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化工文摘２００９年１期
碳纤维复合材料在航空航天
领域的开发与应用
◆ 顾超英
江苏省胥浦仪化宇辉公司人力资源部
１ 前言
碳纤维是由有机母体纤维 （粘胶丝、聚丙烯睛或沥青等）采用高温分解法在１０００￣３０００℃高温的惰性气体下碳化制成的，具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，是一种力学性能优异的材料。特别是聚丙烯腈 （ＰＡＮ）基碳纤维，其性能优越，更适合规模化生产，是当今碳纤维的主流，成为了军民两用的主导材料，广泛应用于国防、航空航天、高档民用产品。其实，碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，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、可加工成各种织物，沿纤维轴向表现出很高的强度。碳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。碳纤维作为高性能纤维的代表，属于高技术密集型产品，其生产技术复杂，产业发展涉及官、产、学、研各个环节。由于它是发展航天航空和军事工业等尖端技术必不可少的新材料，也是民用工业更新换代的基础材料，国外又对其出口进行封锁，所以近年来我国就一直比较重视对其研制和生产，虽然起步较早，投入不薄，但仍处于失利地位，很重要的一个方面是中国高技术产业创新系统存在的问题。
２ 碳纤维的研究历史
２．１ 世界碳纤维研究历史
１９５０年，美国Ｗｒｉｇｈｔ－Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ空军基地开始研制粘胶基碳纤维。１９５９年，最早上市的粘胶基碳纤维Ｔｈｏｒｎｅｌ－２５就是美国联合碳化物公司（ＵＣＣ）的产品。与此同时，日本研究人员也在１９５９年发明了用聚丙烯腈（ＰＡＮ）基原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院开发出了制造高性能ＰＡＮ基碳纤维的技术流程，使其发展驶入了快车道，ＰＡＮ基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流，产量占世界总产量的９０％左右。２０世纪７０年代中期，ＵＣＣ在美国空军和海军的资金支持下，研发高性能中间相沥青基碳纤维；１９７５年研发成功Ｔｈｏｒｎｅｌ Ｐ－５５（Ｐ－５５），在１９８０～１９８２年之间，又研发成功Ｐ－７５、Ｐ－１００和Ｐ－１２０，年产量为２３０ｔ。Ｐ－１２０的模最高达９６５ＧＰａ，是理论值的９４％，热导率是铜的１．６倍，线膨胀系数仅为－１．３３×１０－６／Ｋ，且在３７５℃空气中加热１０００ｈ仅失重０．３％￣１．０％，显示出优异的抗氧化性能。它们已广泛用于火箭喷管、导弹鼻锥、卫星构件、舰艇材料等方面。不仅美国国防部资助碳纤维工业的发展，美国国会也关注碳纤维。国际市场上碳纤维的全方位商业化始于２０世纪７０年代，７０年代是高尔夫球棒和钓鱼杆应用的引入和发展时期。而早在１９７１年的时候，日本东丽公司成了世界上第一制造商，从事ＰＡＮ基碳纤维的大型工业化生产，并将其产品命名为“ＴＯＲＡＹＣＡ”，是东丽碳纤维的缩写。目前，东丽是全球生产和营销碳纤维的领先者。在２０世纪８０年代早期，碳纤维开始被广泛地用在客机和航空飞行器上作为结构材料，主要在欧洲和北美进行应用。然后，人们提高了对碳纤维的认识，开始把它当成一种高质量的材料，并在２０世纪８０年代中期得到了飞速的增长在８０年代中期，欧洲空客公司开始将ＣＦＲＰ（碳纤维增强塑料）作为首要的结构材料应用在飞机上，而且，随着在网球和新的体育项目的应用，碳纤维市场得到了稳步的扩展。
２．２ 我国碳纤维研究历史
