超塑性钛合金在航空航天领域的应用

第一篇：超塑性钛合金在航空航天领域的应用

石河子大学机械电气工程学院 机械工程材料•新型材料课题论文

课题论文题目： 超塑性合金在航空航天领域的应用

姓 名： 刘萍

学 号： 2011509291 院系专业班级： 机械电气工程学院11机制

（二）班 联 系 电 话： *** 指 导 教 师： 魏敏 填 表 日 期： 2012年12月8号

《机械工程材料》课程组 2012年11月26日

超塑性钛合金在航空航天领域的应用

摘要：钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀、耐高温等优良性能，在航空航天、舰艇、化工等领域得到日益广泛的应用。阐述了航空航天用钛合金盘件的研究现状，重点介绍了高性能钛合金盘件的制备工艺，包括粉末冶金热等静压成形和超塑性等温锻造成形。分析了钛合金盘件在航空航天领域的应用现状，并探讨了航天航空用钛合金盘件的发展趋势。

关键词：钛合金；超塑性；超塑性成形；扩散连接

1，超塑性合金的定义：

超塑性合金是指那些具有超塑性的金属材料。超塑性是一种奇特的现象。具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1982年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。根据金属材料的结构和变形条件(温度、应力)，可超塑性合金大致划分为微晶超塑性合金，相变超塑性合金2大类。由于钛合金在超塑状态具有异常高的塑性，极小的流动应力，极大的活性及扩散能力，可以在很多领域中应用。

2，钛合金的结构特点：

钛合金的结构特点决定了它们不仅有良好的高温强度，较好的抗氧化性和抗腐蚀性，而且密度较小，因此是理想的航天和航空材料。当前世界上研究较多的钛合金有TiAl、Ti3Al等。然而，这些材料的室温塑性和韧性一般较差；加工性能较差。在其主要优点不受很大损失的前提下，改善其塑性、韧性及加工性。而实现这些目标的主要措施是添加合金元素以形成塑性较好的第二相，超塑性钛合金的实现一般还需要通过一定的形变热处理以得到等轴细晶显微组织。近年来的研究结果已经表明，钛合金可以获得很高的超塑性水平——Ti3Al合金的伸长率超过1000%；TiAl合金的伸长率达470%。发展起来的超塑成形技术，改善了钛合金难以成形的状况，因而充分发挥了钛合金的优势。超塑性钛合金正以它们优异的变形性能和材质均匀等特点，在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用。

3，超塑性成形工艺：

超塑性成形工艺主要包括了气胀成形和体积成形两类。超塑性气胀成形是用气体的压力使板坯料（也有管坯料或其他形状坯料）成形为壳型件，如仪差壳、抛物面天线、球型容器、美术浮雕等。气胀成形又包括了Female和Male两种方式，分别由图1和图2表示。Female成形法的特点是简单易行，但是其零件的先帖模和最后贴模部分具有较大的壁厚差。Male成形方式可以得到均匀壁厚的壳型件，尤其对于形状复杂的零件更具有优越性。

超塑性气胀成形与扩散连接的复合工艺（SPF／DB）在航空工业上的应用取得重要进展，特别是钛合金飞机结构件的SPF／DB成形提高了飞机的结构强度，减少了飞机重量，对航空工业的发展起到重要作用。

超塑性体积成形包括不同的方式（例如模锻、挤压等），主要是利用了材料在超塑性条件下流变抗力低，流动性好等特点。一般情况下，超塑性体积成形中模具与成形件处于相同的温度，因此它也属于等温成形的范畴，只是超塑性成形中对于材料，对于应变速率及温度有更严格的要求。这种方法利用自由运动的辊压轮对坯料施加载荷使其变形，使整体变形变为局部变形，降低了载荷，扩大了超塑性工艺的应用范围。他们采用这样的方法成形出了钛合金、镍基高温合金的大型盘件以及汽车轮毂等用其他工艺难于成形的零件。

