碳纤维复合材料在航空航天领域的应用.pdf

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1、 18 玻璃钢 2007 年第 1 期 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

2、个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。2005 年世界碳纤维的耗用量已超过 2 万吨，图 1 为 21 世纪前十年碳纤维需求量的统计预测情况。航空航天领域的碳纤维需求情况见表 1 所示，约占总消耗量的 20左右。图 1 世界碳纤维需求量(单位:吨)综 述 19 表表 1 世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测 按应用领域对碳纤维的需求 用 量 年 份 航空航天 运动休闲 工业应用 总计 2001 2690 4690 10520 17,900 2002 2140 4670 11490 18,300 2003 2457 5012 11741 19,21

3、0 2004 2741 5081 12858 20,680 2005 3215 5101 13604 21,920 2006 3775 5135 15280 24,190 2007 4170 5097 17003 26,270 2008 4741 5107 17892 27,740 2009 5201 5104 19205 29,510 2010 5389 5118 21408 31,910（“2004 碳纤维前景会议”会议资料：东丽集团法国 Soficar 公司报告）可以明显看出，航空航天领域需求量有大幅度增加。2001 年航空航天领域对碳纤维的需求为 2690t，2002 年和 2003

4、年对碳纤维的需求量有所减少，2002 年约减少 20%，2003 年则减少约 9%。2003 年以后航空航天领域对碳纤维的需求出现快速增长，2006 年与 2001 年相比将增长约 40%，2008 年将增长约 76%，到 2010 年和 2001 年相比预计增长超过 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。1 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

5、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2728%。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

6、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料。20 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、P

7、PS，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P22 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。图3 美国B-2隐身轰炸机（机身基材）图 2 美国 F22 军用飞机 2

8、1 图4 幻影III战斗机 图5 美F117A隐身轰炸机（减速降落伞盖和弹射装置）（肋条及蒙皮等）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。图6 苏37战斗机 图7 中国新型战斗轰炸机“飞豹”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

9、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

10、龙骨梁和复合材料后密封 22 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。图 8 空中客车 A-380 除了 CFRP 的大面积的应用，A380 飞机在复合材料的制作技术又前进了一步，采用了先进的自动铺带(ATL)工艺，这一工艺特别适合制造大型曲

11、面，目前它已在空中客车公司西班牙的伊列斯卡斯工厂用来生产 A380 的水平尾翼。斯塔德工厂和法国的南特工厂也正在开发相关技术。我国成都、沈阳、西安和贵州航空工业集团，均分别为空中客车制造机翼部件、客舱门和维修工具等。全世界 180 多家航空公司运营的大约 3000 架空中客车飞机中，有四分之一安装上了中国生产的零部件。2004 年 6 月开始，中国航空工业第一集团公司已参与到 A380的制造之中。日前，采用复合材料为原料的 A380 前起落架舱的上面板和侧面板已确定由沈飞制造，西飞生产电子舱门，中国参与 A380 项目标志着空中客车与中国的飞机制造业进入了一个新的里程碑。在 A380 的挑战下

12、，波音公司急起直追，开始了以大量采用复合材料，低燃料消耗、高巡航速度、高效益及舒适的客舱环境，可实现更多的点对点不经停直飞航线为主要特点的787 新型飞机的研制，将于 2007 年首飞，2008 年认证、交货及运行。该机属于 200 座至 300座级飞机，航程随具体型号不同可覆盖 6500 至 16000 公里。强调在燃油消耗与波音 767 和空客 330 相当的情况下，飞行速度接近音速（0.8 倍音速）而向市场推出的“音速巡航者”(Sonic Cruiser)是该飞机赖以与 A380 较量的靓点之一。为此，除了采用新型的发动机和创新的流线型机翼设计外，决定在 787 的主体结构(包括机翼和机

13、身)上大量采用先进的复合材料。这将使波音 787 成为有史以来第一款在主体结构上采用 CFRP 先进复合材料，重量比例将达到空 23 前的 50%的民用飞机。（此前仅 20左右）随之，可使 B787 比目前同类飞机燃油消耗节省20%。超过了 A380 的节油比例，这在石油价格飙升的今天，也是可与 A380 比美的一大优点。今年 6 月，波音公司与中国航空工业达成了价值约为 6 亿美元的转包生产协议。将拥有最新技术的全新 787 飞机的复合材料方向舵、翼身整流罩和垂直尾翼前缘分别授予成飞、哈飞和沈飞生产，使他们成为波音的全球供应商。图 9 波音 787 飞机 图 10 比奇首相一号飞机 最大使用

14、马赫数为 0.8M，载客 8 人，最大航程为 10560 公里（5700 海里）法国达索航空公司最新推出的猎鹰（Falcon）7X 公务机以及 6 人客舱，可轻松飞到 12000 米高空，巡航时速达 835 公里，航程 2759 公里雷神公司推出的比奇首相 1 号超轻型公务机，都是全复合材料机身最先进的轻型喷气机。日本新型运输机 ALELEX 上也使用了大量碳纤维复合材料。图 11 猎鹰 7X 公务机 图 12 日本 ALELEX 运输机 24 2 航天领域的新进展(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