我国较早地意识到碳纤维的研制和生产对军事工业发展和国民经济具有重要作用，早在２０世纪６０年代末就开始研制碳纤维，经过４０余年的发展，碳纤维从无到有，从研制到生产取得了一定的成绩。但总的来说，国内碳纤维的研制与生产水平还较低，一直没有在高标号碳纤维研究上取得突破性进展。我国碳纤维产业未实现大规模工业化生产，产品规格单一。碳纤维的生产属于精细炭素工业，在生产过程中，单体、聚合、纺丝、油剂、预氧化、炭化及表面处理等工序环环紧扣，是一个多学科、多交叉的系统工程。国内先后有多家企业介入碳纤维的研发与生产，但多数均以失败告终，退出该领域。近些年来，由于我国对碳纤维需求量的日益增加，碳纤维又成为国内新材料业研发的热点。但是，除极个别企业外，大多数引进项目的技术和设备水平属国际中下等，生产的碳纤维产品也未达到高端水平。引进后的消化、吸收与创新是碳纤维行业面临的重大课题。如甘肃地区的腈纶生产线是我国最早引进的，有丰富的生产经验和技术积累，但是生产的原丝质量不高，与工艺相似的Ｃｏｕｒｔａｕｌｄｓ公司相比，质量相差很大。我国碳纤维产品应用主要依赖进口，制约了相关高技术的发展。我国碳纤维的主要用途包括体育器材、一般工业应用、航天航空和国防领域。其中体育
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器材用量最大，约占总消费量的 ８０％～９０％。造成这种消费结构特点的主要原因是韩国和我国台湾地区把体育器材产业转移到我国大陆沿海地区，提高了体育器材领域聚丙烯腈基碳纤维的用量。我国一般工业和航空航天领域碳纤维的应用尚有待扩大，我国国防产品用聚丙烯腈基碳纤维主要是规格为１Ｋ、３Ｋ、６Ｋ的相当于 Ｔ３００的产品。由于国外对我国实行产品和技术封锁，我国国防用聚丙烯腈基碳纤维主要来自于科研院所（如东华大学、中科院山西煤化所 ）及企业试验设备所生产的少量产品，质量不是太稳定。
３ 碳纤维与碳纤维复合材料在航空航天领域的应用
３．１ 碳纤维在航空航天领域的应用
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在９０％以上。它是由有机母体纤维（粘胶、沥青、聚丙烯腈等含碳量较高、在热处理过程中不熔融的化学纤维）经预氧化、碳化、石墨化等工艺制成。其主要用途是与树脂、金属、陶瓷、水泥等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强树脂基复合材料（ＣＦＲＰ）为典型代表，其比强度、比模量等性能是现有结构材料中最高的。
碳纤维在２０世纪５０～６０年代工业化，是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的。目前，有粘胶基、沥青基和聚丙烯腈（ＰＡＮ）基三种原料体系的碳纤维，粘胶基和沥青基碳纤维用途较单一，产量有限，ＰＡＮ基碳纤维由于生产工艺较简单，产品力学和高温性能优异，而且兼有良好的结构和功能特性，发展较快，已成为高性能碳纤维发展和应用最主要和占绝对优势的品种，是当前碳纤维的主流，其产量占９０％左右。碳纤维主要用于高性能结构及功能复合材料，在航空、航天、兵器、船舶及核工业等国防领域具有不可替代的作用，同时广泛用于体育休闲用品和产业领域，是世界各国高度重视的战略性基础材料。目前，主要产品是包括以美国为代表的大丝束碳纤维（４８￣４８０Ｋ）和以日本为代表的小丝束碳纤维（１￣２４Ｋ）两大类。日本不仅是碳纤维的主要生产国，而且是世界各国高质量ＰＡＮ基碳纤维的供给国，垄断了小丝束碳纤维（标准产品为１２Ｋ／２４Ｋ）的生产，左右着世界的碳纤维市场。东丽公司生产的小丝束碳纤维其产量和质量居世界前列，代表了当今碳纤维的世界水平。２００６年，世界ＰＡＮ基碳纤维的生产能力为３．８万ｔ／ａ（其中小丝束２．９２万ｔ／ａ、大丝束０．８８万ｔ／ａ），生产量为２．７万ｔ。由于供不应求，一些生产厂家正在扩大生产能力，估计２００８年世界碳纤维的生产能力达到４．８６万ｔ／ａ。从２００５年开始，世界对碳纤维的应用表现出极大兴趣，特别是大型民用客机开始大规模使用碳纤维复合材料，市场供求紧俏，价格上扬，２００６年更是有价无市。第一波士顿信贷银行（ＣＳＦＢ）人士指出，未来几年，世界碳纤维需求将以年均两位数快速增长，市场供应短缺至少将延续到２００９年，甚至有可能会延长到２０１２年。研制大型飞机要突破许多关键技术，其中之一是“先进复合材料结构设计技术”，这就离不开碳纤维。碳纤维以其优异的性能已经广泛应用于飞机制造业，最突出的主要性能是强度大、模量高、比重小、质量轻。另外，还具有耐高温、耐疲劳、耐腐蚀、耐高导和耐稳定性等一系列优异性能，而且与其他材料的相容性高，兼备纺织纤维的柔软可加工性，容易复合，设计自由度大。碳纤维的这种特性决定了它可以应用于航空航天、体育休闲、交通运输、医疗卫生、土木建筑等诸多领域。
