碳纤维在航空航天中的应用

第一篇：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

[1]高永忠.纤维增强树脂复合材料在武器装备上的应用[J].应用导航, 2006 ,01 :24.[2]李爱兰,曾燮榕,曹腊梅等航空发动机高温材料的研究现状[J].材料导报,2003 ,17(2):26.[3]《航空航天先进复合材料现状》论文 吴良义

[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

第二篇：碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

林德春

潘

鼎

高

健

陈尚开

（上海市复合材料学会）

（东华大学）

（连云港鹰游纺机集团公司）

碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在 90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在 2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性,纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。

可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过100%。

本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。

航空领域应用的新进展

T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的 为拉伸强度达到 5.5GPa，断裂应变高出 T300 碳纤维的 30％的高强度中模量碳纤维 T800H 纤维。

（1）军品

碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维 复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环 氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了 明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身 段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。

美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上，军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人驾驶的“星舟”轻型机，结构质量约1800kg，其中复合材料用量超过1200kg。1986年美生产的“旅行者”号轻型飞机，其90%以上的结构采用了碳纤维复合材料，创下了不着陆连续九天进行环球飞行的世界记录。Boeing公司用GF / PPS制造海军巡航导弹的壳体，Du Pont公司用GF、KF / PA、PPS，制造军机的零部件。

由于碳纤维增强复合材料不但是轻质高强的结构材料，还具有隐身的重要功能，如

CF/PEEK 或 CF/PPS具有极好的宽峰吸收性能，能有效地吸收雷达波。美国已用来制造最新 型的隐形轰炸机。美国的P－22 超音速飞机的主要结构就是采用了中等模量的碳纤维增强的特种工程塑料。幻影III战斗机的减速降落伞盖和弹射的弹射装置也由这种材料制成。已成功地用于飞机的肋条、蒙皮及一些连接件、紧固件等雷达波的吸收件。战斧式巡航导弹壳体、B-2隐型轰炸机的机身基材，F117A隐型飞机的局部也都采用了碳纤维改性的高分子吸波材料。

英国ICI公司用GF/PA生产战斗机上的阀门，使飞机阀门在很宽的温度范围内与燃料长 期接触也能保持其性能和形状的稳定；其它国家的飞机F/A-

18、RAH-66、A330 / A340、B77、Y-22上面也都采用了这种材质来制造机翼、蒙皮、主承力结构、中央冀盒、地板、尾 冀、设备箱体及结构件。

大量采用碳纤维复合材料为部件的中国新型号的军机“飞豹”飞机总长约22.3米，翼展约12.7米，最大起飞重量28.4吨，最大外挂重量约6.5吨，最大M数1.70，转场航程约3600公里。该机的攻击威力已超过“美洲虎”、“旋风”、苏-24等飞机，具备了第三代战斗机的特点。

（2）民品

在民用领域，555座的世界最大飞机A380由于CFRP的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP), 3%为首次用于民用飞机的GLARE纤维－金属板（铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构）。这些部件包括：减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。继A340对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封 框——复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后，A380又一次对连接机翼与机身主体结构中央翼盒新的禁区发起了成功挑战。仅此一项就比最先进的铝合金材料减轻重量1.5吨。由于CFRP的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。从而大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%--20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。

航天领域新进展

(1)火箭、导弹

以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上，碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料，在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用，美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，如美国三叉戟-2 导弹、战斧式巡航导弹、大力神一 4 火箭、法国的阿里安一 2火箭改型、日本的 M-5火箭等发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为 5.3GPa 的IM-7 碳纤维，性能最高的是东丽 T-800 纤维，抗拉强度 5.65Gpa、杨氏模量 300GPa。

我国各类战略和战术导弹上也大量采用碳纤维复合材料作为发动机喷管、整流罩防热材料。我国九十年代后期开展了纤维增强复合材料材料壳体的研究，进行了 T300 CFRP 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，开展了 T800 碳纤维 CFRP多种壳体的预研实验。

（2）卫星、航天飞机及载人飞船

高模量碳纤维质轻，刚性，尺寸稳定性和导热性好，因此很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作，而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。

碳纤维增强树脂基复合材料被作航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。美国发现号航天 飞机的热瓦，十分关键，可以保证其能安全地重复飞行。一共有 8 种：低温重复使用表面绝热材料 LRSI；高温重复使用表面绝热材料 HRSI；柔性重复使用表面绝热材料 FRSI；高级 柔性重复使用表面绝热材料 AFRI；高温耐熔纤维复合材料 FRIC—HRSI；增强碳/碳材料 RCC；金属；二氧化硅织物。其中增强碳/碳材料 RCC，最为要的，它可以使航天飞机承受 大气层所经受的最高温度 1700℃。

从 1996 年 11 月 20 日的“神州一号”升空开始到“神州六号”上天，中国在八年多的时间里六次飞天。在飞船、卫星、返回舱中大量使用的碳纤维复合材料，为这一举世瞩目的成就立下了汗马功劳。随着科学技术的进步，碳纤维的产量不断增大，质量逐渐提高，而生产成本稳步下降。各种性能优异的碳纤维复合材料将会越来越多地出现在航空航天领域中，为世界航空航天技术的发展作出更大的贡献。

