第一篇：碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用及其在電線電纜中的發(fā)展建議

碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用及其在電線電纜中的發(fā)展建議

一、碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展和戰(zhàn)略地位

碳纖維的出現(xiàn)是材料史上的一次革命。碳纖維是目前世界首選的高性能材料，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗疲勞、導(dǎo)電、質(zhì)輕、易加工等多種優(yōu)異性能，正逐步征服和取代傳統(tǒng)材料?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航天、航空和軍事領(lǐng)域。世界各國均把發(fā)展高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)放在極其重要的位置。碳纖維除了在軍事領(lǐng)域上的重要應(yīng)用外，在民品的發(fā)展上有著更加廣闊的空間，并已經(jīng)開始深入到國計(jì)民生的各個領(lǐng)域。在機(jī)械電子、建筑材料、文體、化工、醫(yī)療等各個領(lǐng)域碳纖維有著無可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢。

碳纖維是50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要而產(chǎn)生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現(xiàn)，這在技術(shù)上是又一次飛躍，同時也標(biāo)志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進(jìn)入一個高級階段。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，碳纖維及其復(fù)合材料已從初創(chuàng)期轉(zhuǎn)入增長發(fā)展期，其工業(yè)地位已基本確立，美、日、英、法、德等國的碳纖維產(chǎn)量已經(jīng)占世界產(chǎn)量的絕大部分，并已逐步形成壟斷優(yōu)勢。

我國對碳纖維的研究由于起步較晚，技術(shù)力量薄弱，雖然碳纖維及其復(fù)合材料在我國已被納入國家“863”和“973”計(jì)劃，但總體情況不盡理想，我國仍不具備成熟的碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，國防和民用碳纖維產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口。

二、碳纖維復(fù)合材料的性能和用途

碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是由含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成的。其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度，且碳纖維比重小。

1、碳纖維的化學(xué)性能

碳纖維是一種纖維狀的碳素材料。我們知道碳素材料是化學(xué)性能穩(wěn)定性極好的物質(zhì)之一。這是歷史上最早就被人類認(rèn)識的碳素材料的特征之一。除強(qiáng)氧化性酸等特殊物質(zhì)外，在常溫常壓附近，幾乎為化學(xué)惰性?？梢哉J(rèn)為在普通的工作溫度≤250℃環(huán)境下使用，很難觀察到碳纖維發(fā)生化學(xué)變化。根據(jù)有關(guān)資料介紹，從碳素材料的化學(xué)性質(zhì)分析，在≤250℃環(huán)境下，碳素材料既沒有明顯的氧化發(fā)生，也沒有生成碳化物和層間化合物生成。由于碳素材料具有氣孔結(jié)構(gòu)，因此氣孔率高達(dá)25％左右，在加熱過程易產(chǎn)生吸附氣體脫氣情況，這樣的過程更有利于我們穩(wěn)定電氣性能和在電熱領(lǐng)域的應(yīng)用。

2、碳纖維的物理性能（a）熱學(xué)性質(zhì)

碳素材料因石墨晶體的高度各向異性，而不同于一般固體物質(zhì)與溫度的依存性，從工業(yè)的應(yīng)用角度來看，碳素材料比熱大體上是恒定的。幾乎不隨石墨化度和碳素材料的種類而變化。（b）導(dǎo)熱性質(zhì)

碳素材料熱傳導(dǎo)機(jī)理并不依賴于電子，而是依靠晶格振動導(dǎo)熱，因此，不符合金屬所遵循的維德曼—夫蘭茲定律。根據(jù)有關(guān)資料介紹，普通的碳素材料導(dǎo)熱系數(shù)極高，平行于晶粒方向的導(dǎo)熱系數(shù)可與黃銅媲美。（c）電學(xué)性質(zhì) 碳素材料電學(xué)性質(zhì)主要與石墨晶體的電子行為和不同的處理溫度有關(guān)，石墨的電子能帶結(jié)構(gòu)和載流子的種類及其擴(kuò)散機(jī)理決定了上述性質(zhì)。碳素材料這類電學(xué)性質(zhì)具有本征半導(dǎo)體所具備的特征，電阻率變化主要與載流子的數(shù)量變化有關(guān)。