在航空航天领域，利用碳纤维的耐高温、比强度高和比模量高等力学特性作为航空、航天、飞机、飞船等的结构材料使用。如飞机的一次构造材料：主翼、尾翼和机体等；二次构造材料：副翼、方向盘、升降舵、内装材料、地板材、刹车片及直升机的叶片等；火箭的排气锥体、发动机（盖、壳体、燃烧室、喷管、喉衬、扩散段）、助推器壳体等；导弹武器的整流罩、弹体、端头、喷管、扩散段等；人造卫星的承力结构、热防护系统、太阳能电池基板、复杂曲面天线、连接架等；宇宙飞船的翼面板和支撑构件等。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为主要材料。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％。世界碳纤维在航空航天领域的使用量，２００６年为３７７５ｔ，占总用量的１５．６％，预计２０１０年将增加到５３８９ｔ，占１６．９％。我国碳纤维在航空航天领域的应用量远远低于世界水平，２００５年为１２０ｔ，占总用量的２．７％，预计２０１０年将增加到２５０ｔ，占４．１％。
３．２ 碳纤维复合材料在大型飞机上的应用
碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）具有质量轻等一系列优异特性，在飞机制造业广泛应用。首先战斗机中的使用量增加迅速，如美国超级“大黄蜂”（Ｆ／Ａ－１８Ｅ／Ｆ）的ＣＦＲＰ用量占约１９％、法国“阵风”的用量占约２４％、英国“台风”（ＥＰ２００）的用量占约４０％。直升机也大量使用ＣＦＲＰ，如日本“ＯＨ－１忍者”的机身用量为４０％，桨叶等也用ＣＦＲＰ制造。我国先进的直升机也大量使用ＣＦＲＰ。特别是近年来在大型客机Ａ３８０和Ｂ７８７上的使用量增加更快，目前已占结构总量的５０％左右，成为制造大型飞机的主体材料，已引起人们极大关注。如波音公司１９８２年波音７６７型飞机主要在垂直尾翼发动机上使用一些碳纤维，１架飞机使用ＣＦＲＰ为１．５ｔ，其中碳纤维的实际用量约１ｔ。１９９５年推出的波音７７７型飞机，除了垂直尾翼以外，水平尾翼、机身和里面的地板支撑材料等也开始使用碳纤维，１架飞机的复合材料用量为９．６ｔ，实际碳纤维用量６．５ｔ。波音公司称，大量使用复合材料将减少更多的维修时间和费用，而且每架飞机可节省燃料约２０％。空中客车公司估计目前１架Ａ３４０／５００和Ａ３４０／６００飞机使用的复合材料将近６ｔ，新的Ａ３８０客机使用复合材料为２５～３０吨／架，其中８５％是ＣＦＲＰ。中等尺寸的Ａ３５０飞机预测到２０１０～２０１１年将充分生产，需用复合材料１６～２０吨／架，使飞机结构材料比例提升到４１％左右。
通用级Ｔ３００碳纤维及其ＣＦＲＰ可用来制造飞机的二次
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结构部件，满足不了制造一次结构部件的要求。后来开发成功的高强中模型碳纤维使抗拉强度、抗拉模量、断裂伸长等性能有了大幅度提高，由韧性环氧树脂所制造的ＣＦＲＰ就可以制造大型飞机的一次部件和二次部件。目前应用的高强中模型碳纤维有东丽公司的Ｔ７００ＳＣ和Ｔ８００Ｈ、东邦人造丝公司的ＩＭ４００和Ｉｍ６００、三菱人造丝公司的ＭＲ５０及赫克塞尔（Ｈｅｘｃｅｌ）公司的ＩＭ７、ＩＭ７－５００、ＩＭ７－６００等。市场需求是碳纤维发展的动力。１９８１年波音公司提出要求高强度、高伸长的碳纤维，促进了高性能碳纤维的研发。１９８４年日本东丽公司率先研制成功碳纤维Ｔ８００，１９８６年又进一步研制出了Ｔ１０００。随后，日本东邦人造丝公司、三菱人造丝公司和美国赫克塞尔公司相继研制出同类型的高性能碳纤维，为大型飞机的制造提供了新型复合材料。从此，ＣＦＲＰ在大型飞机上的使用量直线上升，也促进了碳纤维工业的发展和先进复合材料技术的日趋完善。ＣＦＲＰ是制造飞机的最好材料，碳／碳复合材料（Ｃ／Ｃ）则是制造飞机刹车装置的优异材料。先进的Ｃ／Ｃ刹车装置可以有效地使飞机降落过程中的动能转化为热能，不仅刹车制动的安全可靠性提高，而且可以有效地减轻质量，在战斗机和客机上都广泛使用。
４ 结束语
２１世纪是复合材料的世纪，碳纤维作为复合材料的首选原材料之一应用广泛，需求不断增长，发展前景看好。随着国民经济的发展、科学技术的进步，碳纤维的应用领域不断扩大，特别是大型飞机项目的再次启动，碳纤维市场必将进一步增长，需求量会越来越大，必然促进碳纤维工业的发展。我国碳纤维工业将进入一个快速发展期，一定能够为大型飞机的制造做出自己的贡献。
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