碳纤维复合材料的应用及其在电线电缆中的发展建议（五篇）

第一篇：碳纤维复合材料的应用及其在电线电缆中的发展建议

碳纤维复合材料的应用及其在电线电缆中的发展建议

一、碳纤维复合材料的发展和战略地位

碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。经过二十多年的发展，碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期，其工业地位已基本确立，美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分，并已逐步形成垄断优势。

我国对碳纤维的研究由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合材料在我国已被纳入国家“863”和“973”计划，但总体情况不尽理想，我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术，国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。

二、碳纤维复合材料的性能和用途

碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度，且碳纤维比重小。

1、碳纤维的化学性能

碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。这是历史上最早就被人类认识的碳素材料的特征之一。除强氧化性酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用，很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍，从碳素材料的化学性质分析，在≤250℃环境下，碳素材料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合物生成。由于碳素材料具有气孔结构，因此气孔率高达25％左右，在加热过程易产生吸附气体脱气情况，这样的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的应用。

2、碳纤维的物理性能（a）热学性质

碳素材料因石墨晶体的高度各向异性，而不同于一般固体物质与温度的依存性，从工业的应用角度来看，碳素材料比热大体上是恒定的。几乎不随石墨化度和碳素材料的种类而变化。（b）导热性质

碳素材料热传导机理并不依赖于电子，而是依靠晶格振动导热，因此，不符合金属所遵循的维德曼—夫兰兹定律。根据有关资料介绍，普通的碳素材料导热系数极高，平行于晶粒方向的导热系数可与黄铜媲美。（c）电学性质 碳素材料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处理温度有关，石墨的电子能带结构和载流子的种类及其扩散机理决定了上述性质。碳素材料这类电学性质具有本征半导体所具备的特征，电阻率变化主要与载流子的数量变化有关。

3、碳纤维的主要用途

与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。

最神奇的应用是采用长碳纤维制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实，太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上，也可以用这种“纳米绳”将太空中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器就可以大大降低发射成本。

总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面：

（1）宇航工业 用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件；航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件；哈勃太空望远镜的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。

（2）航空工业 用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有C/C刹车片。

（3）交通运输 用作汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等制件；船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇，以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆；海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。

（4）运动器材 用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。

（5）土木建筑 幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。

（6）其它工业 化工用的防腐泵、阀、槽、罐；催化剂，吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、电极度、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。

三、碳纤维复合材料在电线电缆中的应用

碳纤维以其固有的特性赋予了其复合材料优异的性能，它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，从而为其在电线电缆行业中的应用提供了可能和必然。

（一）碳纤维加热电缆的开发和应用

人们早就知道，以金属材料为发热体的电加热技术已在各个领域得到了广泛的应用。但是金属丝在高温状态下表面易氧化，由于氧化层不断的增厚，造成了有效通过电流的面积减小，增大了电流的负荷，因此易烧断。在相同的允许的电流负荷面积下，金属丝的强度比碳纤维低6－10倍，在使用过程中易折断。

碳纤维是一种石墨的六方晶格层状结构组成，是一种全黑体材料，因此在电热应用中，表现出来的电热转换效率高。在特定的条件下，高温不氧化，单位面积的电流的负荷强度和机械强度不发生改变。

目前碳纤维加热电缆的应用如下：

低温辐射发热电缆地板采暖系统。

恒温育雏箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保温采暖。

道路化雪、机场跑道化雪：用于混凝土结构中楼面加热的理想产品，也可以用在融雪装置中，对屋面雨水和排水管进行防霜，还可以用于土壤加热。

管道、罐体保温防冻：电伴热产品近几年在中国得到了大力的推广和广泛的应用。其应用领域主要集中在石油、化工、电力、铁路和民用或商业建筑等。随着中国电力工业的发展，以清洁、无二次污染的电能为主要能源的电伴热产品市场前景非常广阔，同时，也为电伴热产品的性能提出了更高的要求。

足球场草坪、公共绿地土壤保温：太阳能热水器电能补充加热器，主要用于在长期阴雨天或寒冬季节，因光照不足而导致太阳能热水器水温不能满足生活、工程需要时，为补充热能而设计的。它具有较强的耐酷暑、严寒和高温潮湿环境的性能，并具有防干烧的功能。即使偶尔水箱缺水误通电，也不至于烧坏电加热器和水箱，故能确保安全使用。

（二）碳纤维复合芯导线的开发和应用

我国是个缺电的国家，不仅发电业的发展滞后，输电业的弊端也凸现出来，输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求，由于过负荷造成的停电、断电故障频频发生，电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”，各国均在研究新型架空输电路用导线，以取代传统的钢芯铝绞线，碳纤维复合芯导线由此应运而生。与钢芯铝绞线相比，碳纤维复合芯导线具有以下优点：

１、和同样直径的ACSR电缆相比，可以提供双倍的载流容量。２、有效解决电缆下垂问题。

３、可以在更高的温度下工作，最高可达200摄氏度。４、线芯可以抗腐蚀，而且没有双金属间腐蚀问题。

５、因为可以提供更高的载流容量，所以同时也有效的降低了工程成本。６、与相同直径传统电缆相比可以多容纳28%的导体。

７、高强度线芯可以有效减少电缆架的数量，或降低电缆架的高度。８、有效减少电缆下垂，使地面生物更加安全。

除了上述提及的优点外，还可减少传输中电力的损耗，减少20%的塔杆，节省用地，减少有色金属资源消耗，有助于构造安全、环保、高效节约型输电网络。

目前世界上只有美国和日本开发出这种新型导线，他们还达成默契：不向第三国输出，日本一家碳纤维导线企业的产量就占到世界40%左右。

目前我国电线电缆研究所、电力建筑研究院以及国家电网有限公司都已经开始了对ACCC导线的试验研究工作。国内电缆厂家也加大与外方合作，将这种新型电缆引进到中国生产，积极推动我国架空输电线路的技术革命。最近福建电网已经将该新型导线架设运行。

（三）在高低温、腐蚀等苛刻环境应用的可能

碳纤维细如蛛丝，三型碳纤维比强度是钢的62倍以上，成形工艺性好，是一代新型工程材料，其弹性量高，抗变性能力比钢大2倍多，抗拉强度30～40t/cm2pa,而比重还不到钢的四分之一，是铝合金的二分之一，高弹模量比钢铁大16倍，比铝合金大12倍。且碳纤维比钢等柔软。因此，碳纤维可用于要求能承重、不易损伤内部元件的电缆的加强芯，如海底光缆等。碳纤维可以耐－180℃的低温，在此条件下，许多材料都变的很脆，连坚固的钢铁也变的比玻璃还容易碎，而碳纤维在此条件下依旧很柔软。因此，碳纤维复合芯可用于极寒（如南极考察研究等）条件下输电载体的设计和制造。

碳纤维又可以耐3000℃～3500℃的高温，在此高温下最好的耐热钢也变成钢水，但在没有氧气的情况下，碳纤维没有变化。碳纤维即使从3000℃的高温快速冷却到室温也不会炸裂，因而可在急冷急热的环境中工作。这为钢铁、冶金、锅炉等行业中高温特高温场合电缆的设计提供了可能。此外，碳纤维纱、碳纤维绳、碳纤维布都可用于消防电缆产品的设计选用。

碳纤维有超强的耐腐蚀性。金属中耐腐蚀性最强的是黄金和铂，在一份硝酸（浓度70％）和三份硫酸（浓度39％）配成的称“王水”的溶液中黄金、铂会被腐蚀的千疮百孔，而“王水”中的碳纤维却安然无恙。为各种化学环境下轻型耐化学腐蚀电缆的设计提供了新的思路。

四、发展建议

碳纤维材料的产业化是实现碳纤维导线在国内输电行业的产业化的前提和保证。碳纤维材料价格则是制约产业化应用的关键。

我国从八十年代初期开始起步，加大了对碳纤维材料的研究和开发力度，并也着力于碳纤维材料产业化基地的建设，但由于国外设备、技术封锁，至今未见重大突破，产品质量不稳定性，预计今后每年至少一万吨的缺口。

２０００年前碳纤维材料的价格水平为５万美圆／吨左右，比铝的价格要高２０倍多。但是近两年，由于国际政治形势和军事格局的变化，碳纤维材料价格受其影响，大幅度上升。这无疑都将对我国现代化的建设成本形成巨大的压力和负担。最近，我国福建电网从美国复合材料工程公司（CTC）购置了60公里ACCC导线（铝导体复合芯架空导线）应用在福建省厦门和福州电网中，其价格水平为１５万元人民币／公里。这比我们一直使用的钢芯铝绞线的价格要高几倍。

各科研院所应进一步加大碳纤维材料的基础应用研究和开发，建立我国自主知识产权，实现碳纤维材料的质量稳定，降低成本。同时要采用国家投入和民间投入相结合的方式，加大碳纤维在航天和军工以外的民品应用，有助于碳纤维产业的健康持续发展。

最近，我国国内碳纤维产业发展面临重大机遇。辽宁圣华科技有限公司落户抚顺经济开发区后，可以把现有抚顺部分企业培育成碳纤维及复合材料的龙头企业，发挥其带动和辐射功能，把抚顺建设成为全国碳纤维研发基地和产业基地。

目前我国电线电缆研究所、电力建筑研究院以及国家电网有限公司都已经开始了对ACCC导线的试验研究工作。希望国内同行积极研究和开发，为加快碳纤维复合材料在我国线缆行业应用和产业化发展共同努力。