4，超塑性成形及扩散联接（SPF/DB）：

超塑性成形及扩散联接（SPF/DB）是航空领域多年来重点发展和应用的一种近无余量先进成形技术。通过在一次加热、加压过程中成型整体构件，不需要中间处理，能有效减轻结构重量和提高材料利用率，可为设计提供更大的自由度，具有广阔的应用前景。

基本原理是：利用金属及合金的超塑性和扩散焊无界面的一体化特点，在材料超塑温度和扩散焊温度相近时，采用吹胀或模锻法在一次加热、加压过程中完成超塑成形和扩散连接两道工序，从而制造高精度复杂的大型整体构件。该技术具有以下特点：

（1）成形压力低/变形大而不破坏（2）外形尺寸精确，无残余应力和回弹效应（3）节省装备，缩短制造周期

（4）改善结构性能，提高结构完整性，延长机体寿命（5）降低制造成本，减轻结构重量

从以上特点分析，SPF/DB简化了零件制造过程和装配过程，减少了零件（标准件）和工装数量，消除大量连接孔，避免了连接裂纹及疲劳问题，有利于提高结构耐久性和可靠性，尤其适合于加工复杂形状的零件，如飞机机翼、机身框架、发动机叶片等。对于钛合金，SPF/DB解决了钛合金冷成形和机加工难的缺点，促进了钛合金整体构件的使用（如图3），相对常规金属结构，夹层结构具用足够的疲劳强度、良好的塑性和断裂韧性。英国、美国是世界上开展SPF/ DB 技术研究及应用较早的国家，目前已建立了专业化生产厂，如英国TKR 公司、罗罗公司、Superform 公司和美国RTI公司等都具有很强的钛合金SPF/ DB 结构件的生产能力。另外，法国、德国、俄罗斯以及日本对钛合金SPF/ DB 技术也进行了大量研究和应用，具备了较强的钛合金SPF/ DB 结构件的生产能力。国外SPF/ DB 钛合金结构件在飞机上的应用广泛（见图4），如民机A300、A310/ 320的前缘缝翼收放机构外罩，减重10%，A330、A340机翼检修口盖、驾驶舱顶盖、缝缘传动机构等采用SPF/DB结构，减重46 %，技术经济效益显著。此外，A380飞机吊舱舱门结构采用了SPF/DB工艺。国内开展钛合金SPF/DB研究已多年，已逐渐用于主承力结构，取得了一定的减重效果和经济效益，图5为某飞机TC4钛合金SPF/DB腹鳍结构，已通过了全尺寸静力试验考核，结果证明满足设计要求，成本降低16％，减重11％，但国内还未开展该技术在民机上的应用。

SPF/DB在国外已比较广泛的应用于军民用飞机，显示出巨大的技术经济效益，但在国内还处于应用初期，没有充分发挥这一技术的优势。针对民用飞机使用要求、主要结构特点等，要实现该技术的工程化成熟应用，需要尽快开展以下研究工作：

（1）SPF／DB结构设计技术，目前，SPF/ DB 技术多用于层板结构，这种板结构在强度方面存在不足。因此，应大力发展体积成形与扩散连接结合的新型SPF/ DB 构件。

（2）SPF/ DB制造控制技术，包括成形过程组织演变和变形机制，工艺过程控制与加工过程自动化，结构完整性及应力与变形控制，实现组织与性能匹配。（3）SPF/ DB质量评估与检测技术，建立设计用性能数据库，研制低成本检测技术，提高检测精度，制定质量控制程序和检验标准。