3、碳纖維的主要用途

與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復(fù)合材料都頗具優(yōu)勢。

由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料。

最神奇的應(yīng)用是采用長碳纖維制成的“納米繩”可以將“太空電梯”由理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，太空電梯將可以將乘客和各種貨物運(yùn)送到空間軌道站上，也可以用這種“納米繩”將太空中發(fā)射平臺與地面固定在一起，在這樣的發(fā)射平臺上發(fā)射人造衛(wèi)星和太空探測器就可以大大降低發(fā)射成本。

總結(jié)碳纖維復(fù)合材料的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用有以下幾個方面：

（1）宇航工業(yè) 用作導(dǎo)彈防熱及結(jié)構(gòu)材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層；衛(wèi)星構(gòu)架、天線、太陽能翼片底板、衛(wèi)星-火箭結(jié)合部件；航天飛機(jī)機(jī)頭，機(jī)翼前緣和艙門等制件；哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的測量構(gòu)架，太陽能電池板和無線電天線。

（2）航空工業(yè) 用作主承力結(jié)構(gòu)材料，如主翼、尾翼和機(jī)體；次承力構(gòu)件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發(fā)動機(jī)艙、整流罩及座板等，此外還有C/C剎車片。

（3）交通運(yùn)輸 用作汽車傳動軸、板簧、構(gòu)架和剎車片等制件；船舶和海洋工程用作制造漁船、魚雷快艇、快艇和巡邏艇，以及賽艇的桅桿、航桿、殼體及劃水漿；海底電纜、潛水艇、雷達(dá)罩、深海油田的升降器和管道。

（4）運(yùn)動器材 用作網(wǎng)球、羽毛球、和壁球拍及桿、棒球、曲棍球和高爾夫球桿、自行車、賽艇、釣桿、滑雪板、雪車等。

（5）土木建筑 幕墻、嵌板、間隔壁板、橋梁、架設(shè)跨度大的管線、海水和水輪結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)筋、地板、窗框、管道、海洋浮桿、面狀發(fā)熱嵌板、抗震救災(zāi)用補(bǔ)強(qiáng)材料。

（6）其它工業(yè) 化工用的防腐泵、閥、槽、罐；催化劑，吸附劑和密封制品等。生體和醫(yī)療器材如人造骨骼、牙齒、韌帶、X光機(jī)的床板和膠卷盒。編織機(jī)用的劍竿頭和劍竿防靜電刷。其它還有電磁屏蔽、電極度、音響、減磨、儲能及防靜電等材料也已獲得廣泛應(yīng)用。

三、碳纖維復(fù)合材料在電線電纜中的應(yīng)用

碳纖維以其固有的特性賦予了其復(fù)合材料優(yōu)異的性能，它具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，從而為其在電線電纜行業(yè)中的應(yīng)用提供了可能和必然。

（一）碳纖維加熱電纜的開發(fā)和應(yīng)用

人們早就知道，以金屬材料為發(fā)熱體的電加熱技術(shù)已在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是金屬絲在高溫狀態(tài)下表面易氧化，由于氧化層不斷的增厚，造成了有效通過電流的面積減小，增大了電流的負(fù)荷，因此易燒斷。在相同的允許的電流負(fù)荷面積下，金屬絲的強(qiáng)度比碳纖維低6－10倍，在使用過程中易折斷。

碳纖維是一種石墨的六方晶格層狀結(jié)構(gòu)組成，是一種全黑體材料，因此在電熱應(yīng)用中，表現(xiàn)出來的電熱轉(zhuǎn)換效率高。在特定的條件下，高溫不氧化，單位面積的電流的負(fù)荷強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度不發(fā)生改變。

目前碳纖維加熱電纜的應(yīng)用如下：

低溫輻射發(fā)熱電纜地板采暖系統(tǒng)。

恒溫育雛箱、花房、苗圃、蔬菜大棚等保溫采暖。

道路化雪、機(jī)場跑道化雪：用于混凝土結(jié)構(gòu)中樓面加熱的理想產(chǎn)品，也可以用在融雪裝置中，對屋面雨水和排水管進(jìn)行防霜，還可以用于土壤加熱。

管道、罐體保溫防凍：電伴熱產(chǎn)品近幾年在中國得到了大力的推廣和廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在石油、化工、電力、鐵路和民用或商業(yè)建筑等。隨著中國電力工業(yè)的發(fā)展，以清潔、無二次污染的電能為主要能源的電伴熱產(chǎn)品市場前景非常廣闊，同時，也為電伴熱產(chǎn)品的性能提出了更高的要求。

