碳纤维材料在航空领域的应用
1. 引言
碳纤维是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。碳纤维由于具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导电和导热等性能，因而使其成为一种兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征的化工新材料，是新一代增强纤维。目前，碳纤维不仅广泛应用军事工业，而且在汽车构件、风力发电叶片、核电、油田钻探、体育用品、碳纤维复合芯电缆以及建筑补强材料领域也存在巨大应用空间， 而其在航空领域的光辉业绩尤为引人注目。
2.碳纤维的发展
碳纤维应宇航工业对耐烧蚀和轻质高强材料的迫切需求发展起来，它主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是继玻璃纤维之后出现的第二代纤维增强塑料。碳纤维的含碳量在90%以上，具有优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有高比强度和高比模量。在2000℃以上高温惰性环境中，碳纤维是唯一一种强度不下降的物质。此外，它还兼具其它多种得天独厚的优良性能，更可贵的是，碳纤维与其它材料具有很高的相容性，兼备纺织纤维的柔软可加工性，并且容易复合，具有很大的设计自由度。这就使得碳纤维成为纤维增强材料中发展迅速、应用范围很广、适于不同领域要求的纤维材料。
研制大型飞机要突破许多关键技术，其中一项是“先进复合材料结构设计技术”， 这项技术离不开碳纤维。碳纤维的需求在各用途领域都不断增长， 特别是急速增长的航空航天领域拉动了碳纤维全体的增长。
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。自玻璃纤维与有机树脂复合得到的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，而且性能不断得到改进，使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。碳纤维复合材料与铝合金、钛合金、合金钢一起成为飞机机体的四大先进结构材料。
3. 碳纤维复合材料在航空领域的具体应用
碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70％~80％，在军用飞机上占30％~40％，在大型客机上占15％~50％。
（1） 碳纤维树脂基复合材料
碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有质量轻等一系列突出的性能，在对重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具有很大优势。
碳纤维增强树脂基复合材料已成为生产武器装备的重要材料。AV―8B 改型“鹞”式飞机是美国军用飞机中使用复合材料多的机种，其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26％， 使整机减重9％，有效载荷比AV―8A飞机增加了一倍。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。
直升飞机上碳纤维增强树脂基复合材料的用量更是与日俱增。武装了驻港部队并参加了2007 年上海合作组织在俄罗斯反恐军演的直-9 型直升飞机，是我国先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生产的OH-1 “忍者” 直升飞机，机身的40％是用CFRP，桨叶等也用CFRP 制造。
在民用领域，大的飞机A380 由于CFRP 的大量使用， 创造了飞行史上的奇迹。这种飞机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)。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高飞机的低15%~20%成为个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。
（2） 碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是以碳纤维及其制品（碳毡或碳布）作为增强材料的复合材料。因为它的组成元素只有一个（即碳元素），因而碳/碳复合材料具有许多碳和石墨材料的优点，如密度低（石墨的理论密度为2.3g/cm3）和优异的热性能， 即高的热导率、低热膨胀系数，能承受极高的温度和极大的热加速率， 有极强的抗热冲击，在高温和超高温环境下具有高强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻质难熔的优良特性，碳纤维增强基体的复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料，都会选用碳/碳复合材料。另外还大量用作高超音速飞机的刹车片，目前，国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。这种刹车副不仅质量轻、抗热冲击性好、摩擦系数稳定、使用寿命长，更为方便的是可设计性强，性能便于调节。还可制作发热元件和机械紧固件、涡轮发动机叶片和内燃机活塞等。[-page-]
4. 我国碳纤维复合材料发展现状