（4）SPF/ DB结构静力与疲劳考核验证，以适航标准为依据进行符合性验证，确保民用飞机安全可靠使用。

5，高性能钛合金盘件的研究现状：

对于航空航天用发动机压气机盘、涡轮盘等转动部件，不仅要求具有良好的高温热强性，还要求在高温条件下有优良的抗疲劳性能和长期使用的可靠性。因此，制备高性能钛合金，要综合考虑合金成分、热加工工艺、组织与性能及可加工性等因素。只有制备洁净度高、成分和组织均匀的铸锭，并在先进涡轮盘锻压技术和热处理工艺的配合下，才能保证钛合金盘件流线形态的完整性、盘件组织的均匀性和性能的高可靠性。目前制备高性能盘件的主要方法有超塑性等温锻造成形工艺和粉末冶金热等静压成形两种，这两种方法各有特点。

粉末冶金钛合金盘件在热处理时，盘件内部存在温度梯度，会产生较大的残余热应力。这些残余应力对盘件保持完整性和机加工性能的影响很大，当局部残余应力足够大时，盘件就可能开裂。而小的残余应力，也会影响盘件的加工性能，如加工变形等。因此，粉末冶金钛合金盘件的热处理工艺极为关键。对于大规格高性能钛合金盘件，由于钛合金导热率低，盘件规格较大，不同部位存在较大的温度梯度，容易造成组织和性能的不均匀性，则主要采用等温超塑成形的方法。

超塑性等温锻造是利用钛合金在高温及低应变速率下材料具有异常好的塑性及变形抗力低的特点发展起来的一种锻造方式。通常采用近卢或准卢热模锻造两种锻造方式。这种新工艺能获得尺寸精确度高、组织均匀、性能稳定、形状复杂的高精度锻件，而且可用小吨位的液压机锻造大型锻件，来提高材料的利用率和减少切削加工量。等温锻造有以下特征：①在整个锻造过程中，锻模与锻件始终保持在同一加工温度；②锻造速度很慢，应变速率很小；③为防止氧化，锻模与锻件有时需置于真空或惰性气体环境中。等温锻造可通过控制加工温度、应变率、变形程度等来控制微观组织，以实现组织优化的目标。结合优化的调质热处理制度，使钛合金的组织和性能满足不同零部件的应用需求“。等温锻造的薄壁钛锻件具有良好的拉伸强度和综合性能，是用于宇航加工中最经济且简易的成形方法。

参考文献

[1] 刘树桓.英国超塑成形扩散连接技术的现状及特点.航空制造工程, 1994 [2] 王向民等.钛合金SPF/DB技术在航空工业中的应用.钛工业进展, 1998, No1 [3] 白秉哲等.美国超塑成形技术及应用.航天技术与民品, 1999, No1 [4] 超塑成形/扩散焊接组合工艺数值模拟初探.南京航空航天大学学报, 1999, Vol31, No3 [5 ] 李曙光等.国外先进制造技术与装备应用现状分析.航天制造技术, 2004,Vol6,No3 [6] 李志强等.超塑成形/扩散连接技术的应用与发展现状.航空制造技术, 2004, No11 [7] 于卫新等.材料超塑性和超塑成形/ 扩散连接技术及应用.材料导报, 2009, Vol23,No6

第二篇：纳米材料在航空航天领域的应用

纳米11

陈美龄

41136025

纳米材料在航空航天领域的应用

学 院：姓 名：学 号：班 级：

——《纳米材料科学与技术前沿》论文

材料科学与工程学院 陈美龄 41136025 纳米11班 2014.7.30 纳米11

陈美龄

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一、摘要：

随着我国社会经济的快速发展，科技技术更新速度日益加快。纳米材料早已渗透到我们人类生活的方方面面，在我们的日常生活中发挥着不可替代的作用。

目前，纳米材料材料研究领域，已经由原来如何方便人类生活、如何开发新型材料，逐步向减少环境负担、材料可循环利用、低能高效的方向发展。同时，随着航天事业的发展，纳米材料材料同样发挥着不可替代的作用。在未来的研究方面，将会是向低碳环保和科技技术方面发展。