足球場草坪、公共綠地土壤保溫：太陽能熱水器電能補(bǔ)充加熱器，主要用于在長期陰雨天或寒冬季節(jié)，因光照不足而導(dǎo)致太陽能熱水器水溫不能滿足生活、工程需要時，為補(bǔ)充熱能而設(shè)計(jì)的。它具有較強(qiáng)的耐酷暑、嚴(yán)寒和高溫潮濕環(huán)境的性能，并具有防干燒的功能。即使偶爾水箱缺水誤通電，也不至于燒壞電加熱器和水箱，故能確保安全使用。

（二）碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的開發(fā)和應(yīng)用

我國是個缺電的國家，不僅發(fā)電業(yè)的發(fā)展滯后，輸電業(yè)的弊端也凸現(xiàn)出來，輸電線路已不堪承受傳輸容量快速擴(kuò)容的需求，由于過負(fù)荷造成的停電、斷電故障頻頻發(fā)生，電力傳輸成為電力工業(yè)發(fā)展的“瓶頸”，各國均在研究新型架空輸電路用導(dǎo)線，以取代傳統(tǒng)的鋼芯鋁絞線，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線由此應(yīng)運(yùn)而生。與鋼芯鋁絞線相比，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有以下優(yōu)點(diǎn)：

１、和同樣直徑的ACSR電纜相比，可以提供雙倍的載流容量。２、有效解決電纜下垂問題。

３、可以在更高的溫度下工作，最高可達(dá)200攝氏度。４、線芯可以抗腐蝕，而且沒有雙金屬間腐蝕問題。

５、因?yàn)榭梢蕴峁└叩妮d流容量，所以同時也有效的降低了工程成本。６、與相同直徑傳統(tǒng)電纜相比可以多容納28%的導(dǎo)體。

７、高強(qiáng)度線芯可以有效減少電纜架的數(shù)量，或降低電纜架的高度。８、有效減少電纜下垂，使地面生物更加安全。

除了上述提及的優(yōu)點(diǎn)外，還可減少傳輸中電力的損耗，減少20%的塔桿，節(jié)省用地，減少有色金屬資源消耗，有助于構(gòu)造安全、環(huán)保、高效節(jié)約型輸電網(wǎng)絡(luò)。

目前世界上只有美國和日本開發(fā)出這種新型導(dǎo)線，他們還達(dá)成默契：不向第三國輸出，日本一家碳纖維導(dǎo)線企業(yè)的產(chǎn)量就占到世界40%左右。

目前我國電線電纜研究所、電力建筑研究院以及國家電網(wǎng)有限公司都已經(jīng)開始了對ACCC導(dǎo)線的試驗(yàn)研究工作。國內(nèi)電纜廠家也加大與外方合作，將這種新型電纜引進(jìn)到中國生產(chǎn)，積極推動我國架空輸電線路的技術(shù)革命。最近福建電網(wǎng)已經(jīng)將該新型導(dǎo)線架設(shè)運(yùn)行。

（三）在高低溫、腐蝕等苛刻環(huán)境應(yīng)用的可能

碳纖維細(xì)如蛛絲，三型碳纖維比強(qiáng)度是鋼的62倍以上，成形工藝性好，是一代新型工程材料，其彈性量高，抗變性能力比鋼大2倍多，抗拉強(qiáng)度30～40t/cm2pa,而比重還不到鋼的四分之一，是鋁合金的二分之一，高彈模量比鋼鐵大16倍，比鋁合金大12倍。且碳纖維比鋼等柔軟。因此，碳纖維可用于要求能承重、不易損傷內(nèi)部元件的電纜的加強(qiáng)芯，如海底光纜等。碳纖維可以耐－180℃的低溫，在此條件下，許多材料都變的很脆，連堅(jiān)固的鋼鐵也變的比玻璃還容易碎，而碳纖維在此條件下依舊很柔軟。因此，碳纖維復(fù)合芯可用于極寒（如南極考察研究等）條件下輸電載體的設(shè)計(jì)和制造。

