接競爭機(jī)型要低13%左右，并降低了運(yùn)營成本，座英里成本比目前效率最高飛機(jī)的低15%--20%，成為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠(yuǎn)程客機(jī)。

航天領(lǐng)域新進(jìn)展

(1)火箭、導(dǎo)彈

以高性能碳(石墨)纖維復(fù)合材料為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)構(gòu)/功能一體化構(gòu)件材料，在導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和衛(wèi)星飛行器上也發(fā)揮著不可替代的作用。其應(yīng)用水平和規(guī)模已關(guān)系到武器裝備的跨越式提升和型號研制的成敗。碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展推動了航天整體技術(shù)的發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)部件和衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發(fā)動機(jī)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(zhàn)略導(dǎo)彈上均已成熟應(yīng)用，美國、日本、法國的固體發(fā)動機(jī)殼體主要采用碳纖維復(fù)合材料，如美國三叉戟-2 導(dǎo)彈、戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)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(fā)動機(jī)殼體，其中使用量最大的是美國赫克里斯公司生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度 5.65Gpa、楊氏模量 300GPa。

我國各類戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上也大量采用碳纖維復(fù)合材料作為發(fā)動機(jī)噴管、整流罩防熱材料。我國九十年代后期開展了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料材料殼體的研究，進(jìn)行了 T300 CFRP 固體火箭發(fā)動機(jī)殼體的基礎(chǔ)試驗(yàn)、殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)、點(diǎn)火試車等全程考核;完成了 12K T700 CFRP殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，開展了 T800 碳纖維 CFRP多種殼體的預(yù)研實(shí)驗(yàn)。

（2）衛(wèi)星、航天飛機(jī)及載人飛船

高模量碳纖維質(zhì)輕，剛性，尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性好，因此很早就應(yīng)用于人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線中。現(xiàn)今的人造衛(wèi)星上的展開式太陽能電池板多采用碳纖維復(fù)合材料制作，而太空站和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)上的一些關(guān)鍵部件也往往采用碳纖維復(fù)合材料作為主要材料。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料被作航天飛機(jī)艙門、機(jī)械臂和壓力容器等。美國發(fā)現(xiàn)號航天 飛機(jī)的熱瓦，十分關(guān)鍵，可以保證其能安全地重復(fù)飛行。一共有 8 種：低溫重復(fù)使用表面絕熱材料 LRSI；高溫重復(fù)使用表面絕熱材料 HRSI；柔性重復(fù)使用表面絕熱材料 FRSI；高級 柔性重復(fù)使用表面絕熱材料 AFRI；高溫耐熔纖維復(fù)合材料 FRIC—HRSI；增強(qiáng)碳/碳材料 RCC；金屬；二氧化硅織物。其中增強(qiáng)碳/碳材料 RCC，最為要的，它可以使航天飛機(jī)承受 大氣層所經(jīng)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(wèi)星、返回艙中大量使用的碳纖維復(fù)合材料，為這一舉世矚目的成就立下了汗馬功勞。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維的產(chǎn)量不斷增大，質(zhì)量逐漸提高，而生產(chǎn)成本穩(wěn)步下降。各種性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料將會越來越多地出現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域中，為世界航空航天技術(shù)的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

第二篇：碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域相關(guān)發(fā)展

碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展淺析

咱們分航空和航天兩個方面，對CFRP的應(yīng)用，略加介紹。這篇的很多技術(shù)術(shù)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?yàn)橹懒饲耙蚝蠊形虻酶嘁稽c(diǎn)所謂外行看熱鬧，內(nèi)行看門道。說到應(yīng)用，國外的料大家盡管爆，國內(nèi)產(chǎn)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(nèi)資料都來自互聯(lián)網(wǎng)官方報道和公開出版物，并注明了相關(guān)來源。額來壇子的目的，第一是學(xué)習(xí)，第二是分享，第三是科普。

一、航空方面的CFRP應(yīng)用

業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為，碳纖維復(fù)合材料在軍用航空方面的應(yīng)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(jī)對安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性要求高于軍機(jī)，因此在應(yīng)用上更加保守和延后，但也大體追隨了軍機(jī)的步伐。在此一并介紹。

第一階段——非承力結(jié)構(gòu)：20世紀(jì)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(jié)構(gòu)，如艙門、前緣、口蓋、整流罩等尺寸較小的部件。對于民機(jī)，除了上述應(yīng)用外，機(jī)艙大量的內(nèi)飾也會用到復(fù)合材料，但其中有很多是芳綸或者玻璃纖維復(fù)材，這里不贅述。

國內(nèi)方面：從難度上說，非承力結(jié)構(gòu)是航空復(fù)材的小case，但是應(yīng)用面卻最廣泛。國內(nèi)在技術(shù)上已無大的障礙，基本達(dá)到了國外類似的水平，需要的是大規(guī)模普及。相信ARJ21,C919和運(yùn)20等大平臺和眾多無人機(jī)小平臺定型運(yùn)營后，能夠?yàn)榇颂峁V闊的應(yīng)用空間。

這些一般應(yīng)用，大多用便宜的大絲束產(chǎn)品就夠了；而T300以上的產(chǎn)品，貴得離譜，好鋼用在刀刃上，于是大多用在承力結(jié)構(gòu)上。

第二階段——次承力結(jié)構(gòu)：20世紀(jì)70-80年代：隨著力學(xué)性能的改善與前期應(yīng)用的效果提高了人們的信心，CFRP逐步擴(kuò)展到飛機(jī)的次承力結(jié)構(gòu)，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(zhàn)斗機(jī)把纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成功應(yīng)用在平尾上，是復(fù)合材料史上的一個里程碑事件。波音B777也將CFRP應(yīng)用于垂尾、平尾等多處部件，共用復(fù)合材料9.9噸，占結(jié)構(gòu)總重的11%。

國內(nèi)方面:

中國將CFRP用于軍機(jī)的舵面和翼面，也已經(jīng)開始成熟。

根據(jù)《玻璃鋼》等雜志的公開報道,早在“六五”期間，沈陽飛機(jī)設(shè)計所、航空材料研究院和沈陽飛機(jī)廠共同研制殲擊機(jī)復(fù)合材料垂尾壁板，比原鋁合金結(jié)構(gòu)輕21kg，減重30％。北京航空工藝研究所研制并生產(chǎn)的QY8911／HT3雙馬來酰亞胺單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料已用于飛機(jī)前機(jī)身段、垂直尾翼安定面、機(jī)翼外翼、阻力板、整流壁板等構(gòu)件。殲轟7-A戰(zhàn)機(jī)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(fā)展水平基本相當(dāng)。

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

在民機(jī)方面，ARJ21新支線飛機(jī)的復(fù)合材料技術(shù)水平大體達(dá)到了這樣一個水平，算是開了個頭，但大規(guī)模應(yīng)用尚需時日。

圖1 國內(nèi)某機(jī)型基于“π”形接頭盒段結(jié)構(gòu)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(nèi)CFRP次承力構(gòu)件的廣泛應(yīng)用，與T300生產(chǎn)進(jìn)程密切相關(guān)。材料的國產(chǎn)化，產(chǎn)量的擴(kuò)大化和價格的低廉化，分別為CFRP次承力構(gòu)件的應(yīng)用提供可能性、適用性和經(jīng)濟(jì)性。從而最終推動CFRP次承力構(gòu)件成為國產(chǎn)軍民航空器的標(biāo)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(dá)到的，因此未來的發(fā)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(jié)構(gòu)了。

第三階段，從上世紀(jì)80年代至今，隨著高性能碳纖維和預(yù)浸料-熱壓罐整體成型工藝的成熟，CFRP逐步進(jìn)入機(jī)翼、機(jī)身等受力大、尺寸大的主承力結(jié)構(gòu)中。

美國原麥道飛機(jī)公司于1976年率先研制了F/A-18的復(fù)合材料機(jī)翼，把復(fù)合材料的用量提高到了13%，成為復(fù)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(shù)為FA-18E/F制造CFRP的12塊機(jī)身蒙皮，10塊進(jìn)氣管蒙皮，4塊水平尾翼蒙皮。F16戰(zhàn)斗機(jī)BLOCK50之后也開始采用CRPR復(fù)合材料機(jī)翼。F22戰(zhàn)機(jī)的復(fù)合材料用量已經(jīng)提高到結(jié)構(gòu)重量的22%。目前西方國家軍機(jī)上復(fù)合材料用量約占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的 20%～50%不等。

民機(jī)方面，波音777采用全復(fù)合材料尾翼，其翼面及翼盒構(gòu)件，均采用自動鋪帶技術(shù)制造。空客A330/A340飛機(jī)長9m，寬2m，重200kg的大型蒙皮壁板。A380的后機(jī)身所有蒙皮壁板19段，22%的機(jī)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(dá)1.5噸，其燃料經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)可觀。

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

最值得關(guān)注的，是其機(jī)身：787機(jī)身工藝采用直徑5.8m 的成型模胎安裝在一旋轉(zhuǎn)夾具上沿長軸轉(zhuǎn)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(jī)身段，經(jīng)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(qiáng)筋及長桁、上千個緊固件組成機(jī)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(jī)方面，波音公司X-45系列飛機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)90%以上，諾斯羅普·格魯門公司的X-47系列飛機(jī)也基本上為全復(fù)合材料飛機(jī)。