第二篇：电线电缆企业三年发展战略规划

电线电缆企业三年发展战略规划2012

一、公司发展规划

（一）业务发展目标

公司将充分利用长期致力生产、研发、销售优质电力电缆、特种电缆等所凝聚的专业优势、技术优势、营销优势和管理优势，继续专注于超高压电力电缆、特种电缆业务，坚持差异化竞争战略和目标市场集聚竞争战略，通过产品等级提升巩固和提高目前细分市场相对优势，通过新产品开发积极拓展新的市场领域，不断扩大公司规模，提升公司的综合竞争力，力争在3-5 年内发展成为国内专而强的大型电缆企业之一，实现年销售收入进入国内一流电线电缆企业前列。

（二）发展战略

根据对国内外电线电缆行业的发展现状和公司综合实力的系统分析，公司总体发展战略目标是：成为集科、工于一体，产、学、研相结合的国内知名专而强的一流电线电缆企业。

（三）公司的发展理念

坚持质量第一、用户至上的经营理念，实施品牌战略，大力开拓国内外市场；以提高科技水平为手段，实现产品结构的优化升级，生产、销售高附加值产品，满足客户需求；以提升管理水平为基础，实现节能降耗，提高公司盈利能力。

（四）公司未来几年计划

总体目标：公司将通过建立和完善现代企业制度，加强企业内部管理，凭借公司所具有的技术、人才、管理优势；将以市场需求和行业趋势为导向，加大科研开发力度，在全力发展超高压电缆的同时，通过新产品开发，逐步向绿色环保等多种特种电缆产品延伸，使得公司产品结构向多元化发展，加快新产品开发和产业化步伐和规模，从而增强产品的科技含量；通过技改扩能，使能耗和生产成本进一步降低，在未来几年内使公司的主营业务收入、利润保持持续稳定增长，提高公司的市场竞争力。

1、生产经营计划

公司一方面将以成本管理为核心，进一步拓宽降低成本的思路，强化工艺纪律和过程控制，提高产品一次合格率，降低材料损耗，高度重视节能降耗工作，产、供、销各部门对成本实行目标管理，并落实到车间、班组，建立准确有效的成本核算体系和考核制度，进一步提高公司的成本管理水平；另一方面将加大技术改造力度，利用新技术、新工艺和新设备，加大技改投入，扩大生产规模，加速推进产品转型升级，特别是增加超高压电缆、核电站用电线电缆、矿物绝缘防火电缆的生产和销售，进一步增强产品的市场竞争力，抢先占领市场的制高点，形成新的利润增长点。

公司还将依靠信息化管理的优势，科学调度，优化采购，减少生产、采购各环节的资金占用，控制在产品及库存，减少财务费用支出，提高资金使用效率；继续重点抓好质量等管理体系建设工作，加大体系的执行力度，实现产品质量的持续改进，促进公司管理水平再上台阶，增强企业发展后劲。

2、产品开发计划 随着中国宏观经济持续向好，电力设施建设的提速，智能电网、农网改造的深入，风能、太阳能等新能源的建设，海洋工程的开发，以及随着世界生态环境的恶化、能源紧张等问题的凸显，环保、可再生等观念逐渐深入人心。电线电缆行业的发展，从某种意义上来讲，就是新材料、新工艺、新设备发展的过程。公司在未来发展中，针对市场的需求和行业发展趋势，将向电缆的前后道延伸，上游可向原材料制造发展，如铜、铝杆的生产加工，绝缘材料（中、低、高档）的制造；下游可向电缆附件设计制造等发展。并将大力发展超高压环保智能型电缆和绿色环保电缆等高端产品，使公司电缆产品向多元化发展，如继续开发500kv及以上超高压交联电缆、核电站用电缆、矿物绝缘电缆、海洋工程用电缆、矿用电缆等。

把超高压环保智能型电缆工艺控制等列入工艺开发计划，在此基础上，大力开发环境友好型、资源节约型的环保材料，如做好开发低烟、无卤、低毒、阻燃环保型塑料材料，以及耐光、热、寒、油、辐射等特性的新材料、新配方的研发工作，为公司新品开发提供强大的材料配套和支撑能力。并以此为先导，带动相关门类35kv 及以下矿用、船用、风能发电、太阳能发电、海上石油平台、环保型电力电缆的大发展。

3、市场营销计划

为进一步扩大市场占有率，提升公司盈利能力，公司还将采取以下新的举措：国内市场上，公司计划在未来几年里，在巩固国内现有市场份额的基础上，继续扩展销售网络，着重巩固和拓展大客户，丰富销售体系。加大行业客户开拓力度，在未来几年里，伴随中国工业化的进程，煤电、石化、铁路的业务量将会逐渐增大，公司将加大在这些行业的开拓力度，坚持“顾客是上帝”的宗旨，本着“优质、方便、高效、真诚”的服务方针，针对不同的客户、行业制定专门的营销方案、提供技术支持和服务等，更加贴近客户。确保公司持续稳健发展。通过对现有客户和潜在客户持续提升公司品牌质量和知名度。

4、技术开发与创新计划

公司发展要紧紧依靠科技领先，技术创新，并通过加快新品开发、转换、产业化发展，实现又好又快发展。要积极实现两条腿走路。一方面同高校、科研院所联合，另一方面要积极、大胆引进专业人才，加快公司新品开发的速度和能力。

同时，高水平的科研、创新能力，必须依靠设备完善、试验研究队伍实力雄厚做支撑，构建以技术创新为中心的研发体系，公司将逐步通过体制、机制、人才引进、设备投入等综合措施，把公司技术中心建设成国内一流的国家电线电缆工程研究中心，利用该中心，公司将分别对电缆用材料、超高压电缆、中低压环保电缆等进行研究，开发适合市场需求并具有先进水平的各种电缆和电缆用材料。

5、人力资源计划

人力资源队伍建设是公司在未来能否实现跨越式发展、跻身国内前列的基础和保证。公司将大力引进各类高级人才，实现人才强企、人才支撑发展战略；大力培养各类具有综合素质、实际管理能力的、有丰富实践经验的的骨干队伍，实现公司人才知识层次布局合理、配备齐全。公司将实行人力资源的优化配置，坚持以人为本，加强人才引进与培养，完善激励机制，实现公司的可持续发展：

（1）强化内部培训。公司将继续加强员工培训，加快培育一批素质高、业务强的科技人才、营销人才和管理人才；对管理人员进行工商管理知识教育，抓好技术人员新产品、新工艺、新技术的知识更新，开发员工潜在能力；特别重视对生产一线员工的技能培训，提高员工的职业技能水平，进一步做好新员工的入职培训。

（2）不断引进外部人才。随着公司经营规模的扩大，管理的复杂程度会加大，公司将从各大院校招纳一批优秀的专业技术人才和管理人才；着重加强技术人才以及各类管理人才的引进，壮大公司科研技术力量和管理队伍，优化企业的人员结构，满足企业可持续发展需求；向社会招聘和培养一批技术工人，以适应公司生产规模扩大的需要。

6、完善治理结构计划

公司将进一步完善法人治理结构，健全以执行力为核心的现代企业管理体系，建立适应现代企业制度要求的决策和用人机制，以工作目标为主导，强化管理，做到岗位职责明确、管理层次清晰、工作效率提高、管理成本降低，使公司的管理水平得到全面提升；以加强董事会建设为重点，充分发挥独立董事和专门委员会的作用，更好地发挥董事会在重大决策、选择经理人员等方面的作用。公司将进一步完善公司的内部决策程序和内部控制制度，继续加强内部审计职能，强化内部控制，保证公司财务运作合理、合法及有效，最大限度地避免决策失误，规避投资风险。公司将根据客观条件和自身业务的变化，及时调整内部结构和岗位设置，以保持组织结构的合理性和管理的有效性。

7、收购兼并及对外扩充计划

公司目前暂无具体的收购兼并计划，但随着规模的扩大、实力的增强，以增强资本效率为目标，围绕核心业务将可能实施必要的、能给公司带来显著效益的横向、纵向的购并活动。

二、拟定上述计划所依据的假设条件

本公司拟定上述业务发展计划，主要依据以下假设条件：

（一）本次募集资金能及时到位，募集资金投资项目能顺利如期完成；

（二）本公司所遵循的现行法律、法规及产业政策无重大不利变化；

（三）本公司所处行业处于正常发展状态，不会出现重大的市场突变情形；

（四）本公司能够持续保持现有管理层、核心技术人员的稳定性或连续性；

（五）本公司经营业务或营运所在地执行的税率无重大转变，原材料及产品销售价格在合理范围内波动；

（六）本公司所处的宏观经济、政治、法律和社会环境处于正常发展状态，无重大影响公司发展的不可抗力现象。

三、实施计划所面临的主要困难

（一）本次募集资金投资项目投产后，本公司的生产经营规模和销售收入都将大幅扩大，确保始终如一的优秀产品质量、通畅的销售渠道、沟通无阻的管理体制等方面存在一定的困难。