碳纖維又可以耐3000℃～3500℃的高溫，在此高溫下最好的耐熱鋼也變成鋼水，但在沒有氧氣的情況下，碳纖維沒有變化。碳纖維即使從3000℃的高溫快速冷卻到室溫也不會炸裂，因而可在急冷急熱的環(huán)境中工作。這為鋼鐵、冶金、鍋爐等行業(yè)中高溫特高溫場合電纜的設(shè)計(jì)提供了可能。此外，碳纖維紗、碳纖維繩、碳纖維布都可用于消防電纜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)選用。

碳纖維有超強(qiáng)的耐腐蝕性。金屬中耐腐蝕性最強(qiáng)的是黃金和鉑，在一份硝酸（濃度70％）和三份硫酸（濃度39％）配成的稱“王水”的溶液中黃金、鉑會被腐蝕的千瘡百孔，而“王水”中的碳纖維卻安然無恙。為各種化學(xué)環(huán)境下輕型耐化學(xué)腐蝕電纜的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

四、發(fā)展建議

碳纖維材料的產(chǎn)業(yè)化是實(shí)現(xiàn)碳纖維導(dǎo)線在國內(nèi)輸電行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化的前提和保證。碳纖維材料價格則是制約產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

我國從八十年代初期開始起步，加大了對碳纖維材料的研究和開發(fā)力度，并也著力于碳纖維材料產(chǎn)業(yè)化基地的建設(shè)，但由于國外設(shè)備、技術(shù)封鎖，至今未見重大突破，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定性，預(yù)計(jì)今后每年至少一萬噸的缺口。

２０００年前碳纖維材料的價格水平為５萬美圓／噸左右，比鋁的價格要高２０倍多。但是近兩年，由于國際政治形勢和軍事格局的變化，碳纖維材料價格受其影響，大幅度上升。這無疑都將對我國現(xiàn)代化的建設(shè)成本形成巨大的壓力和負(fù)擔(dān)。最近，我國福建電網(wǎng)從美國復(fù)合材料工程公司（CTC）購置了60公里ACCC導(dǎo)線（鋁導(dǎo)體復(fù)合芯架空導(dǎo)線）應(yīng)用在福建省廈門和福州電網(wǎng)中，其價格水平為１５萬元人民幣／公里。這比我們一直使用的鋼芯鋁絞線的價格要高幾倍。

各科研院所應(yīng)進(jìn)一步加大碳纖維材料的基礎(chǔ)應(yīng)用研究和開發(fā)，建立我國自主知識產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)碳纖維材料的質(zhì)量穩(wěn)定，降低成本。同時要采用國家投入和民間投入相結(jié)合的方式，加大碳纖維在航天和軍工以外的民品應(yīng)用，有助于碳纖維產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

最近，我國國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨重大機(jī)遇。遼寧圣華科技有限公司落戶撫順經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)后，可以把現(xiàn)有撫順部分企業(yè)培育成碳纖維及復(fù)合材料的龍頭企業(yè)，發(fā)揮其帶動和輻射功能，把撫順建設(shè)成為全國碳纖維研發(fā)基地和產(chǎn)業(yè)基地。

目前我國電線電纜研究所、電力建筑研究院以及國家電網(wǎng)有限公司都已經(jīng)開始了對ACCC導(dǎo)線的試驗(yàn)研究工作。希望國內(nèi)同行積極研究和開發(fā)，為加快碳纖維復(fù)合材料在我國線纜行業(yè)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展共同努力。

第二篇：電線電纜企業(yè)三年發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃

電線電纜企業(yè)三年發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃2012

一、公司發(fā)展規(guī)劃

（一）業(yè)務(wù)發(fā)展目標(biāo)

公司將充分利用長期致力生產(chǎn)、研發(fā)、銷售優(yōu)質(zhì)電力電纜、特種電纜等所凝聚的專業(yè)優(yōu)勢、技術(shù)優(yōu)勢、營銷優(yōu)勢和管理優(yōu)勢，繼續(xù)專注于超高壓電力電纜、特種電纜業(yè)務(wù)，堅(jiān)持差異化競爭戰(zhàn)略和目標(biāo)市場集聚競爭戰(zhàn)略，通過產(chǎn)品等級提升鞏固和提高目前細(xì)分市場相對優(yōu)勢，通過新產(chǎn)品開發(fā)積極拓展新的市場領(lǐng)域，不斷擴(kuò)大公司規(guī)模，提升公司的綜合競爭力，力爭在3-5 年內(nèi)發(fā)展成為國內(nèi)專而強(qiáng)的大型電纜企業(yè)之一，實(shí)現(xiàn)年銷售收入進(jìn)入國內(nèi)一流電線電纜企業(yè)前列。