看完波音的系列CFRP主承力結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，兵器迷想問問某些網(wǎng)友，憑哪條說美國是產(chǎn)業(yè)空心化，只剩下金融和房地產(chǎn)了？人家居安思危，幾句謙虛的自拙之語，被剛進(jìn)入工業(yè)化不久的我們?nèi)绔@至寶般的照單全收，再加以主觀放大，作為沾沾自喜的根據(jù)，實(shí)在不足為取啊。

國內(nèi)方面

根據(jù)中廣網(wǎng)的公開報道，2012年12月，中航工業(yè)西飛公司向中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司(簡稱中國商飛)交付了C919大型客機(jī)中央翼、襟翼及運(yùn)動機(jī)構(gòu)部段，這是C919大型客機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形公差要求高，尤其是國內(nèi)民機(jī)最長尺寸、長達(dá)15米的襟翼緣條加工，技術(shù)難度非常大。西飛突破了復(fù)合材料大型成型模具設(shè)計制造技術(shù)、復(fù)合材料構(gòu)件預(yù)裝配變形控制技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)，整個研制過程全部采用先進(jìn)的三維數(shù)字化設(shè)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(jìn)的中模高強(qiáng)碳纖維/增韌環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制造。這是國內(nèi)首次在固定翼飛機(jī)最重要的主承力結(jié)構(gòu)件上使用復(fù)合材料，代表了中國制造的碳纖維航空復(fù)合材料應(yīng)用的最高水平。

圖4 國內(nèi)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(nèi)采用CFRP生產(chǎn)的某機(jī)型縱橫向加筋機(jī)身壁板。

注意，圖5的產(chǎn)品仍然面積較小，需要通過機(jī)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(shí)，國內(nèi)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(zhì)量的穩(wěn)定性.廢品率高，成本自然下不來。C919是商飛啊，不是技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，安全性和經(jīng)濟(jì)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(qiáng)人意,亦屬無奈。

為了學(xué)習(xí)CFRP大型構(gòu)件整體成型的新技術(shù)、新工藝，哈飛復(fù)合材料公司與外方合作伙伴一起，共同進(jìn)行C919的部件開發(fā)。下圖6展示的，就是哈飛復(fù)材公司參與制造的C919機(jī)尾框段——在2.4米的長度內(nèi)，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(nèi)合作制作的最大體積整體成型CFRP制件。見圖6

圖6：C919機(jī)尾76-81框的CFRP整體成型框段

CFRP主承力結(jié)構(gòu)件，對T700,T800等高性能軍用碳纖維生產(chǎn)，以及大型復(fù)材整體成型技術(shù)提出了更高需求。國內(nèi)在這兩方面又都存在短板甚至空白。因此大多數(shù)應(yīng)用是探索性，合作性和階段性的。在短期內(nèi)，我們尚無法做到主承力結(jié)構(gòu)CFRP的大規(guī)模應(yīng)用。

對此，正確的態(tài)度應(yīng)當(dāng)是：學(xué)而時習(xí)之。中國人有差距，不可怕。咱學(xué)，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(tài)。這樣的心態(tài)，距離事實(shí)很遠(yuǎn);距離成功，那是無限遠(yuǎn)。

CFRP三個階段的應(yīng)用介紹完了，咱們再看看——

直升機(jī)、旋翼機(jī)、風(fēng)扇葉片等其他方面

包括CFRP在內(nèi)的先進(jìn)復(fù)合材料的用量甚至更大。如V-22魚鷹傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，其結(jié)構(gòu)的50%由復(fù)合材料制成，包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等，共用復(fù)合材料3000多千克，其中很大一部分是CFRP。V-22的整體后機(jī)身，原由9塊手工鋪疊的壁板裝配構(gòu)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(shù)同時應(yīng)用于儲油箱、旋翼整流罩、主起落架艙門。已經(jīng)下馬的“科曼奇”(RAH-66)共使用復(fù)合材料50%，歐洲最新批次的“虎”式武裝直升機(jī)結(jié)構(gòu)部件的復(fù)合材料用量高達(dá)80%，接近全復(fù)材結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)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(jī) EC120的機(jī)身、垂尾、水平安定面、尾翼、前艙等結(jié)構(gòu)均由CFRP等復(fù)合材料制成。在軍機(jī)方面，近年來所有的國產(chǎn)直升機(jī)旋翼都是多維編制的CFRP復(fù)材葉片，金屬旋翼葉片已經(jīng)完全淘汰。報載：復(fù)材葉片和先進(jìn)旋翼機(jī)構(gòu)，已經(jīng)成為中國直升機(jī)整體短板下不可多得的優(yōu)勢點(diǎn)，水平基本與國外看齊——?dú)?0、武直

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

既然說起葉片，再嘮叨兩句航空渦扇發(fā)動機(jī)。

大家知道，航發(fā)的風(fēng)扇葉片，大多采用鈦合金。金屬葉片有一個弱點(diǎn)，就是振動阻尼性能較差，高速旋轉(zhuǎn)時容易震顫，而且不易衰減。而且如果葉片本身已經(jīng)有微小裂紋，就會在這種持續(xù)震顫中，引發(fā)裂紋由內(nèi)向外快速擴(kuò)張，在極短時間內(nèi)造成葉片斷裂。這是一種比共振更加危險的振動現(xiàn)象。

因此，有些風(fēng)扇就在每個葉片的兩側(cè)加一個凸臺，專業(yè)術(shù)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(fā)動機(jī)進(jìn)氣口，都有這樣的凸肩（見下圖）。這樣，葉片全部高速旋轉(zhuǎn)時，各凸肩形連起來成了一個加強(qiáng)環(huán)，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(shù)量，降低了發(fā)動機(jī)的推重比。

圖7：殲10發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口的凸肩（紅圈處）

而CFRP材料制成的風(fēng)扇葉片，由于纖維多層交叉鋪貼，材料本身“各向異性”性能優(yōu)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(lián)合研制的發(fā)動機(jī)LEAP-X，就采用了CFRP三維碳纖維編織物整體成型的風(fēng)扇葉片，不但重量減輕了50%，葉片數(shù)也減少了一半。

國內(nèi)發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片，目前只看到渦槳發(fā)動機(jī)的復(fù)合葉片，尚未見到實(shí)裝渦扇發(fā)動機(jī)使用CFRP的報道。2012年珠海航展上的CJ-1000A發(fā)動機(jī)是我國第一款商用渦扇航空發(fā)動機(jī)在研產(chǎn)品，據(jù)稱采用了CFRP寬弦復(fù)合大彎掠風(fēng)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(fēng)刃”等無人機(jī)采用了全機(jī)結(jié)構(gòu)CFRP材料，V750無人直升機(jī)、小型通用航空雙座飛機(jī)，也都大范圍采用了CFPR蒙皮，可以看作是國內(nèi)碳纖維復(fù)材在通用航空領(lǐng)域的有益嘗試。

航空說完了，咱吧眼光再放遠(yuǎn)點(diǎn)，看看航天吧。

二、航天方面的CFRP應(yīng)用

鼻錐和翼面：洲際導(dǎo)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(dá)2740℃。利用CFRP系列中的分支——碳纖維碳增強(qiáng)復(fù)合材料CFRC（也稱碳/碳復(fù)合材料）制成燒蝕材料，熱力學(xué)性能優(yōu)異，防熱效果好。如美國碳/碳復(fù)合材料在3837℃高溫持續(xù)255秒的過程中，線燒蝕率只有0.005毫米/秒，保證了航天飛機(jī)在1650℃的環(huán)境中連續(xù)工作40分鐘安然無恙。而且，碳/碳復(fù)合材料用來制造洲際彈道導(dǎo)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(dǎo)誤差，美國的民兵-III導(dǎo)彈，就采用了碳/碳復(fù)材鼻錐。

噴管喉襯：固體火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑燃燒時產(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)彈第三級發(fā)動機(jī)的噴管關(guān)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(fā)動機(jī)采用了CFRC。

發(fā)動機(jī)殼體：導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)殼體的減重，有利于提高導(dǎo)彈射程。美國“北極星”導(dǎo)彈的固體發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)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(dāng)前潛射洲際彈道導(dǎo)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(fù)材制成，重量輕、體積小、射程遠(yuǎn)。

再入彈頭：洲際彈道導(dǎo)彈的頭部大面積防熱材料大多采用粘膠基碳纖維增強(qiáng)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(chǎn)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(dāng)?shù)停胤荡髿鈱舆^程中形成的燒蝕尾流含金屬離子少，不易跟蹤，加強(qiáng)了導(dǎo)彈的突防和生存能力。

級間聯(lián)接：美國GE公司為“阿特拉斯”導(dǎo)彈設(shè)計的高2.34米的聯(lián)接器，除口蓋之外全部采用碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，比鋁合金減重44%。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料：美國康維爾公司為雙元“OV-I”衛(wèi)星制作了CFRP的四根大梁結(jié)構(gòu)，減重68%。美國”ATS”衛(wèi)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(fù)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(dǎo)彈的公開報道（17.5米的長度，50噸的重量，1噸的彈頭，長細(xì)尖銳的彈頭外形?..）, 估計其尚不具備火箭發(fā)動機(jī)CFRP殼體，或者火箭CFRP外殼，且缺乏長程洲際導(dǎo)彈高彈道再入大氣層所需要的粘膠基碳纖維的獨(dú)立生產(chǎn)能力。果真如此，那么面對其航天大國和洲際導(dǎo)彈強(qiáng)國的炫耀，只能說，印度的進(jìn)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(nèi)方面：