15、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

16、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。由于粘胶基原丝的生产由于财经及环保危机的加剧，航天级粘胶碳丝原料的来源一直是美国及西欧的军火商们深感棘手的恼头问题。五年前，法国SAFRAN公司与美国Waterbury FiberCote Industries 公司以有充分来源的非航天级粘胶原丝新原料开发成功名为 Raycarb C2TM 的新型纤维素碳布，并经受了美军方包括加工、热/结构性质及火焰冲刷试验在内的全部资格测试，在固体发动机的全部静态试验中都证明该替代品合格，2004 年十一月，该碳布/酚醛复合材料已用于阿里安娜 V Flig

17、ht164 上成功飞行。图 13 美国大力神战略弹道导弹 图 14 美国三叉戟-2 舰队弹道导弹发射 25 图 15 法国阿里安娜 V 型导弹 俄罗斯洲际弹道陆上导弹阵列中的中流砥柱，号称是世界最先进、无任何兵器能够拦截的多功能洲际弹道导弹 SS-27 型“白杨-M”，射程在 10000 公里以上，采用空间小动量火箭技术，其末段呈“M”形，被拦截的可能性大大降低，而且可以携带 36 枚分导式核弹头，每个子弹头当量约为 75 万吨 TNT 炸药，攻击力极强；在其服役期还有 20 余年之际，俄国又开始了它的升级型“白杨-M2”的研制，这种导弹使用功率更强大的新型固体燃料发动机，射程及飞行速度均增加

18、一倍，导弹采用主动姿态控制系统等先进制导技术，飞行过程中弹体平稳，不会发生翻转。导弹命中精度误差小于 90 米。此外，为了提升突防能力，其具有额外机动能力，将装配 10 个辅助发动机，可连续变更自己的位置，变化莫测、防不胜防，且能从机动路途中的任意一个点发射；由于具有特殊的飞行弹道，弹头在 9 万米高度再入大气层时，能在以飞行轨迹为圆心的半径 5 公里圆圈内实施纵向或横向机动，提高了突防能力。可以使美国 NMD 系统的功能失效。俄国海上导弹系统中的佼佼者是“圆锤”（布拉瓦）型潜艇发射导弹，该导弹发射机动性好，同时拥有海基和陆基两种打击版本，可以携带 610 枚分导式核弹头，配备在海军“台风”级

19、，以及未来新型“北风之神”级核潜艇上，可以突破敌方导弹防御系统，有效摧毁全球任何地方的敌方目标。其与“白杨M”型导弹一起，共同构成俄罗斯 2040 年前核防备力量核心，使得俄罗斯在核力量上与美国“平分秋色”。这些新型导弹能够轻松突破未来的任何导弹防护网，预计在接下来的 15 至 20 年内“天下无敌”。它们的发动机喷管及大面积防热层均使用粘胶基碳纤维增强的酚醛复合材料。26 图 16 运往发射场的“白杨M”洲际导弹 图 17 俄国潜艇发射“圆锤”（布拉瓦）导弹 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，

20、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。图 18 中国东风系列地地导弹 图 19 在发射架上的洲际导弹（2）卫星、航天飞机及载人飞船 图 20 空间工作站 图 21 卫星及其太阳能电池板支架 27 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

21、材料。图 22 日本 HOPE 号航天飞机 图 23 美国发现号航天飞机 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 FRICHRSI；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。图 24 神州六号飞船 28 从 1996 年 11 月 20

22、 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。英国开发生物降解塑料 英国贸工部（DTI）将向两个复合材料项目提供资助：一个是开发生物降解塑料，另一个是生产可循环塑料。Combine 项目是由复合材料研究和咨询公司 NetComposites 领导的，获得资金 27.8 万英磅，致力于开发耐用的生物降解塑料

23、，主要用于汽车车门和轮船外壳。研究人员称，由于天然纤维在注射成型时只可作为短纤维使用，而对模压成型来说只能作为无规毡使用，因此现有的生物降解塑料对于结构部件来说不够强韧。大多数天然纱是缠绕的，使得用粘性的热塑性树脂浸渍较为困难。在为期 30 个月的项目中，要把大麻和亚麻纤维制成连续长丝，织成高性能织物。在和聚乳酸（PLA）的生物塑料结合之后，就可用真空袋成型和模压成型制造部件。该项目生产的零部件包括船舶舵手室顶以及移动保育器。第二个项目称 FuturePlas，目的是发展更加坚韧、轻量的可循环塑料。聚合物纤维将被运用于增强聚合物，与传统塑料相比，这些产品具有高强度、高刚度和抗挤压的特性。研究人员解释，自我增强的聚丙烯片材已经研发出来了，但是在应用方面仍有限，并且不易成型为复杂的形状。该项目将开发的聚合物，在经过注射成型和模压成型后可用于制造高性能、轻量、复杂零部件产品。将生产 3 个品种以对其进行研究：一个是汽车前端组件，第二个是汽车门，第三个是工业安全头盔。DTI 对该项目将投入 31.6 万英磅，也是由 NetComposites 牵头。Combine：bineproject.org.uk FuturePlas：www.futureplas.org.uk NetComposites：