（二）發(fā)展戰(zhàn)略

根據(jù)對國內(nèi)外電線電纜行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和公司綜合實(shí)力的系統(tǒng)分析，公司總體發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)是：成為集科、工于一體，產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的國內(nèi)知名專而強(qiáng)的一流電線電纜企業(yè)。

（三）公司的發(fā)展理念

堅(jiān)持質(zhì)量第一、用戶至上的經(jīng)營理念，實(shí)施品牌戰(zhàn)略，大力開拓國內(nèi)外市場；以提高科技水平為手段，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，生產(chǎn)、銷售高附加值產(chǎn)品，滿足客戶需求；以提升管理水平為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高公司盈利能力。

（四）公司未來幾年計(jì)劃

總體目標(biāo)：公司將通過建立和完善現(xiàn)代企業(yè)制度，加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部管理，憑借公司所具有的技術(shù)、人才、管理優(yōu)勢；將以市場需求和行業(yè)趨勢為導(dǎo)向，加大科研開發(fā)力度，在全力發(fā)展超高壓電纜的同時，通過新產(chǎn)品開發(fā)，逐步向綠色環(huán)保等多種特種電纜產(chǎn)品延伸，使得公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向多元化發(fā)展，加快新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化步伐和規(guī)模，從而增強(qiáng)產(chǎn)品的科技含量；通過技改擴(kuò)能，使能耗和生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低，在未來幾年內(nèi)使公司的主營業(yè)務(wù)收入、利潤保持持續(xù)穩(wěn)定增長，提高公司的市場競爭力。

1、生產(chǎn)經(jīng)營計(jì)劃

公司一方面將以成本管理為核心，進(jìn)一步拓寬降低成本的思路，強(qiáng)化工藝紀(jì)律和過程控制，提高產(chǎn)品一次合格率，降低材料損耗，高度重視節(jié)能降耗工作，產(chǎn)、供、銷各部門對成本實(shí)行目標(biāo)管理，并落實(shí)到車間、班組，建立準(zhǔn)確有效的成本核算體系和考核制度，進(jìn)一步提高公司的成本管理水平；另一方面將加大技術(shù)改造力度，利用新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備，加大技改投入，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，加速推進(jìn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級，特別是增加超高壓電纜、核電站用電線電纜、礦物絕緣防火電纜的生產(chǎn)和銷售，進(jìn)一步增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力，搶先占領(lǐng)市場的制高點(diǎn)，形成新的利潤增長點(diǎn)。

公司還將依靠信息化管理的優(yōu)勢，科學(xué)調(diào)度，優(yōu)化采購，減少生產(chǎn)、采購各環(huán)節(jié)的資金占用，控制在產(chǎn)品及庫存，減少財(cái)務(wù)費(fèi)用支出，提高資金使用效率；繼續(xù)重點(diǎn)抓好質(zhì)量等管理體系建設(shè)工作，加大體系的執(zhí)行力度，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)，促進(jìn)公司管理水平再上臺階，增強(qiáng)企業(yè)發(fā)展后勁。

2、產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃 隨著中國宏觀經(jīng)濟(jì)持續(xù)向好，電力設(shè)施建設(shè)的提速，智能電網(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)改造的深入，風(fēng)能、太陽能等新能源的建設(shè)，海洋工程的開發(fā)，以及隨著世界生態(tài)環(huán)境的惡化、能源緊張等問題的凸顯，環(huán)保、可再生等觀念逐漸深入人心。電線電纜行業(yè)的發(fā)展，從某種意義上來講，就是新材料、新工藝、新設(shè)備發(fā)展的過程。公司在未來發(fā)展中，針對市場的需求和行業(yè)發(fā)展趨勢，將向電纜的前后道延伸，上游可向原材料制造發(fā)展，如銅、鋁桿的生產(chǎn)加工，絕緣材料（中、低、高檔）的制造；下游可向電纜附件設(shè)計(jì)制造等發(fā)展。并將大力發(fā)展超高壓環(huán)保智能型電纜和綠色環(huán)保電纜等高端產(chǎn)品，使公司電纜產(chǎn)品向多元化發(fā)展，如繼續(xù)開發(fā)500kv及以上超高壓交聯(lián)電纜、核電站用電纜、礦物絕緣電纜、海洋工程用電纜、礦用電纜等。