據(jù)《合成纖維》等雜志和網(wǎng)上的公開報道，我國在戰(zhàn)略武器方面的碳纖維應(yīng)用情況如下：

火箭發(fā)動機(jī)殼體：中國的GFRP固體發(fā)動機(jī)殼體始于20世紀(jì)80年代，并已取得成功。“東方紅-2”通訊衛(wèi)星運(yùn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)、“風(fēng)云-2”氣象衛(wèi)星運(yùn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)和“長征-2E”發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)與長二捆火箭配套，成功地將模擬衛(wèi)星送入軌道，標(biāo)志著我國大型GFRP殼體進(jìn)入實(shí)用階段。之后，我國研制成功的EPKM-17上面級發(fā)動機(jī)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(wèi)星和“艾克斯達(dá)一號”衛(wèi)星送入36 000 km的太空。

火箭導(dǎo)彈殼體：我國研制CFRP殼體也取得了長足進(jìn)步。1990年代后期，進(jìn)行了T300固體火箭發(fā)動機(jī)殼體的基礎(chǔ)試驗(yàn)、殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)、點(diǎn)火試車等全程考核，完成了12K T700 CFRP殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)。第一個用在型號上的是“開拓者一號”固體小運(yùn)載發(fā)動機(jī)的第四級(直徑640 mm)，并于2003年9月飛行成功。實(shí)現(xiàn)了CFRP殼體的歷史性跨越。目前，T800 CFRP殼體預(yù)研試驗(yàn)已經(jīng)展開。

噴管喉襯：我國研制的C／CFRP噴管于1989年點(diǎn)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(yōu)異的綜合性能。

再入彈頭：根據(jù)《東華校友》“創(chuàng)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(xué)材料學(xué)教授、博士生導(dǎo)師潘鼎教授，主持了“300Kg/年粘膠基碳纖維擴(kuò)試線”這一國家級重大軍工科研項(xiàng)目，用不同于國外原料的國產(chǎn)棉纖維素原絲制成了填補(bǔ)國內(nèi)空白、產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)水平的高純度航天級粘膠基碳纖維，成果無償轉(zhuǎn)給中科院山西煤化所，進(jìn)行放大生產(chǎn)。課題組還制定了“ＧＪＢ３８３９－２０００”國家標(biāo)準(zhǔn)，形成了具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)、世界上獨(dú)一無二的，用棉纖維素粘膠簾子線制備碳纖維的技術(shù)及應(yīng)用設(shè)備。該技術(shù)和產(chǎn)品榮獲2003國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎，解決了DF-31導(dǎo)彈的定型難題，并使我國已成為美俄之外，能夠獨(dú)自掌握這一產(chǎn)品及其生產(chǎn)技術(shù)的世界第三大國。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)

據(jù)中國質(zhì)量新聞網(wǎng)報道，我國2011年發(fā)射的嫦娥二號探月衛(wèi)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(fā)的CFRP復(fù)材，總重量僅500余克，較使用鋁合金材質(zhì)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(wèi)星的減重，是以克計的，少1克，能節(jié)約500克燃料。少300克，衛(wèi)星就可以多帶一個相機(jī)或望遠(yuǎn)鏡，多完成一些任務(wù)。再看看減重比例：40%，還是很有效的，呵呵。

總結(jié)

至此，關(guān)于碳纖維及其復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)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(fù)材的航空航天應(yīng)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(yīng)用，大約處于西方發(fā)達(dá)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(fù)材，在軍用領(lǐng)域緊追慢趕，亮點(diǎn)不少。但在民用航空領(lǐng)域的發(fā)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(zhàn)略軍用小絲束產(chǎn)品，得益于兩代“核心”領(lǐng)導(dǎo)的重視，T300軍用碳纖維的完全國產(chǎn)化，使得次承力結(jié)構(gòu)軍用構(gòu)件有較快的發(fā)展。而民用大絲束領(lǐng)域的政策扶持相對滯后許多。實(shí)際上，國家當(dāng)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(yuǎn)來看，通用、民用產(chǎn)品的市場空間更大，是碳纖維行業(yè)持久發(fā)展、持續(xù)創(chuàng)新的厚土沉基。在軍品已經(jīng)打開突破口，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國力增強(qiáng)的今天，不要說大絲束，即便是小絲束產(chǎn)品，也應(yīng)當(dāng)更多的從市場和民用角度，拓寬其行業(yè)基礎(chǔ)，以軍帶民、以民養(yǎng)軍、分苗嫁接、開枝散葉，形成軍用技術(shù)和民用產(chǎn)業(yè)的良性互動。這是政策層面的原因。

第二，國內(nèi)十?dāng)?shù)家碳纖維生產(chǎn)廠家，群雄并起，看似熱鬧，實(shí)際上有很大一部分并沒有掌握核心技術(shù)。要么是關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵材料需要進(jìn)口，要么是工藝參數(shù)和質(zhì)量控制沒有吃透。甚至，很多企業(yè)到現(xiàn)在，PAN原絲生產(chǎn)還要高價進(jìn)口東麗公司的DMSO溶劑，屬于照貓畫虎形的“自主生產(chǎn)”。多數(shù)廠家的產(chǎn)品質(zhì)量批次差異性較大，纏結(jié)、斷絲時有發(fā)生，合格的PAN原絲生產(chǎn)量不過100噸/年，達(dá)不到基本規(guī)模經(jīng)濟(jì)水平。產(chǎn)業(yè)布局和關(guān)鍵技術(shù)的把握，都有很大的提升空間。這是PAN原絲和碳纖維生產(chǎn)層面的原因。

第三，在預(yù)浸料自動鋪疊技術(shù)和整體成型工藝，已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家成熟制造技術(shù)，但對于中國航空航天碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域，依然是工業(yè)化生產(chǎn)中最大的一塊短板，甚至空白。即便有了引進(jìn)設(shè)備，我們對復(fù)材的物理性質(zhì)，力學(xué)性能研究不透，對加工參數(shù)掌握不足，知其然不知其所以然，直接用國外的軟件設(shè)計復(fù)材方案，導(dǎo)致CFRP復(fù)材的產(chǎn)量低、價格高、質(zhì)量不穩(wěn)定和創(chuàng)新能力低下。軍用部件不計成本，也就罷了，而對商業(yè)化批量生產(chǎn)和應(yīng)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(jīng)摸透的金屬材料做更有把握和更經(jīng)濟(jì)。這是復(fù)材生產(chǎn)層面的原因。

第四，航空航天器的設(shè)計，需要結(jié)合復(fù)材性能特性，加強(qiáng)整體設(shè)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(nèi)某型軍機(jī)的平尾改用CFRP復(fù)材后，確實(shí)輕了不少，但卻因此改變了全機(jī)力矩平衡，需要通過配重進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果整機(jī)減重效果并不理想。當(dāng)然，逐項(xiàng)替代也是一種有效的驗(yàn)證步驟，但有一種理念需要強(qiáng)調(diào)：局部優(yōu)化不代表整體優(yōu)化。在復(fù)合材料應(yīng)用愈加廣泛的今天，頂層設(shè)計，全局優(yōu)化，才能最大化的發(fā)揮復(fù)材的最大功能效用和經(jīng)濟(jì)效用。這是設(shè)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(fù)材的發(fā)展歷程，我們再一次感受到美國的強(qiáng)大和日本的扎實(shí)。這種強(qiáng)大是深入骨髓的，這種扎實(shí)是無所不在的。在碳纖維這個領(lǐng)域，他們傲然前行，卓越領(lǐng)先。

這里面有著深層次的原因。如果不能正視這種真正的領(lǐng)先，反而意淫著多少年GDP趕上美國就揚(yáng)眉吐氣了，那么GDP第一長達(dá)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(jī)制和基礎(chǔ)研究上練真功夫，那么我們今天的進(jìn)步就可能是局部甚至短暫的。

當(dāng)然，承認(rèn)現(xiàn)實(shí)不代表低頭認(rèn)輸。中國強(qiáng)大過數(shù)千年，也落后過數(shù)百年，并且已經(jīng)追趕過數(shù)十年。雖然領(lǐng)跑者的數(shù)量和差距正在縮小，但學(xué)習(xí)和追趕仍將是我們這個民族今后很長一段時間的常態(tài)。懷著這樣的心態(tài)來看問題，美日的領(lǐng)先和強(qiáng)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(fù)材形成過程中的高溫和預(yù)浸料。忍辱負(fù)重、腳踏實(shí)地、科學(xué)精心地調(diào)制這一痛苦和嚴(yán)苛的過程，是中國軍工，乃至中華民族走向真正強(qiáng)大的必經(jīng)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(fù)材制造的航空器，自由高飛。

第三篇：碳纖維在航空航天中的應(yīng)用

碳纖維在航空航天中的應(yīng)用

郭 偉 中國地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院

摘要: 碳纖維就是纖維狀的碳，由有機(jī)纖維經(jīng)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(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。本文將針對碳纖維的結(jié)構(gòu)、性能、制備方法及其在航空航天中的應(yīng)用介紹。