（二）本公司生产经营规模的扩大需要招聘大量的熟练工人、技术研发人员和管理人员，由于公司生产经营所在地并非经济发达的中心城市，故存在一定的人员招聘困难。

四、实现上述业务目标的主要手段和方法

（一）资金保障

本次募集资金为实现上述业务目标提供了充足的资金来源，将解决公司发展过程中的资金瓶颈问题，促进公司发展走上快车道，并为加速实现公司业务目标奠定基础。

（二）优化体制

公司将进一步促进公司经营机制的转换，法人治理结构的完善，管理体制的升级，接受社会公众的监督，提高公司规范运作的透明度，为今后健康、持续的发展奠定良好的制度基础。

（三）增强吸引人才的能力

公司将继续地增强对优秀人才的吸引和保留能力，提高公司的人才储备质量和人才竞争优势，为公司的持续发展提供人力资源保障。

（四）增强市场影响力

公司将继续加大市场的开拓，逐步提升公司品牌的市场影响力，增加公司产品的市场份额，并提升客户的忠诚度和品牌认知度，对加快公司发展、实现业务目标具有很大的促进作用。

五、上述业务发展计划与现有业务的关系

上述业务发展计划是在本公司现有主营业务的基础上，结合市场开发情况，经过审慎分析而制定的，该计划紧密围绕公司现有资产状况、业务特点和总体发展目标，是现有业务的拓展和延伸。

上述计划在现有业务基础上，将快速扩大公司生产规模、改善产品结构、提高产品附加值，从整体上提高公司的持续盈利能力、核心竞争力和后续发展能力，充分利用市场、客户、品牌等方面的现有资源，快速抢占市场，巩固公司在行业内的领先地位，实现公司的总体发展目标。

第三篇：我国碳纤维的发展及现状分析

我国碳纤维的发展及现状分析

碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀性强、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。碳纤维主要被制成碳纤维增强塑料这种复合材料来应用。每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，直径大约5滋m～8滋m。在原子层面的碳纤维跟石墨很相近，由一层层以六角型排列的碳原子构成。碳纤维与石墨两者的差别在于层与层之间的连接。石墨是晶体结构，它的层间连接松散，而碳纤维不是晶体结构，层间连接是不规则的，这样可防止滑移，增强物质强度。一般碳纤维的密度为1750kg/m3，导热能力高但传电能力低，碳纤维的比热容量亦比铜低。当加热的时候，碳纤维会变厚、变短。虽然碳纤维的天然颜色是黑色，但科学家可以把它染成不同的颜色。我国碳纤维产品市场现状我国碳纤维的生产和使用尚处于起步阶段,，国内碳纤维生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的0.4％左右，国内用量的90％以上靠进口。而PAN原丝质量一直是制约我国碳纤维工业规模化生产的瓶颈。另外，碳纤维长期以来被视为战略物资，发达国家一直对外实行封锁。因此,业内专家认为，强化基础研究是创新之本，是发展国内碳纤维工业的根本出路。我国早在上世纪六七十年代就开始了碳纤维的研究工作，几乎与世界同步。经过30多年的努力，已经研制出接近日本东丽公司T300水平的碳纤维产品，但产量和品质都远不能满足国内需求，与国外差距甚远。与国际先进水平相比，国产碳纤维的突出问题是碳纤维强度低，均匀性和稳定性都较差，发展水平比发达国家落后了近20年～30年，而且生产规模小，技术设备落后，生产效益不理想。目前全球碳纤维产能约3.5万吨，我国市场年需求量6500吨左右，属于碳纤维消费大国，但我国碳纤维2007年产量仅200吨左右，而且主要是低性能产品，没有形成规模化产业，绝大部分依赖进口，价格非常昂贵，比如标准型T300市场价格每千克曾高达4000元~5000元。由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，国内企业目前尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。我国碳纤维的质量、技术和生产规模与国外差距很大，其中高性能碳纤维技术更是被日本及西方国家垄断和封锁。因此碳纤维要真正实现国产化需要一个漫长的过程。由于市场短缺，近年来国内出现了“碳纤维热”，众多科研院所和企业纷纷启动了碳纤维研究或千吨级产业化项目。虽然当前国内市场对碳纤维产品需求较大，但盲目发展低于档次品类存在很大风险，尤其现有产品研发停滞不前，不能开发出新型配套系列产品，这些千吨级项目实施后，市场产能出现过剩趋势将成为必然。从价格角度分析，目前碳纤维国际市场供不应求，国内价格居高不下，而且在我国，碳纤维应用领域越来越广泛，已从军用向民用领域快速渗透。从投资角度分析，大量资本，特别是民营资本的高度关注，在很大程度上激活了这一产业，极大地提高了碳纤维产业的活跃程度，民营资本的进入为加快碳纤维产业化进程发挥了积极而重要的作用，使国内碳纤维的产业化研究不断深入。到目前为止，我国已建立起相对完整的十分级、百分级甚至千分级碳纤维产业研发的配套体系。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，生产能力为2t/a，20世纪80年代开展了高强型碳纤维的研究，于1998年建成一条新的中试生产线，规模为40t/a。中科院山西煤化所、上海合纤所、北京化工大学、山东工业大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长春工业大学等科研机构及院校参与了碳纤维项目的研究与开发。目前，国内小规模PAN基碳纤维生产企业和科研院所共10余家。国内企业不再照搬国外现成的技术，关键设备也在加快研发，某些关键设备的研发已取得了突破性成果，而且原材料供应充足。我国碳纤维产业技术特点十分明显，技术多元化越来越受到重视。从2000年开始，我国已完全放弃了硝酸法原丝技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术。目前，国产碳纤维百分级产品能与日本东丽的T700相媲美。可以说，我国多年来碳纤维产、学、研相结合研发的技术成果已不逊色于东丽的相应技术。在我国完整的碳

纤维研发链条下的碳纤维工程化研发出现了加速发展的势头。吉林、山东、江苏、山西、辽宁、安徽是我国传统的碳纤维工程化研发的基地，而近年来，河北、上海、陕西逐步成为新兴的碳纤维工程化研发基地，有越来越多的企业加入到工程化研发与建设中来。同时，北京、广东、浙江、江苏也积极参与了碳纤维的产业化建设。我国碳纤维主要生产企业华皖碳纤维，国家已批准在安徽蚌埠建立500t／aPAN原丝和200t／a碳纤维生产线，总投资过亿元。PAN原丝采用亚砜一步法，技术由国外引进；产品以12K的T300级碳纤维为主，并准备引进成熟的预浸料生产线。华皖集团(原蚌埠灯芯绒集团公司)二期建设规模将使碳纤维产量翻一番，达到400t／a，下游产品的开发也列入发展规划。中宝碳纤维责任有限公司在浙江嘉兴。拟建400t／a大丝束碳纤维生产线，部分引进技术和设备，投资数亿元，并配套300万m2预浸料。该项目国家已批准，并积极开展了前期论证和考察工作。根据国内外市场动向及投资与回报等因素，暂缓建立碳纤维生产线，而集中力量开发预浸料等下游产品。同时，还成立了浙江省碳纤维工程技术研究开发中心，全面推进碳纤维事业。山东威海光威渔具集团有限公司主要从事钓竿生产，碳纤维预浸布的规格有30余种，根据发展趋势，有可能向上游即PAN基原丝和碳纤维发展。此外，山东省东营生产力促进中心也在考虑招商引资建立碳纤维生产线，认为石油等工业是碳纤维的潜在市场。北京化工大学与吉化公司树脂厂，将依靠自己的技术建立500t/a原丝和200t/a碳纤维生产线。放弃硝酸法，采用亚砜一步法技术路线生产原丝。目前，正在进行中试实验。中钢集团吉林炭素股份有限公司是我国小丝束碳纤维生产基地，已向用户提供50余吨小丝束碳纤维。目前，该厂正在建立新的小丝束碳纤维生产线，扩大产量，以满足市场需求。中科院山西煤化所研制碳纤维已有30多年历史，上世纪70年代中期，建成我国第一条纤维中试生产线；在90年代末期，又建成我国第一条吨级粘胶基碳纤维生产线。目前该所与扬州聚酯责任有限公司共建碳材料联合实验室，研制高性能PAN基碳纤维，并准备在扬州建立产业化基地。此外，山西榆次化纤厂是我国唯一用亚砜一步法生产PAN基原丝达数十年的单位，目前仍在生产。从以上信息可以看出，当前发展态势有以下几个特点：投入力度大；规模大；参与单位多，特别是大企业的参与；起点高，采用多项新技术、新工艺；自动化程度高，工控、程控在线配套使用；逐步建立起质量控制和质量检测方法，特别是在线检测。碳纤维新产品开发骨骼组织医用材料利用经过化学方法处理过的碳素纤维，修补或置换骨骼组织一段时间后，碳素纤维会被一层具有类似真正软骨机能特点的组织所覆盖，可降低人造骨骼或组织在植入人体后的排斥问题，但是较脆易断问题仍有待解决。另一项新产品为以液压为动力的碳素纤维人工膝关节，虽然其外表不太美观，但在速度、力量与灵活性方面并不比真的肌肉与骨骼差。电脑断层扫描机的感应器是由内装10大气压氦气的密封箱所构成，利用X射线将氦气激发成电离子，电脑再由氦电离子数量的计测描绘出人体的断面影像。氦气压力愈高，断面影像愈清晰，但机器壁愈厚，X射线的减衰愈大，所能激发的氦气也愈少，影像效果因而变差。如果压力容器由碳素纤维复材制成，软X射线领域的减衰可降为1/10，性能将大为提升。现行锂电池的集电体大都采用金属铝或铜，因而在缠绕使用时容易发生破裂。为了解决这一问题，采用在碳素纤维中加入金属来制造集电体(三菱材料)。其正极的集电体采用铝与碳素纤维，负极的集电体采用铜与碳素纤维的混合物。其次，二次锂电池中碳薄膜是正极或负极的重要材料，因碳薄膜的种类决定了二次锂电池的功率、充放电效率及寿命。燃料电池使用氢气作为燃料，其关键材料在于纳米碳管(Nanotubes，或称为纳米碳素纤维Nanofi鄄bres)。纳米碳管是由石墨中一层(单壁)，或若干层碳原子(多壁)卷曲而成的管状纤维，比重只有钢的1/6，而强度却是钢的100倍，若连接成绳索，并不会被自身重量所拉断，管内可以充填其他物质或吸收氢气，也可以用来发射电子，运用于二极体。1997年由NortheasternUniversityBoston合成的纳米碳管，据称可以储存相当自身重量70%的氢气，但因制造资料没有公布出来而广受质疑。燃料电池用的纳米碳