把超高壓環(huán)保智能型電纜工藝控制等列入工藝開發(fā)計(jì)劃，在此基礎(chǔ)上，大力開發(fā)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的環(huán)保材料，如做好開發(fā)低煙、無鹵、低毒、阻燃環(huán)保型塑料材料，以及耐光、熱、寒、油、輻射等特性的新材料、新配方的研發(fā)工作，為公司新品開發(fā)提供強(qiáng)大的材料配套和支撐能力。并以此為先導(dǎo)，帶動相關(guān)門類35kv 及以下礦用、船用、風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電、海上石油平臺、環(huán)保型電力電纜的大發(fā)展。

3、市場營銷計(jì)劃

為進(jìn)一步擴(kuò)大市場占有率，提升公司盈利能力，公司還將采取以下新的舉措：國內(nèi)市場上，公司計(jì)劃在未來幾年里，在鞏固國內(nèi)現(xiàn)有市場份額的基礎(chǔ)上，繼續(xù)擴(kuò)展銷售網(wǎng)絡(luò)，著重鞏固和拓展大客戶，豐富銷售體系。加大行業(yè)客戶開拓力度，在未來幾年里，伴隨中國工業(yè)化的進(jìn)程，煤電、石化、鐵路的業(yè)務(wù)量將會逐漸增大，公司將加大在這些行業(yè)的開拓力度，堅(jiān)持“顧客是上帝”的宗旨，本著“優(yōu)質(zhì)、方便、高效、真誠”的服務(wù)方針，針對不同的客戶、行業(yè)制定專門的營銷方案、提供技術(shù)支持和服務(wù)等，更加貼近客戶。確保公司持續(xù)穩(wěn)健發(fā)展。通過對現(xiàn)有客戶和潛在客戶持續(xù)提升公司品牌質(zhì)量和知名度。

4、技術(shù)開發(fā)與創(chuàng)新計(jì)劃

公司發(fā)展要緊緊依靠科技領(lǐng)先，技術(shù)創(chuàng)新，并通過加快新品開發(fā)、轉(zhuǎn)換、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)又好又快發(fā)展。要積極實(shí)現(xiàn)兩條腿走路。一方面同高校、科研院所聯(lián)合，另一方面要積極、大膽引進(jìn)專業(yè)人才，加快公司新品開發(fā)的速度和能力。

同時，高水平的科研、創(chuàng)新能力，必須依靠設(shè)備完善、試驗(yàn)研究隊(duì)伍實(shí)力雄厚做支撐，構(gòu)建以技術(shù)創(chuàng)新為中心的研發(fā)體系，公司將逐步通過體制、機(jī)制、人才引進(jìn)、設(shè)備投入等綜合措施，把公司技術(shù)中心建設(shè)成國內(nèi)一流的國家電線電纜工程研究中心，利用該中心，公司將分別對電纜用材料、超高壓電纜、中低壓環(huán)保電纜等進(jìn)行研究，開發(fā)適合市場需求并具有先進(jìn)水平的各種電纜和電纜用材料。

5、人力資源計(jì)劃

人力資源隊(duì)伍建設(shè)是公司在未來能否實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展、躋身國內(nèi)前列的基礎(chǔ)和保證。公司將大力引進(jìn)各類高級人才，實(shí)現(xiàn)人才強(qiáng)企、人才支撐發(fā)展戰(zhàn)略；大力培養(yǎng)各類具有綜合素質(zhì)、實(shí)際管理能力的、有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的的骨干隊(duì)伍，實(shí)現(xiàn)公司人才知識層次布局合理、配備齊全。公司將實(shí)行人力資源的優(yōu)化配置，堅(jiān)持以人為本，加強(qiáng)人才引進(jìn)與培養(yǎng)，完善激勵機(jī)制，實(shí)現(xiàn)公司的可持續(xù)發(fā)展：