引言

20世紀(jì)納米科技取得了重大發(fā)展，而納米材料是納米技術(shù)的基礎(chǔ)，碳纖維是一種比強(qiáng)度比鋼大，比重比鋁輕的材料，它在力學(xué)，電學(xué)，熱學(xué)等方面有許多特殊性能，碳纖維的強(qiáng)度比玻璃鋼的強(qiáng)度高；同時它還具有優(yōu)異的導(dǎo)電、抗磁化、耐高溫和耐化學(xué)侵蝕的性能，被認(rèn)為是綜合性能最好的先進(jìn)材料，因此它在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用推廣非常迅速。在近代工業(yè)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(jī)纖維經(jīng)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(qiáng)纖維。與傳統(tǒng)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(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。有學(xué)者在1981年將PAN基CF浸泡在強(qiáng)堿NaOH溶液中，時間已過去30多年，它至今仍保持纖維形態(tài)。2.碳纖維的結(jié)構(gòu)

碳纖維的結(jié)構(gòu)決定于原絲結(jié)構(gòu)和炭化工藝。對有機(jī)纖維進(jìn)行預(yù)氧化、炭化等工藝處理，除去有機(jī)纖維中碳以外的元素，形成聚合多環(huán)芳香族平面結(jié)構(gòu)。在碳纖維形成過程中，隨著原絲的不同，質(zhì)量損失可達(dá)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(fā)現(xiàn)，真實(shí)的碳纖維結(jié)構(gòu)并不是理想的石墨點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。碳纖維呈現(xiàn)亂層石墨結(jié)構(gòu)。在亂層石墨結(jié)構(gòu)中，石墨層片仍是最基本結(jié)構(gòu)單元，一般由數(shù)張到數(shù)十張層片組成石墨微晶，這是碳纖維的二級結(jié)構(gòu)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(shù)百nm，這是纖維的三級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。在這些條帶的結(jié)構(gòu)中，存在著針形孔隙，其寬度為1.6—1.8nm，長度可達(dá)幾十nm。在碳纖維結(jié)構(gòu)中的石墨微晶與纖維軸構(gòu)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(jié)構(gòu)是高倍拉伸的、沿軸向擇優(yōu)取向的原纖維和空穴構(gòu)成的高度有序織態(tài)結(jié)構(gòu)。影響碳纖維強(qiáng)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(chǎn)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(nèi)部形成空穴和缺陷。3.碳纖維的性能 3.1 碳纖維的力學(xué)性能

碳纖維具有很高的抗拉強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)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(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要決定于炭化處理的溫度。一般經(jīng)過高溫(3000℃)石墨化處理，密度可達(dá)2.og／cm3，碳纖維的熱膨脹系數(shù)與其他纖維不同，它有各向異性的特點(diǎn)。平行于纖維方向是負(fù)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(dǎo)率隨溫度升高而下降。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關(guān)，在25℃時，高模量纖維為775μΩ／cm，高強(qiáng)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(fù)值。因此當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與鋁合金組合應(yīng)用時會發(fā)生化學(xué)腐蝕。3.3碳纖維的化學(xué)性能

碳纖維的化學(xué)性能與碳很相似，它除能被強(qiáng)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(xiàn)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(qiáng)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(jīng)碳化制得：按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維：按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000兆帕（MPa）、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。強(qiáng)度大于4000MPa的又稱為超高強(qiáng)型：模量大于450GPa的稱為超高模型。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強(qiáng)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(yīng)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(wěn)定化（預(yù)氧化）、碳化、石墨化等4個過程。其間伴隨的化學(xué)變化包括，脫氫、環(huán)化、預(yù)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(qiáng)度和質(zhì)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(yù)處理成中間相、預(yù)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(yù)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(jìn)行氣相或液相氧化等，賦予纖維化學(xué)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(jié)構(gòu)。要想得到質(zhì)量好碳纖維，需要注意一下技術(shù)要點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)原絲高純化、高強(qiáng)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(wù)。碳纖維系統(tǒng)工程需從原絲的聚合單體開始，實(shí)現(xiàn)一條龍生產(chǎn)。原絲質(zhì)量既決定了碳纖維的性質(zhì)，又制約其生產(chǎn)成本。優(yōu)質(zhì)PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件。

（2）雜質(zhì)缺陷最少化，這是提高碳纖維拉伸強(qiáng)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(qiáng)度的過程實(shí)質(zhì)上就是減少、減小缺陷的過程。

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

（4）研究高溫技術(shù)和高溫設(shè)備以及相關(guān)的重要構(gòu)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(xù)運(yùn)行、又要提高設(shè)備的使用壽命，所以研究新一代高溫技術(shù)和高溫設(shè)備就顯得格外重要。如在惰性氣體保護(hù)、無氧狀態(tài)下進(jìn)行的微波、等離子和感應(yīng)加熱等技術(shù)。5.碳纖維在航空航天中的應(yīng)用

5.1在飛機(jī)機(jī)身上的應(yīng)用

近10 年來,國內(nèi)飛機(jī)上也較多的使用了碳纖維及其復(fù)合材料。例如由國內(nèi)幾家科研單位合作開發(fā)研制的某殲擊機(jī)復(fù)合材料垂尾壁板,比原鋁合金結(jié)構(gòu)輕21 kg ,減質(zhì)量30 %。北京航空制造工程研究所研制并生產(chǎn)的Q Y8911/ HT3雙馬來酰亞胺單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料已用于飛機(jī)前機(jī)身段、垂直尾翼安定面、機(jī)翼外翼、阻力板、整流壁板等構(gòu)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(yù)浸料及其復(fù)合材料,具有優(yōu)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(jī)主承力構(gòu)件,可在120 ℃下長期工作,已用于飛機(jī)起落架艙護(hù)板前蒙皮。在316 ℃這一極限溫度下的環(huán)境中,復(fù)合材料不僅性能優(yōu)于金屬,而且經(jīng)濟(jì)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(qiáng)樹脂基復(fù)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(jī)上的應(yīng)用已由次承力結(jié)構(gòu)材料發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)材料。5.2 在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

樹脂基復(fù)合材料由于具有密度小、比強(qiáng)度高和耐高溫等固有特性,復(fù)合材料在航空渦輪發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的范圍越來越廣且比例越來越大,使航空渦輪發(fā)動機(jī)向“非金屬發(fā)動機(jī)”或“全復(fù)合材料發(fā)動機(jī)”方向發(fā)展。憑借比強(qiáng)度高,比模量高,耐疲勞與耐腐蝕性好的優(yōu)點(diǎn),J TA GG 驗(yàn)證機(jī)的進(jìn)氣機(jī)匣采用碳纖維增強(qiáng)的PMR15 樹脂基復(fù)合材料,比采用鋁合金質(zhì)量減輕26 %。

碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)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(qiáng)度高,耐溫性好等優(yōu)點(diǎn),碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料在壓氣機(jī)葉片、整體葉環(huán)、盤、軸、機(jī)匣、傳動桿等部件上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

目前主要的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品是以SiC 或C纖維增強(qiáng)的SiC 和SiN 基復(fù)合材料。憑借密度較小(僅為高溫合金的1/ 3～1/ 4),力學(xué)性能較高,耐磨性及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn),陶瓷基復(fù)合材料,尤其是纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料,已經(jīng)開始應(yīng)用于發(fā)動機(jī)高溫靜止部件(如噴嘴、火焰穩(wěn)定器),并正在嘗試應(yīng)用于燃燒室火焰筒、渦輪轉(zhuǎn)子葉片、渦輪導(dǎo)流葉片等部件上。5.3 在火箭發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

由于火箭發(fā)動機(jī)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(fā)展到四向及更多向編織。同時火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計者多年來一直企圖將具有高抗熱震的Ct / SiC 用于發(fā)動機(jī)噴管的擴(kuò)散段, 但Ct 的體積分?jǐn)?shù)高, 易氧化而限制了其廣泛應(yīng)用, 隨著CVD、CVI 技術(shù)的發(fā)展, 新的抗氧化Ct / SiC 及C-C/ SiC 必將找到其用武之地。Melchior 等認(rèn)為碳纖維CMC、陶瓷纖維CMC 以及C/ C 復(fù)合材料,特別是以SiC 為纖維或基體的CMC 抗氧化, 耐熱循環(huán)和燒蝕, 是液體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室和噴管的理想材料, 并進(jìn)行了總數(shù)為31 個的長達(dá)20 000 s 的燃燒室和噴管點(diǎn)火試驗(yàn), 內(nèi)壁溫度高達(dá)1732 ℃, 一個600 kg 發(fā)動機(jī)成功地點(diǎn)火七次, 溫度為1449℃。目前為解決固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)承載問題, 美國和法國正在進(jìn)行陶瓷纖維混合碳纖維而編織的多向(6 向)基質(zhì)、以熱穩(wěn)定氧化物為基體填充的陶瓷復(fù)合材料。SiC 陶瓷制成的喉襯、內(nèi)襯已進(jìn)行多次點(diǎn)火試驗(yàn)。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(jié)構(gòu)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(fā)動機(jī)殼體和噴管的主要材料。5.4在衛(wèi)星和宇航器上的應(yīng)用