管只有10纳米宽，使得电池体积可缩小至普通电池的1/16，却是目前世界上超大级功率的电池。现在的电动汽车使用普通电池，充电一次可跑144km，且产品寿命只能充电200次，而纳米碳素纤维电池充电一次至少可以跑4000km，且可充电1200次以上。以混有碳素纤维和玻璃纤维的树脂，来制造移动电话、个人数位助理等携带式资讯器材机壳材料，以取代镁材质之机壳，已是电子产品新趋势之一。而最先利用碳纤维材料于笔记本电脑机壳上的是IBM公司的ThinkPad600、570、240与A20，其资料显示，碳纤维强韧性是铝镁合金的两倍，且散热效果良好。预测未来10年碳纤维的需求量将持续增加，工业用与运动休闲用领域依然为市场主流，而呈两极化发展的碳纤维产品中(高弹性率产品及高强力产品)，以高强力纤维的成长较为看好。但由于厂商间竞争激烈，低价格化已成趋势。碳纤维产品国外市场概况 世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团，以及美国的卓尔泰克、阿克苏、阿尔迪拉和德国的SGL公司等。其中日本三大集团占世界碳纤维生产能力的75%。世界CT型碳纤维总生产能力为22100t/a，LT型碳纤维总生产能力为9550t/a，实际生产量约为7000t/a。当前世界上PAN基炭纤维正处于迅速增长的发展期，产品性能趋向于高性能化，T700S加快取代T300作通用级碳纤维；产量增加较快，1996年～2000年增长48.1%；航天航空和体育用品用量增加稳定，民用工业用量增幅较大，已超过前两者，特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产，价格的降低，民用工业需求增加迅猛。日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝公司的小丝束碳纤维产量占世界总产量的75％左右，而这3个公司发表的专利也相当多。例如，东丽公司目前生产的碳纤维T1000，抗拉强度最高(7.02GPa)、单丝直径最细(5.3滋m)，可代表世界先进水平，但该公司最新专利报道，其实验室已研制出新一代碳纤维，抗拉强度已达到9.03GPa，比T1000提高了28.6％；单丝直径降到3.2滋m，比T1000细了39.6％。同时，该公司还开发截面形状为三叶形的PAN原丝及碳纤维，以拓宽其用途。碳纤维的起源1880年，美国发明家爱迪生首先将竹子纤维碳化成丝，作为电灯泡内发光灯丝，开启了碳纤维的先河。碳纤维用于结构材料的首创者，则以美国UnionCarbide公司为代表，于1959年以螺距纤维为原料，经过数千百度的高温碳化后，得到弹性率约40GPa，强度约为0.7GPa的碳纤维；1965年该公司又用相同原料于3000℃高温下延伸，开发出丝状高弹性石墨化纤维，弹性率约500GPa，强度约为2.8GPa。1961年，日本大阪工业技术试验所进藤召男博士，以Polyacrylonitrile聚丙烯腈为原料，经过氧化与数千度的碳化工序后，得到弹性率为160GPa、强度为0.7GPa的碳纤维。1962年，日本碳化公司用PAN为原料，制得低弹性系数碳纤维。东丽公司亦以PAN纤维为原料，开发了高强度CF，弹性率约为230GPa，强度约为

2.8GPa，并于1966年起达到每月量产1吨的规模，与此同时他们还开发了碳化温度2000℃以上的高弹性率CF，弹性率约400GPa，强度约为2.0GPa。PAN系碳纤维产量于1992年已达6500吨／年，至2000年已超过1万t/a以上。虽然碳纤维需求量逐渐扩大，但于1991年冷战结束后，军事用途使用量萎缩，又因经济萧条，供需失去平衡，产业受到冲击。然而，美国波音公司新锐机型B777的生产，加上土木、建筑、汽车与复合材料应用领域的扩大，使得碳纤维产业逐渐缓步成长。碳纤维的种类经高温处理后，其含碳量超过90％以上的纤维材料，称之为碳纤维。碳纤维的分类有许多方法，可依原料、性能、形态来进行分类。若依原料可分为聚丙烯腈系碳纤维；沥青系碳纤维。其中聚丙烯腈系碳纤维具有高强度、高弹性率的性质，在航空器材、体育、休闲娱乐等领域大范围使用。沥青系碳纤维具有的高弹性模量、高导热性等特性是聚丙烯腈系碳纤维所达不到的，通常以长纤维形态被利用。由于沥青系碳纤维为高模量级纤维，比弹性模量显著优良，故适合于支配刚性结构物轻量化并赋予其结构刚性。另外，沥青系碳纤维具有高导热性、低电阻、低热线性膨胀率及化学稳定性好等特性。依机械性能可分为超高弹性率碳纤维(UHM类型)，弹性率600GPa以上，强度2500MPa以上；高弹性率碳纤维(HM类型)，弹性率350GPa～600GPa，强度2500MPa以上；中弹性率碳纤维(IM类型)，弹性率280GPa～350GPa，强度3500MPa以上；标准弹性率类型碳纤维(HT类型)，弹性率200GPa～280GPa，强度2500MPa以上；低弹性率碳纤维(LM类型)，弹性率200GPa以下，强度3500MPa以下。碳纤维特点及性质碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点，是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在35000MPa以上，是钢的7.9倍，抗拉弹性模量为230000MPa～430000MPa，高于钢。因此CFRP的比强度，即材料的强度与其密度之比可达到20000MPa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为590MPa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，构件自重愈小；比模量愈高，构件的刚度愈大。从这个意义上已预示了碳纤维在工程上的广阔应用前景。纵观多种新兴复合材料，如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料的优异性能，众多专家预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。PAN碳纤维及其复合材料具有以下特征：机械特性，与金属相比，密度小，质轻；模量高，高刚性；强度高；疲劳强度高；耐磨耗性、润滑性优良；振动衰减性优良；耐热性、安定性，热膨胀系数小，尺寸稳定性好；具有导热性；在惰性气体中耐热性优良；电传导及电磁波屏蔽性，具有导电性；具有电磁波屏蔽性；X射线透过性优良；属多种导性材料，针对其目的可设计出适当的结构体。2007年，日本主要碳纤维生产商东丽公司与日产汽车等企业联手开发出了使用碳纤维的尖端材料，可大幅减轻汽车主要部件，如底盘的重量。新技术可使汽车整体重量减轻1成，提高燃效性能4%～5%。另外，耐冲击性可达到原来的1.5倍。这些厂家计划3年后在市售车上应用此新技术。在全球为减排温室气体而强化燃效规定的背景下，这一新技术有望加快以钢铁为主的汽车原材料的转变。底盘是汽车底部的骨架，是与发动机等同等重要的基础部件。此前，曾在将发动机的动力传导给车轮的传动轴上采用过碳纤维。如果新技术达到实用水平，则是首次在汽车主要部件上采用碳纤维。以高级乘用车为例，目前的钢铁底盘重量约达300kg，如果改用碳纤维与树脂合成的碳纤维强化塑料，则可降低到150kg左右，1.5t左右的汽车总重量由此可减轻1成。另外，在发生碰撞事故时，底盘会发生变形，从而吸收冲击力。假定在时速60km下发生碰撞事故，底盘的能量吸收量可提高到

1.5倍，从而可减轻人体所受的冲击。碳纤维的应用碳纤维是含碳量高于90%的纤维的总称，因含碳量高而得名。碳纤维既具有元素碳的各种优良性能，如比重小、耐热、耐热冲击，耐化学腐蚀和导电等，又有纤维的可绕性和优异的力学性能。特别是它的比强度和比模量高，在绝氧条件下，可耐2000℃的高温，是一种重要的工业用纤维材料，适用于作增强复合材料、烧蚀材料和绝热材料。它是20世纪60年代初发展起来的一种新型材料，现已成为现代社会不可缺少的一种新颖材料。休闲产品中，最早应用PAN碳纤维的是钓鱼竿。现在世界上碳纤维钓鱼竿的年生产量为1200万根左右，相当于碳纤维用量约1200吨。碳纤维在高尔夫球杆的应用是于1972年开始的，现在世界上碳纤维高尔夫球杆的年生产量约4000万根左右，相当于2000吨碳纤维的用量。网球拍的应用是从1974年开始的，目前世界上年生产碳纤维球拍约450万个，需碳纤维用量约500吨。在其他方面，碳纤维还广泛应用于滑雪板、雪船、滑雪杆、棒球棒、公路赛以及船舶类体育用品。人们认识到了碳纤维轻量化、耐疲劳性和耐腐蚀性等性能，因而开始广泛应用于航空航天行业。在宇航领域，由于高模量碳纤维的轻量性、尺寸稳定性的导热性，早已应用于人造卫星等方面，近年来已开始应用于铱星等通信卫星。造型复合物主要是以短纤维的形式混入用于热塑性树脂中，由于具有补强、抗静电、电磁波屏蔽效果，可广泛应用于家用电器、办公室机器、半导体及其相关领域。压力容器主要用在压缩罐和消防员用的空气呼吸器，包括用CF长丝缠绕所生产的所有罐类。其他燃料容器，如CNG罐，若采用以往的金属制造是很重的，为了使其运行距离加长，必须轻量化。因此，采用金属加上纤维缠绕或塑料衬里的全复合材料容器正进行实用化生产应用。空气呼吸器是去年在美国受到DOT认定的CF制品，今后