（1）強(qiáng)化內(nèi)部培訓(xùn)。公司將繼續(xù)加強(qiáng)員工培訓(xùn)，加快培育一批素質(zhì)高、業(yè)務(wù)強(qiáng)的科技人才、營銷人才和管理人才；對管理人員進(jìn)行工商管理知識教育，抓好技術(shù)人員新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)的知識更新，開發(fā)員工潛在能力；特別重視對生產(chǎn)一線員工的技能培訓(xùn)，提高員工的職業(yè)技能水平，進(jìn)一步做好新員工的入職培訓(xùn)。

（2）不斷引進(jìn)外部人才。隨著公司經(jīng)營規(guī)模的擴(kuò)大，管理的復(fù)雜程度會加大，公司將從各大院校招納一批優(yōu)秀的專業(yè)技術(shù)人才和管理人才；著重加強(qiáng)技術(shù)人才以及各類管理人才的引進(jìn)，壯大公司科研技術(shù)力量和管理隊(duì)伍，優(yōu)化企業(yè)的人員結(jié)構(gòu)，滿足企業(yè)可持續(xù)發(fā)展需求；向社會招聘和培養(yǎng)一批技術(shù)工人，以適應(yīng)公司生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大的需要。

6、完善治理結(jié)構(gòu)計(jì)劃

公司將進(jìn)一步完善法人治理結(jié)構(gòu)，健全以執(zhí)行力為核心的現(xiàn)代企業(yè)管理體系，建立適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)制度要求的決策和用人機(jī)制，以工作目標(biāo)為主導(dǎo)，強(qiáng)化管理，做到崗位職責(zé)明確、管理層次清晰、工作效率提高、管理成本降低，使公司的管理水平得到全面提升；以加強(qiáng)董事會建設(shè)為重點(diǎn)，充分發(fā)揮獨(dú)立董事和專門委員會的作用，更好地發(fā)揮董事會在重大決策、選擇經(jīng)理人員等方面的作用。公司將進(jìn)一步完善公司的內(nèi)部決策程序和內(nèi)部控制制度，繼續(xù)加強(qiáng)內(nèi)部審計(jì)職能，強(qiáng)化內(nèi)部控制，保證公司財(cái)務(wù)運(yùn)作合理、合法及有效，最大限度地避免決策失誤，規(guī)避投資風(fēng)險(xiǎn)。公司將根據(jù)客觀條件和自身業(yè)務(wù)的變化，及時調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)和崗位設(shè)置，以保持組織結(jié)構(gòu)的合理性和管理的有效性。

7、收購兼并及對外擴(kuò)充計(jì)劃

公司目前暫無具體的收購兼并計(jì)劃，但隨著規(guī)模的擴(kuò)大、實(shí)力的增強(qiáng)，以增強(qiáng)資本效率為目標(biāo)，圍繞核心業(yè)務(wù)將可能實(shí)施必要的、能給公司帶來顯著效益的橫向、縱向的購并活動。

二、擬定上述計(jì)劃所依據(jù)的假設(shè)條件

本公司擬定上述業(yè)務(wù)發(fā)展計(jì)劃，主要依據(jù)以下假設(shè)條件：

（一）本次募集資金能及時到位，募集資金投資項(xiàng)目能順利如期完成；

（二）本公司所遵循的現(xiàn)行法律、法規(guī)及產(chǎn)業(yè)政策無重大不利變化；

（三）本公司所處行業(yè)處于正常發(fā)展?fàn)顟B(tài)，不會出現(xiàn)重大的市場突變情形；

（四）本公司能夠持續(xù)保持現(xiàn)有管理層、核心技術(shù)人員的穩(wěn)定性或連續(xù)性；

（五）本公司經(jīng)營業(yè)務(wù)或營運(yùn)所在地執(zhí)行的稅率無重大轉(zhuǎn)變，原材料及產(chǎn)品銷售價格在合理范圍內(nèi)波動；

（六）本公司所處的宏觀經(jīng)濟(jì)、政治、法律和社會環(huán)境處于正常發(fā)展?fàn)顟B(tài)，無重大影響公司發(fā)展的不可抗力現(xiàn)象。

三、實(shí)施計(jì)劃所面臨的主要困難

（一）本次募集資金投資項(xiàng)目投產(chǎn)后，本公司的生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模和銷售收入都將大幅擴(kuò)大，確保始終如一的優(yōu)秀產(chǎn)品質(zhì)量、通暢的銷售渠道、溝通無阻的管理體制等方面存在一定的困難。