由于碳纖維的密度、耐熱性、剛性等方面的優(yōu)勢, 增強(qiáng)纖維以碳纖維為主。碳纖維復(fù)合材料在空間技術(shù)上的應(yīng)用, 國內(nèi)也有成功范例, 如我國的第一顆實(shí)用通信衛(wèi)星應(yīng)用了碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料拋物面大線系統(tǒng);第一顆太陽同步軌道“ 風(fēng)云一號” 氣象衛(wèi)星采用了多折迭式碳纖維復(fù)合材料剛性太陽電池陣結(jié)構(gòu)等。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕型化對衛(wèi)星功能及運(yùn)載火箭的要求至關(guān)重要,所以對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求很嚴(yán)。國際通訊衛(wèi)星VA 中心推力筒用碳纖維復(fù)合材料取代鋁后減質(zhì)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(xiàng)盈利就接近衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)

[1]高永忠.纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料在武器裝備上的應(yīng)用[J].應(yīng)用導(dǎo)航, 2006 ,01 :24.[2]李愛蘭,曾燮榕,曹臘梅等航空發(fā)動機(jī)高溫材料的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報,2003 ,17(2):26.[3]《航空航天先進(jìn)復(fù)合材料現(xiàn)狀》論文 吳良義

[4]《復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用》論文 蘇云洪,劉秀娟,楊永志 [5]部分內(nèi)容來源于維基百科及百度百科等網(wǎng)站

第四篇：納米材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

納米11

陳美齡

41136025

納米材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

學(xué) 院：姓 名：學(xué) 號：班 級：

——《納米材料科學(xué)與技術(shù)前沿》論文

材料科學(xué)與工程學(xué)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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技技術(shù)更新速度日益加快。納米材料早已滲透到我們?nèi)祟惿畹姆椒矫婷妫谖覀兊娜粘Ｉ钪邪l(fā)揮著不可替代的作用。

目前，納米材料材料研究領(lǐng)域，已經(jīng)由原來如何方便人類生活、如何開發(fā)新型材料，逐步向減少環(huán)境負(fù)擔(dān)、材料可循環(huán)利用、低能高效的方向發(fā)展。同時，隨著航天事業(yè)的發(fā)展，納米材料材料同樣發(fā)揮著不可替代的作用。在未來的研究方面，將會是向低碳環(huán)保和科技技術(shù)方面發(fā)展。

本文主要介紹在航天領(lǐng)域方面的熱門兩種納米材料。

二、無機(jī)抗菌納米材料

（1）簡介

細(xì)菌、霉菌、酵竹苗、凜類等_仃害微牛物小僅對人類生活作業(yè)境造成污染，而且時人體健康和生命造成嚴(yán)幣損害。即使在遠(yuǎn)離地球的找人航天E行器艙內(nèi)環(huán)境中同樣不能豐免。美國載人航無器E行史中，因細(xì)菌感染而導(dǎo)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(fā)生呼吸道感染，9、1I、12、14發(fā)生中耳炎，其他E行任務(wù)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(xì)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(jī)抗菌納米材料材料簡介

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

當(dāng)細(xì)菌、霉菌等微生物接觸到載體中游離態(tài)金屬離子后，帶正電荷的金屬離子與帶負(fù)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(dá)一定量時，就會有效擊穿細(xì)菌細(xì)胞壁，接觸細(xì)胞內(nèi)部蛋白質(zhì)和核酸，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性，從而降低蛋白酶活性。蛋白質(zhì)失活就會影響細(xì)胞的代謝和呼吸功能，使其無法進(jìn)行分裂繁殖，直到死亡，從而達(dá)到滅菌、抑菌目的。

（3）分子材料航天應(yīng)用現(xiàn)狀

目前我國己試制和生產(chǎn)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(chǎn)工藝技術(shù)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(jīng)過進(jìn)一步嚴(yán)格篩試，均可應(yīng)用于載人航天技術(shù)領(lǐng)域。

為給乘員創(chuàng)建安全可靠工作條件和舒適方便的生活環(huán)境，納米材 納米11

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料聚合材料越來越多的運(yùn)用于載人航天艙內(nèi)設(shè)備。航天服就用到多種經(jīng)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(jī)材料，飛行程序控制用計算機(jī)殼體、操作鍵盤，各種連接導(dǎo)線和電纜，多種非金屬餐飲、復(fù)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(shè)備的操作把手，各種通風(fēng)排氣復(fù)合軟管材料，減震保溫用發(fā)泡材料，有時電熱設(shè)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(chuàng)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(yán)重?fù)p害到材料質(zhì)量，甚至通過交叉?zhèn)鞑パ昙叭梭w健康。據(jù)調(diào)查，105 f-1電話中46％的機(jī)子上有大腸桿菌，僅在塑料聽筒、話筒上就有480余種細(xì)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(jīng)9個小時可達(dá)1億個之多。

三、聚磷腈在航空航天中的應(yīng)用

（1）簡介

在現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)發(fā)展歷程中，航空航天材料一直扮演著先導(dǎo)性角色，材料進(jìn)步不僅推動了航空航天業(yè)本身的發(fā)展，也帶動了地面交通工具進(jìn)步，航空航天材料反映了材料發(fā)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(lǐng)域中的應(yīng)用

1、在織物阻燃中

航空航天領(lǐng)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(xì)研究了TAP對織物阻燃性能的影響。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為l7％ 時，成率(燃燒分解后剩余質(zhì)量占原來質(zhì)量的分?jǐn)?shù))為39％，氧指數(shù)為47。5，手感好，強(qiáng)度損失小，水平點(diǎn)燃有自熄性。國外有人對TAP(日本曹達(dá)公司產(chǎn)品)的水合物和鹽酸鹽進(jìn)行研究。經(jīng)TAP化合物阻燃整理的棉纖維性能見表1。

由表1可知，經(jīng)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(zhì)量率和不同條件下的極限氧指數(shù)(iO0最高達(dá)到39。TAP化合物與防火整理劑(丙烷一派羅伐特克斯，cp)進(jìn)一步經(jīng)熱分析對比，發(fā)現(xiàn)CP在受熱過程中發(fā)生放熱分解。TAP化合物在受熱過程中，由于放出HCI和NH 而發(fā)生吸熱，且TAP在纖維素中發(fā)生縮聚反應(yīng)(如圖3所示)，在酸催化作用下，脫除NH，而發(fā)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(jìn)行阻燃整理有如下優(yōu)點(diǎn)：賦予棉纖維以持久阻燃性；不會游離出甲醛；經(jīng)整理的布手感柔軟，強(qiáng)度保持率(經(jīng)向)高達(dá)90％；不變色；由于不含鹵素，燃燒時不會產(chǎn)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(lián)邦航空局的Richard等人對高效阻燃聚磷腈泡沫材料進(jìn)行了測試。聚磷腈材料與其他材料相Ii試數(shù)據(jù)見表2.前者的熱性能顯示了非常大的優(yōu)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(yīng)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(yōu)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(yōu)。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(jié)一IIii(對金屬粘接剪切強(qiáng)度為200MPa以上)，并且其抗沖擊韌性比無機(jī)鹽膠黏劑好得多。聚磷腈膠黏劑主要用于高溫作業(yè)下如火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)等有關(guān)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

陳美齡

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四、結(jié)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(xué)鍵連接而成的大分子聚合物。我們生活中應(yīng)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(jì)60年代，納米材料工業(yè)已基本完善，解決了人們的衣著、日用品、和工業(yè)材料等需求。因此，在未來的納米材料航空航天應(yīng)用領(lǐng)域，納米材料材料功能化、納米納米材料材料復(fù)合技術(shù)以及可降解生物納米材料材料研發(fā)將是三個重要的研究領(lǐng)域。

五、參考文獻(xiàn)

（1）許勝國，魏民，趙成堅，謝瓊-中國宇航學(xué)會首屆學(xué)術(shù)年會論文集，無機(jī)抗菌納米材料材料在載人航天技術(shù)中的應(yīng)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(lǐng)域中的應(yīng)用。

第五篇：碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展淺析(二). 工藝篇

碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展淺析(二).工藝篇

上回的《基礎(chǔ)篇》，介紹了碳纖維的基本概念。這一回，咱們分別聊聊碳纖維(CF)和碳纖維復(fù)合材料（CFRP 兩方面的生產(chǎn)工藝——用說書的話來講，這叫花開兩朵，各表一枝。

喜歡用說書的方式講兵器，覺著特親切，呵呵。

一碳纖維的生產(chǎn)

碳纖維根據(jù)基本材料不同，可分為PAN基、瀝青基、酚醛基、纖維素基…..等不同的生產(chǎn)工藝。這次，我們只談軍用高性能聚丙烯腈PAN碳纖維的生產(chǎn)工藝。雖然PAN基碳纖維生產(chǎn)細(xì)節(jié)的保密度比較高，但是大致的原理是公開的，先概要的介紹一下其生產(chǎn)過程。

如下圖1所示，PAN基碳纖維的生產(chǎn)，從原料單體到原絲、再到碳纖維成品加工，各道工藝的緊密相連，可以在一個車間內(nèi)連續(xù)的完成全套工藝流程。

圖1：碳纖維主要生產(chǎn)工藝流程圖

國內(nèi)有部分廠家，既沒有上游的PAN原絲生產(chǎn)能力，又沒有下游的碳纖維復(fù)材生產(chǎn)能力，只能直接購買國外原絲，再進(jìn)行預(yù)氧化和碳化的后續(xù)處理生產(chǎn)碳纖維。好比吃魚，頭尾嫌刺多,不舍得下功夫，于是就吃個中段兒，居然也號稱自己能做碳纖維，游說國家投入巨資。我們有些人“走捷徑”的本事，那不是一般的高啊，呵呵。

