碳纤维在制造大型飞机中的应用

　　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、设计自由度大等。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。太空站和天地往返动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。世界碳纤维在航空航天领域的使用量，2006年为3775吨，占总用量的15.6%，预计2010年将增加到5389吨，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120吨，占总用量的2.7%，预计2010年将增加到250吨，占4.1%。

　　3、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1.5吨，其中碳纤维的实际用量约1吨。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9.6吨，实际碳纤维用量6.5吨。预计在2008年制造的波音787型飞机，除上述部位以外，整个机身的主要部分包括流线型罩等都使用碳纤维，1架飞机使用的GFRP将达到30吨，实际碳纤维用量超过20吨。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6吨，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，与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、我国碳纤维市场需求和生产状况

　　我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨／年原丝、200吨／年PAN基碳纤维(T300)，使我国碳纤维工业进入了产业化。随后，一些厂家相继加入碳纤维生产行列。据不完全统计，2006年，我国已有12家生产规模大小不一(5～800吨／年)的PAN基碳纤维生产厂家，合计生产能力为1310吨／年，产品规格为1K、3K、6K、12K。但由于一些企业没有原丝可烧，2006年国内碳纤维的总产量只有40吨左右，而且产品质量不太稳定，大多数达不到T300水平。可喜的是从2000年开始我国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前利用自主技术研制的国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。

　　随着近年来我国对碳纤维的需求量日益增长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料行业研发的热点。据不完全统计，目前拟建和在建的碳纤维生产企业有11家，合计生产能力为原丝7100吨／年、碳纤维1560吨／年，其中在建企业为4家，合计生产能力为原丝1100吨／年、碳纤维470吨／年。

　　尽管我国碳纤维生产发展缓慢，而消费量却一直在逐渐增加，市场需求旺盛。主要用途包括体育器材、一般工业和航空航天等，其中体育休闲用品的使用量最大，占消费量的约80%～90%。据业内人士预计，2006年，我国碳纤维的需求量已超过3000吨，2007年将超过3500吨，2010年将突破5000吨达到5800吨。主要应用领域为：成熟市场有航空航天及国防领域(飞机、火箭、导弹、卫星、雷达等)和体育休闲用品(高尔夫球杆、渔具、网球拍、羽毛球拍、箭杆、自行车、赛艇等)；新兴市场有增强塑料、压力容器、建筑加固、风力发电、摩擦材料、钻井平台等；待开发市场有汽车、医疗器械、新能源等。

　　我国碳纤维复合材料的研制开始于20世纪70年代中期，经过近40年的发展，已取得了长足进展，在航天主导产品(弹、箭、星、船)上得到了广泛应用。近年来，我国体育休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的需求迅速增长，航空航天技术的快速发展急需高性能碳纤维及其复合材料等，市场需求更加旺盛。

　　为了满足国内市场对碳纤维不断增长的需求，应尽快实现我国碳纤维工业的国产化和规模化。为此，必须加快技术创新，掌握核心技术；加速原丝技术开发，研制高纯度原丝；强化应用研究和市场开发，进一步扩大应用领域。碳纤维在我国大有发展前途，但应总结涤纶等化纤发展的经验教训，避免盲目发展，实现健康发展。

　　为了大型飞机的制造和航空航天事业的发展，我国还必须尽快地实现高强中模型碳纤维的产业化。但是，因为高性能碳纤维是发展航空航天等尖端技术必不可少的材料，长期受到以美国为首的巴黎统筹委员会的封锁。虽然“巴统”在1994年3月解散了，但禁运的阴影仍然存在。即使对我国解除了禁运，开始也只能是通用级碳纤维，而不会向我们出售高性能碳纤维技术和设备。因此，发展高性能碳纤维必须要靠我们自己。我国化学纤维工业“十一•五”发展规划中提出了“从以增加数量为主转向大力发展高新技术纤维”，特别是把事关国家产业安全的高新技术纤维材料作为重中之重，而且碳纤维被列为首位，是国家迫切需要短期内突破的高新技术纤维品种，为我国碳纤维的发展创造了条件，我们要抓住这一机遇，自力更生、努力创新，发展具有自己知识产权的碳纤维，以满足不断增长的市场需求。

　　5、结语

　　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。