现代的碳纤维是以聚丙烯腈、人造丝或木质素为原丝，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起高温分解并且碳化后得到的，还不能直接用碳或石墨来制取。
据了解，目前碳纤维产能约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。在以“高性能聚丙烯腈碳纤维制备的基础科学问题”为主题的第335次香山科学会议上，会议执行主席、自然科学基金委员会师昌绪院士指出，与国外技术相比，我国碳纤维领域还存在较大差距。2007年，我国碳纤维产能仅200吨左右，而且主要是低性能产品。由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，目前国内企业尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。这就使得我国碳纤维在质量、技术和生产规模等方面均与国外存在很大差距，绝大部分高性能增强材料都长期依赖进口，价格非常昂贵。由于缺乏创新与集成和应用领域的拓展， 极大地制约了我国碳纤维复合材料工业的发展。
基于我国高性能碳纤维复合材料产业尚不能满足国民经济快速、健康、持续发展的需求，发展改革委2008~2009 年组织实施高性能纤维复合材料高技术产业化专项，重点支持碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维及其高性能复合材料的生产技术及关键装备的产业化示范，以满足国民经济以及航空航天等高技术产业发展的需求，培育一批具有国际竞争力的龙头企业。这一举措将为我国从材料大国转变为材料强国奠定坚实的基础。今年5月，由鹰游纺机自主研发的碳纤维生产线和神鹰碳纤维项目通过级验收，标志着我国碳纤维生产已成功实现国产化和产业化。
5. 结语
我国对发展碳纤维复合材料所做的努力是有目共睹的， 而且所取得的成绩和进步也是令人振奋的， 但是仍然较发达落后，如何提高产品品质、降低成本、减少能耗和污染、开拓新的应用领域， 将是一项重要而长期的任务。
参考文献：
[1] 贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2004.
[2] 益小苏.先进复合材料技术研究与发展[M].北京：国防工业出版社，2006.
[3] 胡保全,牛晋川.先进复合材料[M].北京：国防工业出版社，2006.
[4] 陈绍杰.聚焦碳纤维[J].高科技纤维与应用，2006，1.
[5] 黎小平，张小平，王红伟.碳纤维的发展及应用现状[J].高科技纤维与应用，2006，2.
[6] 张世平.碳纤维/环氧树脂复合材料的应用开发新动向[J].科技信息，2007，24.
碳纤维是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。碳纤维由于具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导电和导热等性能，因而使其成为一种兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征的化工新材料，是新一代增强纤维。目前，碳纤维不仅广泛应用军事工业，而且在汽车构件、风力发电叶片、核电、油田钻探、体育用品、碳纤维复合芯电缆以及建筑补强材料领域也存在巨大应用空间， 而其在航空领域的光辉业绩尤为引人注目。
2.碳纤维的发展
碳纤维应宇航工业对耐烧蚀和轻质高强材料的迫切需求发展起来，它主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是继玻璃纤维之后出现的第二代纤维增强塑料。碳纤维的含碳量在90%以上，具有优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有高比强度和高比模量。在2000℃以上高温惰性环境中，碳纤维是唯一一种强度不下降的物质。此外，它还兼具其它多种得天独厚的优良性能，更可贵的是，碳纤维与其它材料具有很高的相容性，兼备纺织纤维的柔软可加工性，并且容易复合，具有很大的设计自由度。这就使得碳纤维成为纤维增强材料中发展迅速、应用范围很广、适于不同领域要求的纤维材料。
研制大型飞机要突破许多关键技术，其中一项是“先进复合材料结构设计技术”， 这项技术离不开碳纤维。碳纤维的需求在各用途领域都不断增长， 特别是急速增长的航空航天领域拉动了碳纤维全体的增长。
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。自玻璃纤维与有机树脂复合得到的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，而且性能不断得到改进，使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。碳纤维复合材料与铝合金、钛合金、合金钢一起成为飞机机体的四大先进结构材料。
3. 碳纤维复合材料在航空领域的具体应用
碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示，目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70％~80％，在军用飞机上占30％~40％，在大型客机上占15％~50％。
（1） 碳纤维树脂基复合材料
碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有质量轻等一系列突出的性能，在对重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具有很大优势。
碳纤维增强树脂基复合材料已成为生产武器装备的重要材料。AV―8B 改型“鹞”式飞机是美国军用飞机中使用复合材料多的机种，其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26％， 使整机减重9％，有效载荷比AV―8A飞机增加了一倍。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。
直升飞机上碳纤维增强树脂基复合材料的用量更是与日俱增。武装了驻港部队并参加了2007 年上海合作组织在俄罗斯反恐军演的直-9 型直升飞机，是我国先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生产的OH-1 “忍者” 直升飞机，机身的40％是用CFRP，桨叶等也用CFRP 制造。
在民用领域，大的飞机A380 由于CFRP 的大量使用， 创造了飞行史上的奇迹。这种飞机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)。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高飞机的低15%~20%成为个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。
（2） 碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是以碳纤维及其制品（碳毡或碳布）作为增强材料的复合材料。因为它的组成元素只有一个（即碳元素），因而碳/碳复合材料具有许多碳和石墨材料的优点，如密度低（石墨的理论密度为2.3g/cm3）和优异的热性能， 即高的热导率、低热膨胀系数，能承受极高的温度和极大的热加速率， 有极强的抗热冲击，在高温和超高温环境下具有高强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻质难熔的优良特性，碳纤维增强基体的复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料，都会选用碳/碳复合材料。另外还大量用作高超音速飞机的刹车片，目前，国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。这种刹车副不仅质量轻、抗热冲击性好、摩擦系数稳定、使用寿命长，更为方便的是可设计性强，性能便于调节。还可制作发热元件和机械紧固件、涡轮发动机叶片和内燃机活塞等。[-page-]
4. 我国碳纤维复合材料发展现状
现代的碳纤维是以聚丙烯腈、人造丝或木质素为原丝，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起高温分解并且碳化后得到的，还不能直接用碳或石墨来制取。
据了解，目前碳纤维产能约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。在以“高性能聚丙烯腈碳纤维制备的基础科学问题”为主题的第335次香山科学会议上，会议执行主席、自然科学基金委员会师昌绪院士指出，与国外技术相比，我国碳纤维领域还存在较大差距。2007年，我国碳纤维产能仅200吨左右，而且主要是低性能产品。由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，目前国内企业尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。这就使得我国碳纤维在质量、技术和生产规模等方面均与国外存在很大差距，绝大部分高性能增强材料都长期依赖进口，价格非常昂贵。由于缺乏创新与集成和应用领域的拓展， 极大地制约了我国碳纤维复合材料工业的发展。
基于我国高性能碳纤维复合材料产业尚不能满足国民经济快速、健康、持续发展的需求，发展改革委2008~2009 年组织实施高性能纤维复合材料高技术产业化专项，重点支持碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维及其高性能复合材料的生产技术及关键装备的产业化示范，以满足国民经济以及航空航天等高技术产业发展的需求，培育一批具有国际竞争力的龙头企业。这一举措将为我国从材料大国转变为材料强国奠定坚实的基础。今年5月，由鹰游纺机自主研发的碳纤维生产线和神鹰碳纤维项目通过级验收，标志着我国碳纤维生产已成功实现国产化和产业化。
5. 结语
我国对发展碳纤维复合材料所做的努力是有目共睹的， 而且所取得的成绩和进步也是令人振奋的， 但是仍然较发达落后，如何提高产品品质、降低成本、减少能耗和污染、开拓新的应用领域， 将是一项重要而长期的任务。
参考文献：
[1] 贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2004.
[2] 益小苏.先进复合材料技术研究与发展[M].北京：国防工业出版社，2006.
[3] 胡保全,牛晋川.先进复合材料[M].北京：国防工业出版社，2006.
[4] 陈绍杰.聚焦碳纤维[J].高科技纤维与应用，2006，1.
[5] 黎小平，张小平，王红伟.碳纤维的发展及应用现状[J].高科技纤维与应用，2006，2.
[6] 张世平.碳纤维/环氧树脂复合材料的应用开发新动向[J].科技信息，2007，24.