由于《基礎(chǔ)篇》所述研發(fā)技術(shù)的原因，碳纖維的生產(chǎn)，在國際上一直由美、日兩國主導(dǎo)。目前能夠進(jìn)入批量工業(yè)化生產(chǎn)的最高級碳纖維是T800，T1000等更高品級仍在實(shí)驗(yàn)室階段。航空主承力級和航天級的碳纖維工藝技術(shù)，國外對華一直封鎖。就連高性能PAN原絲，如T800原絲, 以及部分碳纖維成品，也都對華禁運(yùn)——日本曾經(jīng)對賣高級碳纖維給中國的人員判刑嚴(yán)懲。

兵器迷這個不忿啊——哪天咱們發(fā)達(dá)了，也開個單子，以下產(chǎn)品和技術(shù)，對美日禁運(yùn)……嘿嘿。

中國人什么都怵，就是不怵禁運(yùn)——逼到無路可走，唯有痛下苦功。所以軍用高性能碳纖維的生產(chǎn)，自“六五”以來一直是國家重點(diǎn)研發(fā)和實(shí)施科技產(chǎn)業(yè)化的攻關(guān)項(xiàng)目。十五期間，在國家863項(xiàng)目的推動下，形成了北京化工大學(xué)、中科院山西煤化所和山東大學(xué)為主的三個研發(fā)基地，和江蘇、吉林、山西、山東為主的四大生產(chǎn)基地。經(jīng)過近30年的努力，取得的成績應(yīng)當(dāng)說是可圈可點(diǎn)：

T300的生產(chǎn)

根據(jù)中國玻璃纖維復(fù)合材料信息網(wǎng) 2008年的報道，中復(fù)神鷹碳纖維有限公司萬噸碳纖維一期工程，2008年底在江蘇連云港正式投產(chǎn)，目前形成 1000噸規(guī)模碳絲生產(chǎn)能力。該公司曾于2007年5月實(shí)現(xiàn)了碳化生產(chǎn)線投產(chǎn)，當(dāng)時碳纖維產(chǎn)量只有20噸左右。此后新建了2500噸PAN碳纖維原絲和1000噸碳化生產(chǎn)線。以45%股份成為神鷹第一大股東的中國復(fù)合材料集團(tuán)董事長張定金強(qiáng)調(diào)，T300從設(shè)備到產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)百分之百國產(chǎn)化。而且在技術(shù)研發(fā)上，河南煤業(yè)化工集團(tuán)已經(jīng)擁有PAN基T300碳纖維完整的知識產(chǎn)權(quán)體系。軍工部門評價說：“T300的完全國產(chǎn)化，使得軍用次承力結(jié)構(gòu)碳纖維獲得了完全自主權(quán)”

至此，可以說，通過T300級軍用碳纖維的國產(chǎn)化，走出了中國打破國外壟斷和技術(shù)封鎖的第一步。產(chǎn)品批量生產(chǎn)當(dāng)年，T300進(jìn)口價應(yīng)激性的跌了一半，呵呵。（兩年后因?yàn)樾枨罅看髢r格又上去了，這是后話）

T700的生產(chǎn)

據(jù)2012年中國航空報報道，中航工業(yè)董事長林左鳴率隊赴位于江蘇常州國家高新技術(shù)區(qū)的中簡科技發(fā)展有限公司考察調(diào)研。中簡科技成立于2008年，承擔(dān)國家“863”計劃高性能碳纖維項(xiàng)目，依托中科院山西煤炭化學(xué)研究院的技術(shù)團(tuán)隊，經(jīng)過4年時間，建立了T700碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，年產(chǎn)量可達(dá)300噸。主要設(shè)備的國產(chǎn)化率達(dá)98%，是國內(nèi)第一條T700高性能碳纖維生產(chǎn)線。林左鳴明確提出，中航工業(yè)對國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品進(jìn)行支持，規(guī)定成員單位必須使用已達(dá)標(biāo)的國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品。

兵器迷點(diǎn)點(diǎn)頭，這就對了。這種戰(zhàn)略性問題，不能只講究什么市場經(jīng)濟(jì)規(guī)律，該補(bǔ)貼的要補(bǔ)貼，該保護(hù)的要保護(hù)，扶上馬還要送一程。

T800的生產(chǎn)

據(jù)江蘇經(jīng)濟(jì)報2012年7月消息，江蘇航科復(fù)合材料科技有限公司建成我國首條T800碳纖維產(chǎn)業(yè)化線。該項(xiàng)目2009年底啟動，航科投入2.5億元，從原絲到成品技術(shù)均為自主研發(fā)，生產(chǎn)線的開工負(fù)荷已提升到90%，5個月來累計產(chǎn)出成品500千克，合格率達(dá)到90%以上.拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、斷裂延伸三大主要性能指標(biāo)以及線密度、導(dǎo)熱率等其他各指標(biāo)，都與東麗公司的T800產(chǎn)品相當(dāng)。目前，江蘇航科已申請專利85項(xiàng)，其中24項(xiàng)獲授權(quán)。

從原絲開始做出來，與東麗指標(biāo)相當(dāng)，且有自己的專利技術(shù)，這是可喜的事情，希望早日看到國家級鑒定。

可以看出，中國軍用小絲束高性能碳纖維的生產(chǎn)，從下游煤化工入手，通過產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)的模式，已經(jīng)取得了可觀的進(jìn)展。T300已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了年千噸以上的規(guī)模化生產(chǎn)，T700達(dá)到了年百噸規(guī)模的批產(chǎn)規(guī)模，T800也看到了曙光。

不過，問題也不少——看兵器迷的文章，一般先報喜后報憂，這也是規(guī)律，呵呵。

首先是橫向比較，差距巨大。對于最高端的T800，江蘇航科5個月的產(chǎn)量只有500公斤，即每個月100公斤的規(guī)模，可以說仍然在試生產(chǎn)階段，距離真正的工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)化盈利，還有很長一段路要走。而且，T700未實(shí)現(xiàn)100%國產(chǎn)化，T800國產(chǎn)化就差得更遠(yuǎn)。而美國波音公司，1985年T800就出來了——看到了吧，差距30年啊，呵呵。

當(dāng)然，做不出來的時候，連可比性都沒有，想說你究竟落后多少年都說不出來。現(xiàn)在從無到有，畢竟能比了，也算一種進(jìn)步吧。

第二就是質(zhì)量不穩(wěn)，廢品率高。即便是正品，各批次生產(chǎn)的碳纖維的性質(zhì)也有差異，影響了后續(xù)復(fù)合材料的生產(chǎn)效果。而且難以搞清其中的原因——同樣的生產(chǎn)線和生產(chǎn)工藝，這一批合格，下一批不合格；這一批模量高，下一批模量低，究竟是為什么呢？

主要還是因?yàn)椋咝阅芴祭w維的生產(chǎn)工藝灰常、灰常繁復(fù)，可以說到了苛刻的地步。兵器迷在這里給出很少幾個例子，來說明一下其工藝難度：

例1：很多工藝需要加入不同種類的的穩(wěn)定劑、催化劑。比如預(yù)氧化過程中，紡絲液就需要加入路易斯酸、脛胺、有機(jī)金屬絡(luò)合物鹽、鋁、硼、鈦的金屬有機(jī)化合物以及十二烷基苯磺酸鈉類的金屬鹽等等穩(wěn)定劑，重量必須在原料的0.1-0.2%左右。

例2：各工序的溫度和速度的控制精密。比如紡絲的多段凝固工藝中，第一段的溫度為35-80℃，結(jié)束后1秒中內(nèi)，就要迅速進(jìn)入第二階段。預(yù)氧絲在70毫克/袋的張力下，于惰性氣體中加溫，必須以每分鐘30℃升到600℃。再以每分鐘1000℃升到1300℃，同時保持20秒。絲毫不能馬虎。

例3：設(shè)備運(yùn)作要求高。比如：預(yù)氧化過程中，4組導(dǎo)輥的直徑有嚴(yán)格要求，而且表面溫度必須分別為285℃，285℃，285℃和315℃,且絲束通過導(dǎo)輥的速度要求為毫米級/秒精度。

例4：物理處理手段同樣精密。比如，為防止碳化后碳絲強(qiáng)度降低，在碳化前對預(yù)氧化爐出口處對絲束施加0.005-0.1克/袋的張力，并對絲束噴熱氣流，將單絲吹開，改善絲束強(qiáng)度。

碳纖維的生產(chǎn)工藝參數(shù)和運(yùn)行控制，是一個龐大的體系。其中無論哪個因素，操作時稍有不慎，就會前功盡棄，僵絲、斷絲、排焦、起毛、纏結(jié)….各種問題層出不窮。所謂?差之毫厘，謬以千里”，就是這個意思。

中國碳纖維行業(yè)生產(chǎn)長期徘徊在“能做出來，就是做不好；能做好，就是貴”的尷尬局面中，說到底，咱們對碳纖維生產(chǎn)的脾氣，還沒有摸透啊。國人大干快上的性子，對這種需要精益求精的水磨工夫，還真有點(diǎn)不適應(yīng)。

那么，那就踏實(shí)下來，養(yǎng)養(yǎng)性吧。不只是碳纖維這個行業(yè)，我們整個民族，都需要從浮躁、表面化和一鳴驚人的短期行為模式中解脫出來，不求聞達(dá)、埋頭積累、夯實(shí)基礎(chǔ)、漸取徐圖。