其市场需求将急剧增长。近几年在土木建筑领域，靠碳纤维进行抗震补修和补强的施工法，在日本得到划时代的普及。以阪神大震灾为开端的抗震补强，以及伴随着与施工时相比，因交通量和积载量等大幅度增加而造成的劣化所进行的道路桥梁等补强，都开始渗透碳纤维片材的施工法。这种施工法是将单向排列的碳纤维片材或织物状材料，用常温固化型的环氧树脂贴服于结构物表面而进行的补修与补强。公路桥的地面、横梁、建筑物和梁、构架以及烟筒等的弯曲补强中，碳纤维的模量变得格外重要。除前文所述日本东丽在汽车领域中的大幅研制与应用外，近年来以欧洲为中心，在渡轮、大型快艇和其他舟艇类方面，碳纤维的市场需求量正在增长。在能源及相关领域，包括风力发电机叶片、燃料电池电极、飞轮等用途，碳纤维的成长趋势更是强劲。虽然风力发电用途目前尚待进一步推广，但这些应用领域都能充分发挥碳纤维的特长。碳纤维的应用，除涉及到以往X射线医疗器械、电子器械等相关领域、各种机械部件、电器部件、伞类骨架、头盔等与生活相关的用品，以及卡车的构架、车辆的结构体、冷冻箱、家用电梯等新项目。

第四篇：碳纤维复合材料在航空航天领域相关发展

碳纤维复合材料在航空航天领域的发展浅析

咱们分航空和航天两个方面，对CFRP的应用，略加介绍。这篇的很多技术术语，都在前文中介绍过。您有了那些铺垫，再读下去，会觉得没那么生涩。还会因为知道了前因后果，感悟得更多一点所谓外行看热闹，内行看门道。说到应用，国外的料大家尽管爆，国内产品公开的信息不多，因此兵器迷所知有限，只能给大家上个小菜——所有国内资料都来自互联网官方报道和公开出版物，并注明了相关来源。额来坛子的目的，第一是学习，第二是分享，第三是科普。

一、航空方面的CFRP应用

业内一般认为，碳纤维复合材料在军用航空方面的应用大体上可以分为三个阶段（也有按四个阶段分的，差异不大）。民机对安全性、经济性、可靠性要求高于军机，因此在应用上更加保守和延后，但也大体追随了军机的步伐。在此一并介绍。

第一阶段——非承力结构：20世纪60-70年代：由于1公斤CFRP可以大体替代3公斤铝合金，性能满足要求，因此开始用于非承力结构，如舱门、前缘、口盖、整流罩等尺寸较小的部件。对于民机，除了上述应用外，机舱大量的内饰也会用到复合材料，但其中有很多是芳纶或者玻璃纤维复材，这里不赘述。

国内方面：从难度上说，非承力结构是航空复材的小case，但是应用面却最广泛。国内在技术上已无大的障碍，基本达到了国外类似的水平，需要的是大规模普及。相信ARJ21,C919和运20等大平台和众多无人机小平台定型运营后，能够为此提供广阔的应用空间。

这些一般应用，大多用便宜的大丝束产品就够了；而T300以上的产品，贵得离谱，好钢用在刀刃上，于是大多用在承力结构上。

第二阶段——次承力结构：20世纪70-80年代：随着力学性能的改善与前期应用的效果提高了人们的信心，CFRP逐步扩展到飞机的次承力结构，即垂尾、平尾、鸭翼、副襟翼舵面等受力较大、尺寸较大的部件。

其中，1971年美国F-14战斗机把纤维增强的环氧树脂复合材料成功应用在平尾上，是复合材料史上的一个里程碑事件。波音B777也将CFRP应用于垂尾、平尾等多处部件，共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%。

国内方面:

中国将CFRP用于军机的舵面和翼面，也已经开始成熟。

根据《玻璃钢》等杂志的公开报道,早在“六五”期间，沈阳飞机设计所、航空材料研究院和沈阳飞机厂共同研制歼击机复合材料垂尾壁板，比原铝合金结构轻21kg，减重30％。北京航空工艺研究所研制并生产的QY8911／HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。歼轰7-A战机采用了CFRP平尾。

2009年建国60周年国防成就展上，报道了歼10在鸭翼、垂尾、襟副翼、腹鳍等所有7个舵面和腹鳍采用了CFRP材料，这与国外这一阶段的发展水平基本相当。

2011年通用航空大会上披露，即将定型的猎鹰L15高教机也采用了复材的机头罩、方向舵和垂尾，其中舵面是CFRP。

在民机方面，ARJ21新支线飞机的复合材料技术水平大体达到了这样一个水平，算是开了个头，但大规模应用尚需时日。

图1 国内某机型基于“π”形接头盒段结构成型的CFRP垂直安定面

图2：猎鹰L15采用了T300CFRP材料制作的尾翼舵面

国内CFRP次承力构件的广泛应用，与T300生产进程密切相关。材料的国产化，产量的扩大化和价格的低廉化，分别为CFRP次承力构件的应用提供可能性、适用性和经济性。从而最终推动CFRP次承力构件成为国产军民航空器的标配。

这一阶段的材料和工艺，都是我们用T300和手工铺叠工艺能够达到的，因此未来的发展相对有把握。但如果制件再大些，承力再大些，就会涉及主承力结构了。

第三阶段，从上世纪80年代至今，随着高性能碳纤维和预浸料-热压罐整体成型工艺的成熟，CFRP逐步进入机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中。

美国原麦道飞机公司于1976年率先研制了F/A-18的复合材料机翼，把复合材料的用量提高到了13%，成为复合材料史上的又一个重要里程碑。后期更采用自动铺丝技术为FA-18E/F制造CFRP的12块机身蒙皮，10块进气管蒙皮，4块水平尾翼蒙皮。F16战斗机BLOCK50之后也开始采用CRPR复合材料机翼。F22战机的复合材料用量已经提高到结构重量的22%。目前西方国家军机上复合材料用量约占全机结构重量的 20%～50%不等。

民机方面，波音777采用全复合材料尾翼，其翼面及翼盒构件，均采用自动铺带技术制造。空客A330/A340飞机长9m，宽2m，重200kg的大型蒙皮壁板。A380的后机身所有蒙皮壁板19段，22%的机身重量是CFRP。尤其是A380的8*7*2.4米中央翼盒，重8.8吨，CFRP就用了5.5吨，比金属材料减重达1.5吨，其燃料经济性相当可观。

这方面的先行者，是波音公司的B787“梦想”飞机，复合材料应用率50%。CFRP广泛应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位，同时是第一个同时采用CFRP复合材料机翼和机身的大型商用客机，其23% 的机身均使用了自动铺丝机制成的CFRP材料。

最值得关注的，是其机身：787机身工艺采用直径5.8m 的成型模胎安装在一旋转夹具上沿长轴转动，先铺长桁然后铺皮，形成外表光滑的变厚度的壳体以及共固化的桁条组成的机身段，经过热压罐固化后，取下模胎。这一工艺可以代替由上百块蒙皮壁板、加强筋及长桁、上千个紧固件组成机身的工艺，见下图。

图3：波音787直径5.8米整体成型CFRP框段

在研机方面，波音公司X-45系列飞机复合材料用量达90%以上，诺斯罗普·格鲁门公司的X-47系列飞机也基本上为全复合材料飞机。

看完波音的系列CFRP主承力结构产品，兵器迷想问问某些网友，凭哪条说美国是产业空心化，只剩下金融和房地产了？人家居安思危，几句谦虚的自拙之语，被刚进入工业化不久的我们如获至宝般的照单全收，再加以主观放大，作为沾沾自喜的根据，实在不足为取啊。

国内方面

根据中广网的公开报道，2012年12月，中航工业西飞公司向中国商用飞机有限责任公司(简称中国商飞)交付了C919大型客机中央翼、襟翼及运动机构部段，这是C919大型客机七大部段中难度最大、工作量最大的两个部分。这两个部段尺寸大、结构复杂、外形公差要求高，尤其是国内民机最长尺寸、长达15米的襟翼缘条加工，技术难度非常大。西飞突破了复合材料大型成型模具设计制造技术、复合材料构件预装配变形控制技术等多项技术难关，整个研制过程全部采用先进的三维数字化设计、传递与制造，中央翼部段除1号肋是金属件外，全部采用了先进的中模高强碳纤维/增韧环氧树脂复合材料制造。这是国内首次在固定翼飞机最重要的主承力结构件上使用复合材料，代表了中国制造的碳纤维航空复合材料应用的最高水平。

图4 国内基于T 形接头共固化/胶接一体成型工艺研制的盒段件。

图5国内采用CFRP生产的某机型纵横向加筋机身壁板。

注意，图5的产品仍然面积较小，需要通过机械加工多块拼接形成大型壁板。而波音787可以整体成型超长超宽的壁板，覆盖在两个大型工艺分离面（核心主框段）之间，如5.8m×7m 的47 段和 4.3m×4.6m的 48段CFRP壁板。