本文主要介绍在航天领域方面的热门两种纳米材料。

二、无机抗菌纳米材料

（1）简介

细菌、霉菌、酵竹苗、凛类等_仃害微牛物小仅对人类生活作业境造成污染，而且时人体健康和生命造成严币损害。即使在远离地球的找人航天E行器舱内环境中同样不能丰免。美国载人航无器E行史中，因细菌感染而导致乘员患感冒、尿路感染、皮炎、I I牌，溃疡的病例就打多起。如阿波罗7、8 q曾发生呼吸道感染，9、1I、12、14发生中耳炎，其他E行任务中也牲牛过皮疹等皮肤感染性疾病，P号宅川站乘员留轨期问也有因细菌感染患疵，从而不得不提返航的病例。纳米11

陈美龄

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（2）机抗菌纳米材料材料简介

无机抗菌纳米材料材料就是含有无机抗菌成分并具有抗菌抑菌功能的纳米材料材料。无机抗菌剂是一种新的、含有银、锌、铜等金属离子成分和无机载体的接触型抗菌制剂，其所含金属离子具有超强抗菌能力。

当细菌、霉菌等微生物接触到载体中游离态金属离子后，带正电荷的金属离子与带负电荷的微生物因库仑引力相互吸附，并在微生物表面聚积，在金属离子之正电荷达一定量时，就会有效击穿细菌细胞壁，接触细胞内部蛋白质和核酸，产生化学反应，使蛋白质变性，从而降低蛋白酶活性。蛋白质失活就会影响细胞的代谢和呼吸功能，使其无法进行分裂繁殖，直到死亡，从而达到灭菌、抑菌目的。

（3）分子材料航天应用现状

目前我国己试制和生产出硅、钙、钾三大系列七大类多种抗菌剂，而且还为各种制剂选配了合适载体，较好的解决了部分抗菌纳米材料制品的生产工艺技术难题。如抗菌尼龙丝、聚乙烯板，药品包装材料、食品包装膜、聚丙编织丝料、无纺布、ABS、PS、聚酯泡沫塑料、涂料、空气清新剂等多种抗菌制品，经过进一步严格筛试，均可应用于载人航天技术领域。

为给乘员创建安全可靠工作条件和舒适方便的生活环境，纳米材 纳米11

陈美龄

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料聚合材料越来越多的运用于载人航天舱内设备。航天服就用到多种经特殊处理的保温耐压纳米材料材料。又如头盔及其面窗材料，通信用麦克和耳机材料，飞行程序控制用计算机壳体、操作键盘，各种连接导线和电缆，多种非金属餐饮、复水器具，食品、饮料及药品包装材料，废物和大小便收集存贮装置，尿液及航天废水再生处理用过滤、透析膜材料,吸水材料，保温材料，各种通用工具及设备的操作把手，各种通风排气复合软管材料，减震保温用发泡材料，有时电热设备的绝缘隔热层也不得不用纳米材料材料制成。纳米材料材料为人类创建生活和工作便利的同时，同样也会遭受有害菌侵蚀，不仅损害材料外观，而且严重损害到材料质量，甚至通过交叉传播殃及人体健康。据调查，105 f-1电话中46％的机子上有大肠杆菌，仅在塑料听筒、话筒上就有480余种细菌和2400种病毒。有害微生物的繁衍速度很快，在适宜条件下，一个大肠杆菌经9个小时可达1亿个之多。

三、聚磷腈在航空航天中的应用

（1）简介

在现代材料科学与技术发展历程中，航空航天材料一直扮演着先导性角色，材料进步不仅推动了航空航天业本身的发展，也带动了地面交通工具进步，航空航天材料反映了材料发展的前沿，代表一个国家材料的最高水平。航空航天材料主要要求是抗疲劳、耐高温、耐腐蚀、长寿命等。纳米11