第三篇：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。

第四篇：高分子复合材料在各种航空航天工具中应用

高分子复合材料在各种航空航天工具中应用

多种高性能的高分子复合材料目前已经用于各种航空航天工具中。例如，碳纤维复合材料不久前还只在军用飞机上用做主结构如机身和机翼。但是，近年来先进复合材料已开始用于大型民航客机上用做主结构，玻纤增强塑料也大量使用在一些较为次要的部位。

在美国，碳纤维复合材料主要用于航空航天工业；在欧洲，碳纤维复合材料在航空航天领域的使用量达到33%，仅次于其他工业用途。例如，无人驾驶飞机上，目前已经大量使用碳纤维复合材料。

新近推出的波音公司新型民航客机7E7和空中客车公司A380，都开始采用航空航天复合材料作飞机的主结构。这是因为复合材料能提供目前制铝工业所能提供的铝合金大致相同的性能，而且复合材料还能进一步降低成本。此外，复合材料还有耐久性好，所需保护少，零部件可以整合，耐腐蚀性强，通过利用智能纤维材料和嵌入式传感器进行结构监测等优点。

7E7客机绝大多是用复合材料制造的，将需要约25吨增韧碳纤维增强环氧树脂叠合材料和夹层材料。A380也使用通常的复合材料结构，例如机翼包皮的40％采用碳纤维增强塑料，减轻质量1.5t，减轻全装配结构11.6t。尾翼的大部分包括尾翼的安定面是碳纤维复合材料，仿照老式空中客车客机。未增强的后机身由连接到复合材料机架上的复合材料与合金架的组合体上的碳纤维蒙皮构成。总计复合材料将占机架质量的大约16%，减轻同种规模的全金属结构（空飞机的总质量将约为170t）。

第五篇：碳纤维在交通工具制造业中的应用

碳纤维在交通工具制造业中的应用

摘要

碳纤维的用途主要是利用其“轻而强”和“轻而硬”的力学特性，广泛应用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料；利用其尺寸稳定性，应用于宇宙机械、电波望远镜和各种成型品；利用其耐疲劳性，应用于直升飞机的叶片；利用其振动衰减性，应用于音响器材；利用其耐高温性，应用于飞机刹车片和绝热材料；利用其耐药品性，应用于密封填料和滤材；利用其电气特性，应用于电极材料、电磁波屏蔽材料、防静电材料；利用其生体适应性，应用于人工骨、韧带；利用其 X-光透过性，应用于 X-光床板等。此外，还可以活化成活性碳纤维，应用于各种吸附领域。

此文着重介绍碳纤维在交通工具制造业中的应用。

关键词

碳纤维：carbon fibre 碳纤维的应用 新材料 航空工具 汽车制造

正文

（一）碳纤维的的特点及其在各个领域中的应用

碳纤维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20多年，它至今仍保持纤维形态。

碳纤维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3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料(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，不少人预料，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。

碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维。其中含碳量高于99％的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。

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。

碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

碳纤维的用途主要是利用其“轻而强”和“轻而硬”的力学特性，广泛应用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料；利用其尺寸稳定性，应用于宇宙机械、电波望远镜和各种成型品；利用其耐疲劳性，应用于直升飞机的叶片；利用其振动衰减性，应用于音响器材；利用其耐高温性，应用于飞机刹车片和绝热材料；利用其耐药品性，应用于密封填料和滤材；利用其电气特性，应用于电极材料、电磁波屏蔽材料、防静电材料；利用其生体适应性，应用于人工骨、韧带；利用其 X-光透过性，应用于 X-光床板等。

此外，还可以活化成活性碳纤维，应用于各种吸附领域。具体应用例如： ①钓鱼杆现年产量约1200万只，年碳纤维用量1200t；

②高尔夫球杆随着轻量化和长尺寸化的要求，现已占碳纤维体育用品用途的50％，年碳纤维用量为

2000t；

③网球拍的年市场规模约为450万只，年碳纤维用量约500t；

④飞机方面，小型商务机和直升飞机的复合材料用量已占70％一80％，军用机30％一40％，大型客机15％一20％；

⑤人造卫星结构体、太阳能电池板和天线要用高模碳纤维，先进的运载火箭和导弹壳体、发射筒等要用800H和 T300碳纤维等；

⑥土木建筑领域，已用于补修加工用片材、建筑部件、代钢筋材料、屋顶构架材料等

⑦能源领域，已用于汽车的压缩天然气罐和风车叶片(长达30-40m)、海底油田管道、升降机等；

⑧交通运输方面，已应用于赛车、汽车传动轴、大型卡车车体 ⑨电子电器领域，已应用于增强热塑性树脂的挤出成型品，如抗静电 IC盘、笔记本电脑的筐体，具有电磁波屏蔽效果；

⑩其它，还有X-射线盒、医用床板、印刷、制膜、造纸等用的各种滚轴、空气或氧气呼吸用压力容器等等

（二）碳纤维在汽车制造行业中的应用

轻型化汽车：碳纤维碳纤维只占到复合材料30%的重量，复合材料的制造方法主要来自低产量的航空技术，新的、大批量复合材料成型方法才是突破点。2010年SGL与宝马合资的碳纤维及复合材料厂在美国开工，根据宝马的测算，每台汽车大约需要90公斤的碳纤维，将来需要6万吨的碳纤维。

碳纤维在汽车行业需求前景：碳纤维复合材料传动轴、尾翼和引擎盖已经在汽车行业广泛应用，虽然现在主要是用在豪华车型，但预计未来将在大众车型中推广。日产汽车、本田汽车和东丽公司，将联手开发汽车车体用的新型碳纤维材料。合作企业还包括三菱丽阳和东洋纺织，使用后使车体较使用钢材者轻40%。日本政府亦支持该项计划,希望在全球开发环保车辆的趋势中取得领先地位。日本经济产业省计划未来五年投资这项计划20亿日圆(1850万美元)。

采用碳纤维材质将可改善车辆的燃料效能，并使二氧化碳排放减少30%。碳纤维制品多用于特殊领域，其使用寿命和更新周期均有严格要求，大量废弃的碳纤维产品急待处理。据日本三菱人造丝公司估计，目前全球废弃的CFRP大约为1万吨。随着CF生产能力的扩大及增强材料的大量使用，环境友好要求企业重视CF的回收利用。发达国家已开始了这项工作：德国Thuringian(TITK)研究所开发的新工艺，不采用撕切处理就能从废弃CF纺织品中获取长度≥20mm，一般长度为30mm～70mm的碳纤维；西班牙INASMET运输安全机构经过两年的研究试验，采用化学和热解处理技术开发了CF-环氧树脂复合材料回收再利用的新途径，其回收产品可用于一般的CFRP。据中国环氧树脂行业协会专家介绍，日本东丽公司、帝人公司(日本东京)，和三菱丽阳公司计划联手大规模生产循环碳纤维，以促进高强轻质材料的回收利用。汽车制造者将碳纤维视为轻质汽车材料，在东丽及一些其他公司的带动下，将进一步鼓励采用循环碳纤维，提高材料及零件可回收成分。关于碳纤维在汽车上的应用，首先在汽车车身、底盘的应用，由于碳纤维增强材料有足够强度和刚度，其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的最轻材料，可使汽车车身、底盘减重40～60％，相当于钢结构重量1/3～1/6；在制动摩擦片上的应用，碳纤维还因其环保、耐磨特点，而应用在制动摩擦片上，但含有碳纤维复合材料都格外贵，所以目前主要应用高档轿车；在座椅加热垫上的应用，碳纤维汽车座椅加热垫是一个突破，在汽车配套市场变得越来越受欢迎，将会完全替代传统的座椅加热系统；在轮毂上的应用，德国轮毂制造专家WHEEL SANDMORE，推出的“Megalight-Forged-Series”轮毂系列，采取2片式设计，外环为碳纤维材质打造、内毂为轻量化的合金，搭配不锈钢制的螺丝，较一般同尺码减轻重量40％左右；在燃料贮罐上的应用，采用CFRP在满足要求的条件下，可以实现压力容器的轻量化。

（三）碳纤维在民航中的应用

最近几年尤其在亚洲和欧洲，飞机乘客数量的增加促进了新飞机的需求增长。《空客全球市场预测》估计，2010～2025年间，飞机运营商将需要22700架客机和货机。这些OEM正引领着结构性复合材料用量的巨大增长，其中包括碳纤维，其最新的应用就是B787和A380飞机。航空航天领域是世界碳纤维的传统市场，根据世界第2大碳纤维生产商——日本东邦公司的预测，航空器中碳纤维复合材料的使用量，未来几年将以年均12％的速度继续增长，2012年可达13000吨。

A380为大型喷气式客机，其结构(包括主要结构)使用了22%的碳纤维复合材料。波音公司B787中碳纤维/环氧预浸料的唯一供应商是东京的东丽公司(Toray)，2家公司已经就Torayca预浸料签订了长达18年的供应合同，一直到2021年。据报道787主要结构的合同价值，高达20.3亿欧元(30亿美元)。新型超大型客机——空中客车A380和波音787，均大量使用环氧树脂浸渍碳纤维，或碳纤维增强塑料(CFRP)作为主要的结构材料。碳纤维复合材料约占A380飞机35吨结构材料中的20％以上，包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁；波音787中结构材料有近50%需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料，包括主机翼和机身。金属结构材料采用碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量，而且还可以保证不损失强度或刚度，大大提高了燃油经济性。新一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。空中客车公司日前宣布，碳纤维复合材料将在新一代喷气式客机A350XWB中用于主机翼和机身材料。碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。例如三菱重工计划利用碳纤维复合材料，制作新一代支线喷气客机MRJ主机翼和尾部组件，该机型预计在2013年进入市场。欧洲空中客车公司授予赫氏复材其远程宽体客机A350XWB主结构件的长期供应合同，此合同要求赫氏复材供应碳纤维复合材料直至2025年。