話扯遠(yuǎn)了，咱們來看看第二個話題——

二、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)的生產(chǎn)

CFRP,根據(jù)基體材料和增強(qiáng)工藝的不同（比如陶瓷基、金屬基復(fù)合）本來是一個龐大的家族。我們這里只談基本CFRP生產(chǎn)工藝。大體上有兩種，即預(yù)浸料-熱壓罐固化成型工藝，和液體成型工藝。由于前者是航空結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主要復(fù)材工藝，今兒就重點(diǎn)聊聊它。

1、預(yù)浸料。

預(yù)浸料-熱壓罐固化成型工藝的第一步，就是把碳纖維放入熱固性高韌性樹脂預(yù)浸料進(jìn)行預(yù)浸、吸膠，并加溫進(jìn)行固化。

近年來，航空復(fù)材構(gòu)件已經(jīng)日趨大型化和整體化，以減少復(fù)材之間的機(jī)械裝配和緊固環(huán)節(jié)，達(dá)到提高性能、降低成本、減輕重量的目的。但由此也帶來了麻煩——部件越大，其在熱壓罐內(nèi)固化過程中的溫度控制就越難保證均勻持續(xù)，從而導(dǎo)致質(zhì)量下降。美國在預(yù)浸料-熱壓罐工藝的材料成本中，預(yù)浸料廢棄率平均為40％。因此，“零吸膠”、“常溫加壓”的先進(jìn)預(yù)浸料，就成為業(yè)內(nèi)的發(fā)展方向。

碳纖維的生產(chǎn)，上面聊過，國內(nèi)與國外相比是有很大差距的。但樹脂預(yù)浸料，我們的差距相對小一些。根據(jù)航空制造網(wǎng)的消息，國內(nèi)開發(fā)的環(huán)氧樹脂預(yù)浸料碳Ⅷ /BA9918 預(yù)浸料、碳Ⅶ /BA9916-II 預(yù)浸料、CCF300/BA9916-II 預(yù)浸料和雙馬樹脂預(yù)浸料CCF300/QY9511、碳Ⅶ /QY9611，都可做到“零吸膠”、“常溫加壓”，部分預(yù)浸料已用于多個型號產(chǎn)品的生產(chǎn)，與美國波音公司的材料有著類似的性能。如下表1：

表1國內(nèi)外部分雙馬樹脂基韌性復(fù)合材料性能（第一列碳Ⅶ /QY9611為國產(chǎn)）

表2：國內(nèi)外部分環(huán)氧基韌性復(fù)合材料性能（第一列碳Ⅶ /QY9611為國產(chǎn)）

咋樣？和老美比一比，咱們的樹脂基不差啊，呵呵，振奮一下。

碳纖維有了，樹脂基復(fù)材也有了，萬事俱備，可以來炒碳纖維復(fù)合材料這盤菜了。在這方面，我們就不樂觀了。

2、預(yù)浸料-熱壓罐整體成型工藝

用預(yù)浸料-熱壓罐工藝生產(chǎn)碳纖維制造復(fù)合材料，要先將碳纖維浸溶在樹脂溶劑里，進(jìn)行鋪疊成型。接著經(jīng)過模具工裝進(jìn)行表面組裝固定，在部件接觸面貼膠。其后進(jìn)熱壓罐100-130度固化，并通過緊固成為成品構(gòu)件。

美國采用預(yù)浸料-熱壓罐固化成型工藝制造航空制造復(fù)合材料的成本中，材料占15％，預(yù)浸料鋪疊占25％，裝配占45％，固化占10％，緊固工藝占5％，看到了吧？預(yù)浸料鋪疊和裝配在成本中占了70%，這也是咱們關(guān)注的重中之重。

早期復(fù)合材料制造的大型構(gòu)件，通常是由各自成形好的部件，通過機(jī)械連接組裝而成。這樣的方式增加了結(jié)構(gòu)的自重，不能很好地發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，大型復(fù)材結(jié)構(gòu)逐漸實(shí)現(xiàn)了預(yù)浸料-熱壓罐整體化制造，其工藝可分為三種：

共固化：不同部件分別鋪疊，整體進(jìn)熱壓罐固化。

共膠接：先完成一個部件的固化，再鋪疊其他部件，整體進(jìn)熱壓罐共膠接。

后膠接：各部件分別鋪疊、分別進(jìn)熱壓罐固化，然后整體再次進(jìn)熱壓罐膠接。

喂，兵器迷，太太太……抽象了！

是是是……撓頭。沒別的辦法，再舉幾個例子吧。

例1：壁板類工藝

對于飛機(jī)尾翼、機(jī)翼和非筒體成型的機(jī)身，需要壁板類的大型復(fù)材，這類結(jié)構(gòu)主要由蒙皮和長桁組成，其成型工藝有以下幾種方式。

共固化：分別鋪疊蒙皮和長桁，通過模具工裝將其組合在一起，接觸面鋪膠膜（或不鋪膠膜）；之后整體進(jìn)熱壓罐完成共固化。

膠接：蒙皮先固化，再鋪疊長桁，通過模具工裝將其固定在已固化好的蒙皮上，接觸面鋪膠膜，之后進(jìn)罐完成共膠接。或者反過來，長桁先固化，再與蒙皮共膠接。

后膠接：分別固化蒙皮和長桁；將長桁進(jìn)行必要的加工；通過模具工裝將蒙皮與長桁組裝，接觸面鋪膠膜，之后進(jìn)熱壓罐完成膠接。

在實(shí)際生產(chǎn)中，上述三種工藝可以混合使用。

例2：盒段整體工藝

對于飛機(jī)翼面，需要上、下蒙皮與骨架一體成型的整體盒段，按照用途，主要有三種工藝：

一是基于“π”形接頭的盒段結(jié)構(gòu)膠接成型工藝。主要用于飛機(jī)平尾、垂尾。

二是基于T 形接頭的骨架與上、下蒙皮共固化/膠接一體成型工藝，通常用于飛機(jī)平尾、垂尾部分，如目前波音787 的平尾即采用了這類成型工藝。

三是基于T 形接頭的骨架與下蒙皮一體共固化/膠接成型工藝，通常主要用于戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼主承力結(jié)構(gòu)。如歐洲EF2000 機(jī)翼、日本F2 機(jī)翼。

例3：筒體成型工藝

對于航空器的機(jī)體，其復(fù)材結(jié)構(gòu)方案有兩類，一類是將機(jī)身的每段筒體分為四塊壁板分別成型后，再用機(jī)械連接方式對接，空客A350XWB 即為這種工藝方案；另一類則是將機(jī)身每段筒體整體共固化工藝成型，其代表機(jī)型是波音787。

壁板、盒段、筒形制件，涉及飛機(jī)翼面、機(jī)身的主要組成部分，近年來一直是國內(nèi)外復(fù)材應(yīng)用的核心領(lǐng)域。對此感興趣的朋友，請記住預(yù)浸料-熱壓罐這個晦澀拗口，但是意義重大的術(shù)語吧。

在預(yù)浸料-熱壓罐工藝中，預(yù)浸料的手工鋪疊是人工成本和人工時間消耗最大的一個環(huán)節(jié)，這種工藝的速度慢、質(zhì)量低、時間長、人工成本高。因此，鋪疊自動化，就成為這個工藝中最講究的部分。如果說，預(yù)浸料-熱壓罐是航空復(fù)材生產(chǎn)工藝的皇冠，那么鋪疊環(huán)節(jié)的自動化工藝，就是這個皇冠上最耀眼的那顆鉆石。預(yù)浸料鋪疊自動化技術(shù)

目前，業(yè)界對手工鋪疊改進(jìn)的方式主要有手工自動鋪疊、自動鋪絲、自動鋪帶三種：

3.1手工鋪疊的自動化/ 數(shù)字化技術(shù)

即采用預(yù)浸料自動剪裁下料系統(tǒng)和鋪層激光投影定位系統(tǒng)等。采用專門的數(shù)控切割設(shè)備來進(jìn)行預(yù)浸料和輔助材料的平面切割，從而將依賴于樣板的制造過程轉(zhuǎn)變?yōu)榭筛鶕?jù)復(fù)合材料設(shè)計軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行全面運(yùn)作的制造過程，大大提高了手工鋪疊的工作效率和鋪疊質(zhì)量。

3.2自動鋪帶技術(shù)

分為平面式自動鋪帶機(jī)（FTLM）和曲面自動鋪帶機(jī)（CTLM）2種，主要用于鋪放小曲率的大型復(fù)合材料構(gòu)件，如翼面類構(gòu)件的蒙皮，可成型超大尺寸和形狀復(fù)雜的復(fù)合材料制件，且質(zhì)量穩(wěn)定，縮短了鋪層及裝配工時。與手工相比，先進(jìn)鋪帶技術(shù)可降低制造成本的30%~50％。

第一臺計算機(jī)數(shù)控（CNC）自動鋪帶機(jī)是在美國空軍材料實(shí)驗(yàn)計劃下由General Dynamics公司和Conrac公司合作開發(fā)的，于80年代正式用于航空復(fù)合材料構(gòu)件制造。90年代后，西歐開始研制生產(chǎn)自動鋪帶機(jī)。制造自動鋪帶機(jī)的技術(shù)主要被歐美掌控，如美國American GFM Corporation、Cincinnati Machine、CityMachine Tool&Die Company、ITW Workholding、Ingersoll和歐洲的M.TORRES（西班牙）、FOREST-LINE（法國）等。

3.3自動鋪絲技術(shù)

自動鋪絲，實(shí)際上是在自動鋪絲+自動纏繞技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，專為曲率較大的雙曲面蒙皮構(gòu)件的鋪疊而開發(fā)的技術(shù)，適用于大曲率機(jī)身和復(fù)雜曲面的成型，如軍用和民用飛機(jī)雙曲面翼身融合體、S形進(jìn)氣道。自動鋪絲可以按構(gòu)件型面增減紗束根數(shù)，可根據(jù)構(gòu)件形狀自動切紗適應(yīng)邊界，因此廢料率很低（3%～8%），可完成局部加厚、加筋、鋪層遞減、開口補(bǔ)強(qiáng)等操作，鋪放軌跡自由度更大，可變角度鋪放，能適應(yīng)大曲率復(fù)雜構(gòu)件成型。

老美諾斯羅普?格魯門公司1995年購進(jìn)第一臺自動絲束鋪放機(jī)，將其用于F/A-18E/F的進(jìn)氣道、機(jī)身蒙皮、平尾蒙皮的制造。2010年將有40～50臺機(jī)器投入使用。目前自動鋪絲技術(shù)的代表是美國辛辛那提機(jī)床公司Viper 纖維鋪放機(jī)系統(tǒng)，有Viper1200、Viper3000，Viper6000系列鋪絲機(jī)。

唉，美國，美國，總是美國。要是有《復(fù)合材料自動鋪疊技術(shù)史》這本書，那目前就只有一個作者——美國。

兵器迷愛嘮叨，呵呵。

看完人家的，再瞧瞧咱自己的：

國內(nèi)情況：

手工鋪疊自動化：目前我國在研和批量生產(chǎn)的航空用先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件大部分仍在使用手工鋪疊，雖然也通過預(yù)浸料自動下料機(jī)和激光投影儀，大幅度提高了復(fù)合材料構(gòu)件的鋪疊效率，但這兩種設(shè)備大多需要進(jìn)口，而且對于大型構(gòu)件，依然難以保證鋪疊質(zhì)量和速度。

國內(nèi)自動鋪帶機(jī)：中國正在起步研究的階段。根據(jù)航空制造網(wǎng)的公開報道，北京航空制造工程研究所研制的6m×20m 大型自動鋪帶機(jī)（如圖2），開始在新型飛機(jī)的復(fù)材構(gòu)件研制中得到實(shí)驗(yàn)性的應(yīng)用。但就整個行業(yè)來說，遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)模化應(yīng)用的程度。

國內(nèi)自動鋪絲機(jī)：至于更上一層樓的自動鋪絲機(jī)，尚未見到有國產(chǎn)化設(shè)備投入應(yīng)用的報道。

圖2:北航工程研究所研制的6m×20m 大型自動鋪帶機(jī)

大家看到，手工自動鋪疊，咱們在引進(jìn)條件下推廣應(yīng)用；自動鋪帶機(jī)，咱們落后了30年，現(xiàn)在剛開了個頭；自動鋪絲機(jī)，我們連頭還看不到啊！

手搭涼棚，望著云端外十萬八千里的身影，氣喘吁吁的喊道：“猴哥……你等一等啊……!”

但是，先行者是不會等咱的，只有自己咬牙趕上去。而技術(shù)的追趕，又何嘗不是另一個求取真經(jīng)的“長征”。但愿我們不缺長征的意志和信念，相信我們會有與最強(qiáng)者并駕齊驅(qū)的一天。纖維纏繞設(shè)備

關(guān)于碳纖維復(fù)材的成型設(shè)備，還需要提一下數(shù)控纖維纏繞機(jī)。它主要用于強(qiáng)韌性碳纖維通過纏繞，成型為圓筒、圓錐、球、雙曲面回轉(zhuǎn)體、組合體回轉(zhuǎn)體等構(gòu)件，也可以進(jìn)行矩形截面、多項(xiàng)式等多維復(fù)雜曲面和組合體形狀結(jié)構(gòu)件纏繞，如火箭發(fā)動機(jī)殼體、各種彈體、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件、水處理設(shè)備、天然氣儲罐、醫(yī)療防火用壓力容器等等。也是國外一直對華禁運(yùn)的東東。

根據(jù)《機(jī)床工具報》報道，2007年11月，國產(chǎn)大型數(shù)控纖維纏繞機(jī)在齊齊哈爾第二機(jī)床廠問世，其SKCR165/1200型數(shù)控纖維纏繞機(jī)，為五坐標(biāo)控制、四坐標(biāo)聯(lián)動，是樹脂基復(fù)合材料纏繞成型構(gòu)件的大型數(shù)控專機(jī)。該機(jī)包括五坐標(biāo)控制四坐標(biāo)聯(lián)動的纏繞軌跡控制系統(tǒng)、張力自動控制系統(tǒng)、溫度自動控制系統(tǒng)和質(zhì)量保證系統(tǒng)，為中國火箭發(fā)動機(jī)CFRP殼體的制造奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

表3：自動化鋪疊和纏繞設(shè)備表

最后，中國商務(wù)部網(wǎng)站2012年發(fā)布消息，隸屬於中國航空工業(yè)集團(tuán)公司的西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，收購了奧地利最大的波音飛機(jī)配件公司FACC 91.25％的股份。FACC的主要產(chǎn)品，包括復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、復(fù)合材料發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)復(fù)合材料內(nèi)飾。希望他山之石，可以攻玉，為提高國內(nèi)航空復(fù)材的生產(chǎn)工藝水平，再添一把力。

圖3 FACC公司生產(chǎn)航空復(fù)合材料

小評：

無論碳纖維還是碳纖維復(fù)材的生產(chǎn)，都有一個重要特征，就是生產(chǎn)的連續(xù)化程度非常高，工藝開端是原料，工藝末端是成品,中間幾乎沒有半成品的概念。這種高度集成的連續(xù)化生產(chǎn)，帶來了正反兩方面的影響：

反面：在金屬加工行業(yè)，工藝落后往往意味著性能降低，但很多時候也能通過鈑金加工、鉚接、配重、甚至手工打磨修挫做出來。而做出來了，也就能湊合使。但碳纖維領(lǐng)域，工藝落后往往更意味著廢品，不僅是性能壽命下降的問題，而是根本就無法使用。因此，碳纖維復(fù)材的生產(chǎn)，是“行百里者半九十”的概念——只是在實(shí)驗(yàn)室做出復(fù)材樣品，只和完成了一個概念設(shè)計差不多，后面的工藝關(guān)，那才是重頭戲。設(shè)計定型和生產(chǎn)定型因此緊密耦合——幾公斤樣品，距離用成熟工藝批量生產(chǎn)復(fù)材，可差了十萬八千里啊。出于同樣的原因，復(fù)材制件的日常維護(hù)、測試、修復(fù)的經(jīng)驗(yàn)、流程與方法，與金屬構(gòu)件相比，也會發(fā)生顛覆性改變。

正面：在金屬加工行業(yè)，工藝創(chuàng)新往往帶來性能提高；而在碳纖維領(lǐng)域，工藝創(chuàng)新除了提高性能，往往更能夠直接帶來產(chǎn)品創(chuàng)新。一種新工藝，甚至可以帶來CFRP的一個變種產(chǎn)品分類。比如，增強(qiáng)熱縮性塑料工藝，形成CFRTP；增強(qiáng)C工藝形成CFRC（也稱C/C,就是碳/碳復(fù)合材料），增強(qiáng)金屬工藝形成CFRM，增強(qiáng)橡膠工藝形成CFRR,等等。又如，整體成型工藝，形成了前所未有的超大壁板和整體段件航空制件。倒過來說，沒有對復(fù)材工藝的理解和創(chuàng)新，就沒有對復(fù)材產(chǎn)品的理解和創(chuàng)新。

目前，CF的先進(jìn)工藝，主要把持在日本手里；CFRP的先進(jìn)工藝，主要掌握在美國人手里。而且其更新和推廣的速度之快，令人驚心。而國內(nèi)在這個領(lǐng)域，如上文所述，依然存在著大片的空白。這些空白直接導(dǎo)致先進(jìn)復(fù)材產(chǎn)品系列的缺失。比如在美國航天航空領(lǐng)域開始規(guī)模化采用的金屬基和陶瓷基碳纖維復(fù)合材料，甚至沒有進(jìn)入2010版的《中國航空材料手冊》。換句話說，如果我們不在工藝基礎(chǔ)上下功夫，指望著山寨外援、避重就輕、零敲碎打、投機(jī)取巧，是無法在航空航天復(fù)材上獲得全面突破的。

金屬工藝與復(fù)材工藝，完全是兩個世界。國內(nèi)航空業(yè)能在金屬工藝領(lǐng)域駕輕就熟的同時，在復(fù)材工藝相對陌生的廣大空間轉(zhuǎn)換思路、刻苦耕耘、大膽求新，無疑是一個很大的考驗(yàn)。

看過了碳纖維和復(fù)材的生產(chǎn)工藝，那么中國碳纖維復(fù)材的應(yīng)用水平又如何呢？

欲知后事如何，且聽下回——《應(yīng)用篇》分解。