（二）本公司生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模的擴(kuò)大需要招聘大量的熟練工人、技術(shù)研發(fā)人員和管理人員，由于公司生產(chǎn)經(jīng)營所在地并非經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的中心城市，故存在一定的人員招聘困難。

四、實(shí)現(xiàn)上述業(yè)務(wù)目標(biāo)的主要手段和方法

（一）資金保障

本次募集資金為實(shí)現(xiàn)上述業(yè)務(wù)目標(biāo)提供了充足的資金來源，將解決公司發(fā)展過程中的資金瓶頸問題，促進(jìn)公司發(fā)展走上快車道，并為加速實(shí)現(xiàn)公司業(yè)務(wù)目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

（二）優(yōu)化體制

公司將進(jìn)一步促進(jìn)公司經(jīng)營機(jī)制的轉(zhuǎn)換，法人治理結(jié)構(gòu)的完善，管理體制的升級，接受社會公眾的監(jiān)督，提高公司規(guī)范運(yùn)作的透明度，為今后健康、持續(xù)的發(fā)展奠定良好的制度基礎(chǔ)。

（三）增強(qiáng)吸引人才的能力

公司將繼續(xù)地增強(qiáng)對優(yōu)秀人才的吸引和保留能力，提高公司的人才儲備質(zhì)量和人才競爭優(yōu)勢，為公司的持續(xù)發(fā)展提供人力資源保障。

（四）增強(qiáng)市場影響力

公司將繼續(xù)加大市場的開拓，逐步提升公司品牌的市場影響力，增加公司產(chǎn)品的市場份額，并提升客戶的忠誠度和品牌認(rèn)知度，對加快公司發(fā)展、實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)具有很大的促進(jìn)作用。

五、上述業(yè)務(wù)發(fā)展計(jì)劃與現(xiàn)有業(yè)務(wù)的關(guān)系

上述業(yè)務(wù)發(fā)展計(jì)劃是在本公司現(xiàn)有主營業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合市場開發(fā)情況，經(jīng)過審慎分析而制定的，該計(jì)劃緊密圍繞公司現(xiàn)有資產(chǎn)狀況、業(yè)務(wù)特點(diǎn)和總體發(fā)展目標(biāo)，是現(xiàn)有業(yè)務(wù)的拓展和延伸。

上述計(jì)劃在現(xiàn)有業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上，將快速擴(kuò)大公司生產(chǎn)規(guī)模、改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)品附加值，從整體上提高公司的持續(xù)盈利能力、核心競爭力和后續(xù)發(fā)展能力，充分利用市場、客戶、品牌等方面的現(xiàn)有資源，快速搶占市場，鞏固公司在行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先地位，實(shí)現(xiàn)公司的總體發(fā)展目標(biāo)。

第三篇：我國碳纖維的發(fā)展及現(xiàn)狀分析

我國碳纖維的發(fā)展及現(xiàn)狀分析

碳纖維是一種纖維狀碳材料。它是一種強(qiáng)度比鋼大、密度比鋁小、比不銹鋼耐腐蝕性強(qiáng)、比耐熱鋼耐高溫、又能像銅那樣導(dǎo)電，具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型材料。碳纖維主要被制成碳纖維增強(qiáng)塑料這種復(fù)合材料來應(yīng)用。每一根碳纖維由數(shù)千條更微小的碳纖維所組成，直徑大約5滋m～8滋m。在原子層面的碳纖維跟石墨很相近，由一層層以六角型排列的碳原子構(gòu)成。碳纖維與石墨兩者的差別在于層與層之間的連接。石墨是晶體結(jié)構(gòu)，它的層間連接松散，而碳纖維不是晶體結(jié)構(gòu)，層間連接是不規(guī)則的，這樣可防止滑移，增強(qiáng)物質(zhì)強(qiáng)度。一般碳纖維的密度為1750kg/m3，導(dǎo)熱能力高但傳電能力低，碳纖維的比熱容量亦比銅低。當(dāng)加熱的時候，碳纖維會變厚、變短。雖然碳纖維的天然顏色是黑色，但科學(xué)家可以把它染成不同的顏色。我國碳纖維產(chǎn)品市場現(xiàn)狀我國碳纖維的生產(chