碳纤维在制造大型飞机中的应用

1、碳纤维在制造大型飞机中的应用去年，我国正式启动了大型飞机制造计划，这是一个振奋人心的喜讯，几十年的梦想就要实现了，人们受到极大鼓舞。现在，制造大型飞机离不开碳纤维，我国化学纤维工业“十一五”发展规划中已将碳纤维列为鼓励发展的高新技术纤维首位。制造大型飞机将促进我国碳纤维工业的快速发展，发展碳纤维也必将为我国的大型飞机制造做出贡献，并促进我国化纤工业的合理化。1、大型飞机制造项目再次启动我国航空事业已有50多年的历史，其产业规模仅次于美国和俄罗斯。制造大型飞机是我国40年的梦想，因为这是衡量一个国家科技水平、工业水平和综合国力的重要标志之一，我国从第一代领导人开始就有制造大型飞机的愿望。毛泽东主

2、席曾经说过：“我们是一个大国，世界上有的东西，我们不能样样都有，但是重要的东西，如飞机和汽车，我们就一定要有”。1970年8月，我国第一个大型飞机项目“运十”正式启动，并于1982年9月首飞上天，只比欧洲晚起步2年，遗憾的是以后搁浅了，没有继续发展。直到2006年2月9日，国务院颁布“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006年2020年”，大型飞机被确定为“未来15年力争取得突破的16个重大科技专项”之一。2007年2月，国务院常务会议原则上同意大型飞机立项，并批准了在2020年前开始制造大型飞机的计划。同年12月，温总理在西安视察时，再次表达了中国发展大型飞机的决心：“国家已经对外宣布了，

3、就是说我们必要做(大型飞机 ，而且一定要成功！”。大型飞机是指起飞重量超过100吨的运输类飞机，包括军用和民用大型运输机，也包括150座以上的干线飞机。大型飞机制造工艺复杂，涉及行业门类众多，目前国际干线飞机市场一直被波音、空客两家公司所垄断。我国重新启动大型飞机制造计划，是基于多年来科学领域的预先研究，综合国力的不断增强和机械、电子、冶金、化工、材料、能源、信息及计算机等许多基础产业和高新技术的发展，也说明我们已经具有了经验积累、经济实力和技术基础。特别是“运十”和ARJ21支线客机的制造成功等为我国研制大型飞机奠定了基础，我们的国产大型飞机将一定如期飞上蓝天。2、碳纤维在航空航天领域的应用

4、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。碳纤维开始于19世纪60年代，在20世纪5060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

5、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(48K480K 和以日本为代表的小丝束碳纤维(1K24K 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

6、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3.8万吨年(其中小丝束2.92万吨年、大丝束0.88万吨年 ，生产量为2.7万吨。由于供不应求，一些生产厂家正在扩大生产能力，预计2008年世界碳纤维的生产能力将达到4.86万吨年。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

7、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；

8、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。

9、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

10、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

11、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A340600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2530吨架，其中85%是CFRP 。中等尺寸的A350飞机预测到20102011年将充分生产，需用复合材料1620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

12、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

13、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

14、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(5800 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、 T7

15、00 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

16、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

17、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