陈美龄

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（2）聚磷腈材料在航空航天领域中的应用

1、在织物阻燃中

航空航天领域织物包括降落伞和宇航服装，要求材料具有高的阻燃和耐热性能，以满足特殊条件下的使用。

刘霞等人通过热重分析(TGA)、差热分析(DTA)，红外光谱(IR)等详细研究了TAP对织物阻燃性能的影响。当添加质量分数为l7％ 时，成率(燃烧分解后剩余质量占原来质量的分数)为39％，氧指数为47。5，手感好，强度损失小，水平点燃有自熄性。国外有人对TAP(日本曹达公司产品)的水合物和盐酸盐进行研究。经TAP化合物阻燃整理的棉纤维性能见表1。

由表1可知，经TAP化合物整理后，棉缎具有高的耐洗性和耐久性，阻燃效果明显，基于增质量率和不同条件下的极限氧指数(iO0最高达到39。TAP化合物与防火整理剂(丙烷一派罗伐特克斯，cp)进一步经热分析对比，发现CP在受热过程中发生放热分解。TAP化合物在受热过程中，由于放出HCI和NH 而发生吸热，且TAP在纤维素中发生缩聚反应(如图3所示)，在酸催化作用下，脱除NH，而发生缩聚，生成不溶于水的聚合物，从而赋予纤维以持久的阻燃性。用TAP化合物进行阻燃整理有如下优点：赋予棉纤维以持久阻燃性；不会游离出甲醛；经整理的布手感柔软，强度保持率(经向)高达90％；不变色；由于不含卤素，燃烧时不会产生卤素气体和卤化氢气体。此 外，TAP对人造纤维、棉针织物、丝绸有防缩整理效果。纳米11

陈美龄

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2、在阻燃泡沫橡胶中

美联邦航空局的Richard等人对高效阻燃聚磷腈泡沫材料进行了测试。聚磷腈材料与其他材料相Ii试数据见表2.前者的热性能显示了非常大的优势，EYPEL—A热释放能力比航空用Pu橡胶降低了66．4％，膨胀石墨改性聚磷腈橡胶的 更是降低了80．7％。从反应材料阻燃性的成炭率可看出：EYPEL—A比航空用Pu橡胶的成炭率提高9倍，膨胀石墨改性聚磷腈橡胶更是提高了近20倍。另外聚磷腈材料的燃烧性能更为优越(表3)，与Pu相比，燃烧时聚磷腈材料最大热释放速率降低70％，平均有效燃烧热量降低37．5％，显著降低燃烧释放出的热量，减少燃烧造成的损失，石墨改性的聚磷腈性能则更优。6 纳米11

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3、在胶黏剂中

聚磷腈胶黏剂[1 具有突出的耐热性能，300度以上有较好的耐热性和黏结一IIii(对金属粘接剪切强度为200MPa以上)，并且其抗冲击韧性比无机盐胶黏剂好得多。聚磷腈胶黏剂主要用于高温作业下如火箭、导弹、飞机等有关耐高温部件的金属、陶瓷和玻璃钢等工件的粘接。典型的聚磷腈胶黏剂合成见图4。纳米11

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四、结语

纳米材料也叫做聚合物材料，通常是指由千万个小分子有化学键连接而成的大分子聚合物。我们生活中应用的纳米材料材料就是指合成材料、合成橡胶、合成纤维等合成纳米材料材料。然而20世纪60年代，纳米材料工业已基本完善，解决了人们的衣着、日用品、和工业材料等需求。因此，在未来的纳米材料航空航天应用领域，纳米材料材料功能化、纳米纳米材料材料复合技术以及可降解生物纳米材料材料研发将是三个重要的研究领域。

五、参考文献

（1）许胜国，魏民，赵成坚，谢琼-中国宇航学会首届学术年会论文集，无机抗菌纳米材料材料在载人航天技术中的应用前景。（2）李爱元，张慧波，陈亚东，王建-《胶体与聚合物》，聚磷腈纳米材料材料在航空航天领域中的应用。