我们能做出来786这么大的壁板吗？回答是：能。

这位眼睛瞪圆了——那为什么不用呢？

其实，国内C919大飞在一开始，也曾雄心勃勃，想做类似波音787这样的大型整体壁板.但我们的工艺水平不成熟，虽然能做出来，却无法控制批次质量的稳定性.废品率高，成本自然下不来。C919是商飞啊，不是技术验证机，安全性和经济性都是一票否决，所以琢磨了很久，还是放弃了。仍然采用分块成型拼接吧。

差强人意,亦属无奈。

为了学习CFRP大型构件整体成型的新技术、新工艺，哈飞复合材料公司与外方合作伙伴一起，共同进行C919的部件开发。下图6展示的，就是哈飞复材公司参与制造的C919机尾框段——在2.4米的长度内，直径从2米平滑过渡到1.2米，一次整体成型，是目前公开所见国内合作制作的最大体积整体成型CFRP制件。见图6

图6：C919机尾76-81框的CFRP整体成型框段

CFRP主承力结构件，对T700,T800等高性能军用碳纤维生产，以及大型复材整体成型技术提出了更高需求。国内在这两方面又都存在短板甚至空白。因此大多数应用是探索性，合作性和阶段性的。在短期内，我们尚无法做到主承力结构CFRP的大规模应用。

对此，正确的态度应当是：学而时习之。中国人有差距，不可怕。咱学，咱追，一定有一天咱超——就像空警2000一样。可怕的是妄自菲薄和夜郎自大两种极端心态。这样的心态，距离事实很远;距离成功，那是无限远。

CFRP三个阶段的应用介绍完了，咱们再看看——

直升机、旋翼机、风扇叶片等其他方面

包括CFRP在内的先进复合材料的用量甚至更大。如V-22鱼鹰倾转旋翼机，其结构的50%由复合材料制成，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等，共用复合材料3000多千克，其中很大一部分是CFRP。V-22的整体后机身，原由9块手工铺叠的壁板装配构成，后改为自动铺丝工艺整体成型，减少了34％的紧固件，53％的工时，降低了90％废料率。自动铺丝技术同时应用于储油箱、旋翼整流罩、主起落架舱门。已经下马的“科曼奇”(RAH-66)共使用复合材料50%，欧洲最新批次的“虎”式武装直升机结构部件的复合材料用量高达80%，接近全复材结构。

国内方面：

2011年国际通用航空大会披露，我国与法国、新加坡合作研制的轻型直升机 EC120的机身、垂尾、水平安定面、尾翼、前舱等结构均由CFRP等复合材料制成。在军机方面，近年来所有的国产直升机旋翼都是多维编制的CFRP复材叶片，金属旋翼叶片已经完全淘汰。报载：复材叶片和先进旋翼机构，已经成为中国直升机整体短板下不可多得的优势点，水平基本与国外看齐——歼20、武直

10、辽宁号这些平台类的突破固然可喜，而直升机叶片这样长期困境中的点滴进步，也同样令人感动。

既然说起叶片，再唠叨两句航空涡扇发动机。

大家知道，航发的风扇叶片，大多采用钛合金。金属叶片有一个弱点，就是振动阻尼性能较差，高速旋转时容易震颤，而且不易衰减。而且如果叶片本身已经有微小裂纹，就会在这种持续震颤中，引发裂纹由内向外快速扩张，在极短时间内造成叶片断裂。这是一种比共振更加危险的振动现象。

因此，有些风扇就在每个叶片的两侧加一个凸台，专业术语称为“凸肩”。建国60周年空军成就展上披露，在歼11系列的AL31FN和WS-10A发动机进气口，都有这样的凸肩（见下图）。这样，叶片全部高速旋转时，各凸肩形连起来成了一个加强环，增加了叶片刚度。而且，叶片是依次叠加的，每个凸肩“顶”着前面一个叶片，有效降低了阻尼震颤。但这样做的后果，是凸肩增加了叶片厚度和重量，同时增加了叶片数量，降低了发动机的推重比。

图7：歼10发动机进气口的凸肩（红圈处）

而CFRP材料制成的风扇叶片，由于纤维多层交叉铺贴，材料本身“各向异性”性能优越，裂纹生长缓慢，再加上振动衰减率比钛合金快5-6倍，因此可以取消叶片凸肩。2010年珠海航展披露，GE和法国斯奈克玛为C919大飞联合研制的发动机LEAP-X，就采用了CFRP三维碳纤维编织物整体成型的风扇叶片，不但重量减轻了50%，叶片数也减少了一半。

国内发动机风扇叶片，目前只看到涡桨发动机的复合叶片，尚未见到实装涡扇发动机使用CFRP的报道。2012年珠海航展上的CJ-1000A发动机是我国第一款商用涡扇航空发动机在研产品，据称采用了CFRP宽弦复合大弯掠风扇叶片。让我们假以时日，拭目以待吧。

在2011年中国国际通用航空大会上，“天弩”、“风刃”等无人机采用了全机结构CFRP材料，V750无人直升机、小型通用航空双座飞机，也都大范围采用了CFPR蒙皮，可以看作是国内碳纤维复材在通用航空领域的有益尝试。

航空说完了，咱吧眼光再放远点，看看航天吧。

二、航天方面的CFRP应用

鼻锥和翼面：洲际导弹、宇航飞船高速再入大气层时，由于绝热压缩空气的阻力，飞行器表面的温度非常高。美国阿波罗飞船指挥舱表面的最高温度达2740℃。利用CFRP系列中的分支——碳纤维碳增强复合材料CFRC（也称碳/碳复合材料）制成烧蚀材料，热力学性能优异，防热效果好。如美国碳/碳复合材料在3837℃高温持续255秒的过程中，线烧蚀率只有0.005毫米/秒，保证了航天飞机在1650℃的环境中连续工作40分钟安然无恙。而且，碳/碳复合材料用来制造洲际弹道导弹的鼻锥和翼尖，在烧蚀过程中烧蚀率低、烧蚀均匀和烧蚀对称。这保持了航空器的良好气动外形，有利于减少非制导误差，美国的民兵-III导弹，就采用了碳/碳复材鼻锥。

喷管喉衬：固体火箭发动机推进剂燃烧时产生的高温高压和高能粒子从喷管以3.0～4.5马赫的超音速喷出，喷管承受3 500℃高温、5～15 MPa的压力和高温冲刷。美国的民兵-III导弹，第三极火箭喷管喉称采用了碳布浸渍树脂，满足3260℃工作60秒的需求。MX弹道导弹第三级发动机的喷管关键部位如外头帽前段、整体喉衬入口段和喉部下游段采用了CFRC。固定体和柔性接头绝热层采用了碳纤维填充三元乙丙橡胶(EPOM)；海军三叉戟Ⅱ型(D-5)的第一、第二级发动机采用了CFRC。

发动机壳体：导弹发动机壳体的减重，有利于提高导弹射程。美国“北极星”导弹的固体发动机壳体由金属材料到CFRP材料制造，射程提高了1倍左右。例如，“北极星”AⅠ型的两级壳体都用钢，射程仅为2 200 km；AⅡ型第一级为钢，第二级用GFRP，射程提高到2 800 km；AⅢ两级都用GFRP，射程提高到4 600 km。三叉戟Ⅱ型(Trident-Ⅱ，D-5)，固体发动机壳体采用了CFRP，射程由Ⅰ型的7 400 km提高到12 000 km，命中精度为90 m，成为当前潜射洲际弹道导弹的主要型号。而且，美国目前的新型火箭，基本连壳体都是CFRP复材制成，重量轻、体积小、射程远。

再入弹头：洲际弹道导弹的头部大面积防热材料大多采用粘胶基碳纤维增强酚醛树脂。美国Amoco、Hitco公司和白俄罗斯的斯威特朗冈斯克(СВЕТЛОГОРСК)是世界上生产粘胶基碳纤维的主要大厂。不但防热效果好，而且粘胶基碳纤维和酚醛树脂的纯度高，碱、碱土金属的含量相当低，重返大气层过程中形成的烧蚀尾流含金属离子少，不易跟踪，加强了导弹的突防和生存能力。

级间联接：美国GE公司为“阿特拉斯”导弹设计的高2.34米的联接器，除口盖之外全部采用碳纤维环氧树脂复合材料，比铝合金减重44%。

卫星结构材料：美国康维尔公司为双元“OV-I”卫星制作了CFRP的四根大梁结构，减重68%。美国”ATS”卫星的地球观测舱CFRP连接支架，长4.4米，仅重3.6公斤，可承受9顿负荷。比最好的金属支架减重50%以上，而且高低温度下的变形很小。

有鉴于此，分析了一下印度烈火-5导弹的公开报道（17.5米的长度，50吨的重量，1吨的弹头，长细尖锐的弹头外形„..）, 估计其尚不具备火箭发动机CFRP壳体，或者火箭CFRP外壳，且缺乏长程洲际导弹高弹道再入大气层所需要的粘胶基碳纤维的独立生产能力。果真如此，那么面对其航天大国和洲际导弹强国的炫耀，只能说，印度的进步是显著的，差距也同样显著。

这位说了，说人家阿三，咱自己中不中啊？呵呵，咱往下看。

国内方面：

据《合成纤维》等杂志和网上的公开报道，我国在战略武器方面的碳纤维应用情况如下：

火箭发动机壳体：中国的GFRP固体发动机壳体始于20世纪80年代，并已取得成功。“东方红-2”通讯卫星运地点发动机、“风云-2”气象卫星运地点发动机和“长征-2E”发动机的壳体都采用了GFRP来制造。我国研制成功的大型(壳体直径1 402 mm，长2 058 mm)SPTM-14发动机与长二捆火箭配套，成功地将模拟卫星送入轨道，标志着我国大型GFRP壳体进入实用阶段。之后，我国研制成功的EPKM-17上面级发动机壳体(直径1700 mm，长1 874 mm)与长二捆大推力火箭配套，于1995年末成功地将“亚洲二号”卫星和“艾克斯达一号”卫星送入36 000 km的太空。

火箭导弹壳体：我国研制CFRP壳体也取得了长足进步。1990年代后期，进行了T300固体火箭发动机壳体的基础试验、壳体结构强度试验、点火试车等全程考核，完成了12K T700 CFRP壳体结构强度试验。第一个用在型号上的是“开拓者一号”固体小运载发动机的第四级(直径640 mm)，并于2003年9月飞行成功。实现了CFRP壳体的历史性跨越。目前，T800 CFRP壳体预研试验已经展开。

喷管喉衬：我国研制的C／CFRP喷管于1989年点火成功，出口壁厚最薄处仅为0.9 mm的大尺寸(Ф500～2 000 mm左右)喷管显示出优异的综合性能。

再入弹头：根据《东华校友》“创制国防尖端材料的科研先锋——记上海市劳动模范潘鼎教授”一文报道，2001-2003上海劳动模范，东华大学材料学教授、博士生导师潘鼎教授，主持了“300Kg/年粘胶基碳纤维扩试线”这一国家级重大军工科研项目，用不同于国外原料的国产棉纤维素原丝制成了填补国内空白、产品质量达到国际先进水平的高纯度航天级粘胶基碳纤维，成果无偿转给中科院山西煤化所，进行放大生产。课题组还制定了“ＧＪＢ３８３９－２０００”国家标准，形成了具有独立知识产权、世界上独一无二的，用棉纤维素粘胶帘子线制备碳纤维的技术及应用设备。该技术和产品荣获2003国家科学技术进步二等奖，解决了DF-31导弹的定型难题，并使我国已成为美俄之外，能够独自掌握这一产品及其生产技术的世界第三大国。

卫星结构

据中国质量新闻网报道，我国2011年发射的嫦娥二号探月卫星，其定向天线的重要支撑部分，定向天线展开臂，是由哈尔滨玻璃钢研究院研发的CFRP复材，总重量仅500余克，较使用铝合金材质减轻近300克，但承重能力毫不逊色。

有朋友说，300克算什么啊？呵呵，要知道，卫星的减重，是以克计的，少1克，能节约500克燃料。少300克，卫星就可以多带一个相机或望远镜，多完成一些任务。再看看减重比例：40%，还是很有效的，呵呵。

总结

至此，关于碳纤维及其复合材料在航空航天领域的发展浅析系列文章，就此打住了。

有朋友问：你说了这么多，那么在碳纤维复材的航空航天应用上，中国在世界上究竟处于什么位置呢？

这个问题，兵器迷可回答不了，咱们借用中国材料大师师昌绪老先生在2010年的评论：目前中国的CFRT应用，大约处于西方发达国家1980年代的水平。

从上面的介绍可以看出，中国的碳纤维复材，在军用领域紧追慢赶，亮点不少。但在民用航空领域的发展，一直大幅度落后于美欧日等国家，直接原因是成本太高，比要替代的铝合金贵的多，甚至比钛合金还要贵。

这其中的间接原因是多方面的。

首先，战略军用小丝束产品，得益于两代“核心”领导的重视，T300军用碳纤维的完全国产化，使得次承力结构军用构件有较快的发展。而民用大丝束领域的政策扶持相对滞后许多。实际上，国家当年资源人力都有限，为了救急，集中精力搞军用小丝束，是完全合理的。但是，从长远来看，通用、民用产品的市场空间更大，是碳纤维行业持久发展、持续创新的厚土沉基。在军品已经打开突破口，经济发展、国力增强的今天，不要说大丝束，即便是小丝束产品，也应当更多的从市场和民用角度，拓宽其行业基础，以军带民、以民养军、分苗嫁接、开枝散叶，形成军用技术和民用产业的良性互动。这是政策层面的原因。

第二，国内十数家碳纤维生产厂家，群雄并起，看似热闹，实际上有很大一部分并没有掌握核心技术。要么是关键设备、关键材料需要进口，要么是工艺参数和质量控制没有吃透。甚至，很多企业到现在，PAN原丝生产还要高价进口东丽公司的DMSO溶剂，属于照猫画虎形的“自主生产”。多数厂家的产品质量批次差异性较大，缠结、断丝时有发生，合格的PAN原丝生产量不过100吨/年，达不到基本规模经济水平。产业布局和关键技术的把握，都有很大的提升空间。这是PAN原丝和碳纤维生产层面的原因。

第三，在预浸料自动铺叠技术和整体成型工艺，已经成为发达国家成熟制造技术，但对于中国航空航天碳纤维复合材料领域，依然是工业化生产中最大的一块短板，甚至空白。即便有了引进设备，我们对复材的物理性质，力学性能研究不透，对加工参数掌握不足，知其然不知其所以然，直接用国外的软件设计复材方案，导致CFRP复材的产量低、价格高、质量不稳定和创新能力低下。军用部件不计成本，也就罢了，而对商业化批量生产和应用，这就是一个重大的阻碍，很多厂家为此畏难而退，裹足不前，干脆直接用已经摸透的金属材料做更有把握和更经济。这是复材生产层面的原因。

第四，航空航天器的设计，需要结合复材性能特性，加强整体设计的思想，而不是简单的替换原金属部件。举一个简单的例子，国内某型军机的平尾改用CFRP复材后，确实轻了不少，但却因此改变了全机力矩平衡，需要通过配重进行调整，结果整机减重效果并不理想。当然，逐项替代也是一种有效的验证步骤，但有一种理念需要强调：局部优化不代表整体优化。在复合材料应用愈加广泛的今天，顶层设计，全局优化，才能最大化的发挥复材的最大功能效用和经济效用。这是设计思想层面的原因。

写至此处，兵器迷觉得笔端异常沉重——回顾碳纤维复材的发展历程，我们再一次感受到美国的强大和日本的扎实。这种强大是深入骨髓的，这种扎实是无所不在的。在碳纤维这个领域，他们傲然前行，卓越领先。

这里面有着深层次的原因。如果不能正视这种真正的领先，反而意淫着多少年GDP赶上美国就扬眉吐气了，那么GDP第一长达上百年的大清朝颓然崩坍的历史，就可能重演。如果不能从长效机制和基础研究上练真功夫，那么我们今天的进步就可能是局部甚至短暂的。

当然，承认现实不代表低头认输。中国强大过数千年，也落后过数百年，并且已经追赶过数十年。虽然领跑者的数量和差距正在缩小，但学习和追赶仍将是我们这个民族今后很长一段时间的常态。怀着这样的心态来看问题，美日的领先和强大，就能够成为中国崛起成型过程中最好的热压罐——我们今天的挫折和困难，就像碳纤维和复材形成过程中的高温和预浸料。忍辱负重、脚踏实地、科学精心地调制这一痛苦和严苛的过程，是中国军工，乃至中华民族走向真正强大的必经之途。

期盼着中国制造碳纤维的千丝万缕，胜金克铁；

憧憬着中国碳纤维复材制造的航空器，自由高飞。

第五篇：碳纤维在航空航天中的应用

碳纤维在航空航天中的应用

郭 伟 中国地质大学 地球科学学院

摘要: 碳纤维就是纤维状的碳，由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。本文将针对碳纤维的结构、性能、制备方法及其在航空航天中的应用介绍。

引言

20世纪纳米科技取得了重大发展，而纳米材料是纳米技术的基础，碳纤维是一种比强度比钢大，比重比铝轻的材料，它在力学，电学，热学等方面有许多特殊性能，碳纤维的强度比玻璃钢的强度高；同时它还具有优异的导电、抗磁化、耐高温和耐化学侵蚀的性能，被认为是综合性能最好的先进材料，因此它在各个领域中的应用推广非常迅速。在近代工业中，特别是在航空航天中起着十分重要的作用。

1.碳纤维的概念

碳纤维就是纤维状的碳，由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3 倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。2.碳纤维的结构

碳纤维的结构决定于原丝结构和炭化工艺。对有机纤维进行预氧化、炭化等工艺处理，除去有机纤维中碳以外的元素，形成聚合多环芳香族平面结构。在碳纤维形成过程中，随着原丝的不同，质量损失可达10~80％，形成了各种微小的缺陷。但无论用哪种材料，高模量的碳纤维中的碳分子平面总是沿纤维轴平行的取向。用x一射线、电子衍射和电子显微镜研究发现，真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构。碳纤维呈现乱层石墨结构。在乱层石墨结构中，石墨层片仍是最基本结构单元，一般由数张到数十张层片组成石墨微晶，这是碳纤维的二级结构单元。层片之间的距离叫面间距d，由石墨微晶再组成原纤维，其直径为50nm左右，长度为数百nm，这是纤维的三级结构单元。最后由原纤维组成碳纤维的单丝，直径一般为6—8μm。原纤维并不笔直，而是呈弯曲、裙皱、彼此交叉的许多条带组成的结构。在这些条带的结构中，存在着针形孔隙，其宽度为1.6—1.8nm，长度可达几十nm。在碳纤维结构中的石墨微晶与纤维轴构成一定的夹角，称为取向角，这个角的大小影响纤维模量的高低。如聚丙烯脯基碳纤维的d为0.337nm，取向角为8°。碳纤维结构是高倍拉伸的、沿轴向择优取向的原纤维和空穴构成的高度有序织态结构。影响碳纤维强度的重要因素是纤维中的缺陷。碳纤维中的缺陷主要来自两方面，一方面是原丝带来的缺陷，另一方面是炭化过程中产生的缺陷。原丝带来的缺陷在炭化过程中可能消失小部分，而大部分将保留下来，变成碳纤维的缺陷。同时，在炭化过程中，由于大量的元素以及各种气体的形成逸出，使纤维表面和内部形成空穴和缺陷。3.碳纤维的性能 3.1 碳纤维的力学性能

碳纤维具有很高的抗拉强度，其抗拉强度是钢材的2倍、铝的6倍。碳纤维模量是钢材的7倍、铝的8倍。

3.2 碳纤维的物理性能

碳纤维的密度在1.5—2.0g／cm3之间，这除与原丝结构有关外，主要决定于炭化处理的温度。一般经过高温(3000℃)石墨化处理，密度可达2.og／cm3，碳纤维的热膨胀系数与其他纤维不同，它有各向异性的特点。平行于纤维方向是负值(-0.72×10-6~0.90×10-6)，而垂直于纤维方向是正值(32×10-6~22×10-6)。碳纤维的比热容一般为7.12×10-1 KJ／(kg·K)。热导率随温度升高而下降。碳纤维的比电阻与纤维的类型有关，在25℃时，高模量纤维为775μΩ／cm，高强度碳纤维为1500 μΩ／cm。碳纤维的电动势是正值，而铝合金的电动势为负值。因此当碳纤维复合材料与铝合金组合应用时会发生化学腐蚀。3.3碳纤维的化学性能

碳纤维的化学性能与碳很相似，它除能被强氧化剂氧化外，对一般碱性是惰性的。在空气中，温度高于400℃时则出现明显的氧化，生成CO和CO2。在不接触空气或氧化剂时，碳纤维具有突出的耐热性能，与其他材料相比，碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降，而其他材料的晶须性能也早已大大的下降。另外碳纤维还具有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化，它还有耐油、抗放射、抗辐射、吸收有毒气体和减速中子等特性。4.碳纤维的制备

碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得：按状态分为长丝、短纤维和短切纤维：按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型：模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展，还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。

第一、原丝制备，聚丙烯腈和粘胶原丝主要采用湿法纺丝制得，沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。制备高性能聚丙烯腈基碳纤维需采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝，制备原丝用的共聚单体为衣康酸等。制备各向异性的高性能沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中间相（苯可溶各向异性沥青）和潜在中间相（喹啉可溶各向异性沥青）等。作为烧蚀材料用的粘胶基碳纤维，其原丝要求不含碱金属离子。

第二、预氧化(聚丙烯腈纤维200～300℃)、不熔化（沥青200～400℃）或热处理(粘胶纤维240℃),以得到耐热和不熔的纤维,酚醛基碳纤维无此工序。

第三、碳化,其温度为：聚丙烯腈纤维1000～1500℃,沥青1500～1700℃,粘胶纤维400～2000℃。第四、石墨化,聚丙烯腈纤维为2500～3000℃,沥青2500～2800℃,粘胶纤维3000～3200℃。第五、表面处理，进行气相或液相氧化等，赋予纤维化学活性，以增大对树脂的亲和性。

第六、上浆处理,防止纤维损伤,提高与树脂母体的亲和性。所得纤维具有各种不同的断面结构。要想得到质量好碳纤维，需要注意一下技术要点：

（1）实现原丝高纯化、高强化、致密化以及表面光洁无暇是制备高性能碳纤维的首要任务。碳纤维系统工程需从原丝的聚合单体开始，实现一条龙生产。原丝质量既决定了碳纤维的性质，又制约其生产成本。优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要必备条件。

（2）杂质缺陷最少化，这是提高碳纤维拉伸强度的根本措施，也是科技工作者研究的热门课题。在某种意义上说，提高强度的过程实质上就是减少、减小缺陷的过程。

（3）在预氧化过程中，保证均质化的前提下，尽可能缩短预氧化时间。这是降低生产成本的方向性课题。

（4）研究高温技术和高温设备以及相关的重要构件。高温炭化温度一般在1300～1800℃，石墨化一般在2500～3000℃。在如此高的温度下操作，既要连续运行、又要提高设备的使用寿命，所以研究新一代高温技术和高温设备就显得格外重要。如在惰性气体保护、无氧状态下进行的微波、等离子和感应加热等技术。5.碳纤维在航空航天中的应用

5.1在飞机机身上的应用

近10 年来,国内飞机上也较多的使用了碳纤维及其复合材料。例如由国内几家科研单位合作开发研制的某歼击机复合材料垂尾壁板,比原铝合金结构轻21 kg ,减质量30 %。北京航空制造工程研究所研制并生产的Q Y8911/ HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/ AS4C 热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其复合材料,具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳性能,适合制造飞机主承力构件,可在120 ℃下长期工作,已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。在316 ℃这一极限温度下的环境中,复合材料不仅性能优于金属,而且经济效益高。随着基体树脂和碳纤维性能的不断提高,碳纤维增强树脂基复合材料的耐湿热性及断裂延伸率得到显著改善和提高。在飞机上的应用已由次承力结构材料发展到主承力结构材料。5.2 在航空发动机上的应用

树脂基复合材料由于具有密度小、比强度高和耐高温等固有特性,复合材料在航空涡轮发动机上应用的范围越来越广且比例越来越大,使航空涡轮发动机向“非金属发动机”或“全复合材料发动机”方向发展。凭借比强度高,比模量高,耐疲劳与耐腐蚀性好的优点,J TA GG 验证机的进气机匣采用碳纤维增强的PMR15 树脂基复合材料,比采用铝合金质量减轻26 %。

碳化硅纤维增强的钛基复合材料，凭借密度小(有的仅为镍基合金的1/ 2),比刚度和比强度高,耐温性好等优点,碳化硅纤维增强的钛基复合材料在压气机叶片、整体叶环、盘、轴、机匣、传动杆等部件上已经得到了广泛应用。

目前主要的陶瓷基复合材料产品是以SiC 或C纤维增强的SiC 和SiN 基复合材料。凭借密度较小(仅为高温合金的1/ 3～1/ 4),力学性能较高,耐磨性及耐腐蚀性好等优点,陶瓷基复合材料,尤其是纤维增强陶瓷基复合材料,已经开始应用于发动机高温静止部件(如喷嘴、火焰稳定器),并正在尝试应用于燃烧室火焰筒、涡轮转子叶片、涡轮导流叶片等部件上。5.3 在火箭发动机上的应用

由于火箭发动机喷管壁受到高速气流的冲刷,工作条件十分恶劣, 因此C/ C 最早用作其喷管喉衬, 并由二维、三向发展到四向及更多向编织。同时火箭发动机设计者多年来一直企图将具有高抗热震的Ct / SiC 用于发动机喷管的扩散段, 但Ct 的体积分数高, 易氧化而限制了其广泛应用, 随着CVD、CVI 技术的发展, 新的抗氧化Ct / SiC 及C-C/ SiC 必将找到其用武之地。Melchior 等认为碳纤维CMC、陶瓷纤维CMC 以及C/ C 复合材料,特别是以SiC 为纤维或基体的CMC 抗氧化, 耐热循环和烧蚀, 是液体火箭发动机燃烧室和喷管的理想材料, 并进行了总数为31 个的长达20 000 s 的燃烧室和喷管点火试验, 内壁温度高达1732 ℃, 一个600 kg 发动机成功地点火七次, 温度为1449℃。目前为解决固体火箭发动机结构承载问题, 美国和法国正在进行陶瓷纤维混合碳纤维而编织的多向(6 向)基质、以热稳定氧化物为基体填充的陶瓷复合材料。SiC 陶瓷制成的喉衬、内衬已进行多次点火试验。今天作为火箭锥体候选材料的有A12O3、ZrO2、ThO2 等陶瓷, 而作为火箭尾喷管和燃烧室则采用高温结构材料有SiC、石墨、高温陶瓷涂层等。碳纤维仍将是今后固体火箭发动机壳体和喷管的主要材料。5.4在卫星和宇航器上的应用

由于碳纤维的密度、耐热性、刚性等方面的优势, 增强纤维以碳纤维为主。碳纤维复合材料在空间技术上的应用, 国内也有成功范例, 如我国的第一颗实用通信卫星应用了碳纤维/环氧复合材料抛物面大线系统;第一颗太阳同步轨道“ 风云一号” 气象卫星采用了多折迭式碳纤维复合材料刚性太阳电池阵结构等。卫星结构的轻型化对卫星功能及运载火箭的要求至关重要,所以对卫星结构的质量要求很严。国际通讯卫星VA 中心推力筒用碳纤维复合材料取代铝后减质量23 kg(约占30 %),可使有效载荷舱增加450条电话线路,仅此一项盈利就接近卫星的发射费用。

参考文献

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[4]《复合材料在航空航天中的应用》论文 苏云洪,刘秀娟,杨永志 [5]部分内容来源于维基百科及百度百科等网站