第三篇：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：钛合金在船舶海水管系的应用

钛合金在船舶海水管系的应用

船舶海水管路是船舶推进保障系统、发电机保障系统和辅助系统的重要组成部分，对保障船舶动力装置、辅助机械和设备的正常工作具有重要作用。管系的漏损对船舶的影响近次与主机，占第二位。

多年以来，我国的船舶海水管系以铜制设计为主，从2000年以来，耐腐蚀性能优良的B10合金替代原来的紫铜在船舶海水管系中大量应用，大大改善了我国船舶海水管系的腐蚀破损问题。但随着我国远洋战略的实施和船舶行业的发展，海水管系的腐蚀问题依然严峻。B10合金的极限设计流速为3.6m/s，无法满足现代船舶高海水流速的要求。B10合金海水管路设计时不同海水系统对应有不同的流速限制，而部分管道关闭造成局部管道实际流速超出设计流速的情况时有发生。另外在海水管系方向发生改变的部位，管路内海水实际流速通常也会超出设计流速。同时，随着世界经济的发展，工业对海水造成的污染也不断加剧，对海水管路的耐腐蚀性能提出了更高的要求。以上几种情况导致海水管系的腐蚀问题依然突出。

钛合金具有优良的耐海水腐蚀性能，被称为“海洋金属”。具有低比重、力学性能优良等特点。同时钛合金具有优良的耐冲刷腐蚀性能（见图1），作为海水管系使用，服役期限不少于40年。

图1 不同海水流速下材料耐腐蚀性能

由于钛合金同时具有较高的强度，可以使管材的壁更薄，从而减轻管系的重量。世界各国都非常重视钛合金在海水管路上的应用研究工作。俄罗斯和美国已成功将钛合金应用于各类动力的潜艇、水面舰船。如美国海军对薄壁钛合金管从费效角度进行评价，作为水面舰船海水管系的候选管材，钛合金可以减轻管路的腐蚀和冲刷破坏，但钛合金与其它材料的电偶不匹配，材料之间的电绝缘造价较高。

钛合金在海水中的腐蚀电位较高，容易造成与之相连的其它金属的加速腐蚀，因此，钛合金在海水管路中使用时，必须加强电绝缘防护。以避免海水管系中、海水管系与船体间的电偶腐蚀发生。通常采用的方法是电绝缘连接，即用各种惰性材料（包括密封材料）制成垫片、套管，插入法兰连接中，使两法兰阴极之间的导电通路被断开。近年来，钛合金的绝缘防护技术不断发展，如热氧化、阳极氧化、微弧氧化等技术已有较好的技术积累和应用经验。这些新技术的发展和应用为钛合金在海水管路的应用提供了有力的技术支持。

钛合金具有良好的生物兼容性，在海水管系的应用时，易生长海生物造成管径减小，甚至堵塞（如图2），从而影响系统运行。针对这一问题，国内已有单位开展系统的研究工作。目前常用的有涂防污漆、电解铜铝防污和电解氯气防污等手段。因目前国内采用钛合金海水管系的船舶较少，以上几种方法的应用实践较少。其中电解氯气防污在滨海电厂的钛合金管路得到较多应用，使用效果良好。

图2 被海生物堵塞的钛合金管路

钛合金在海水管系的应用是一个系统的工程，除了管材材料规格齐全和电绝缘技术成熟，还要有防污技术、泵阀、管件材料制备技术、成熟的焊接技术等配套产品的工艺技术储备。目前，国内已制备了钛合金管件的国标和船用标准，也有部分厂家具备了多种规格钛合金管件的供货能力，国内船舶海水管路中采用钛合金阀门的型号仅有很少的小型船只，应用经验较少，相关的设计和研究工作开始也较晚，尚无法为大规模应用提供足够的技术和供货保障。钛合金海水管系所需的焊接技术已经比较完善，可以满足几乎所有工况的应用。

总之，钛合金是船舶海水管系材料未来的发展方向。目前国内相关应用经验较少，材料配套能力尚需进一步提升。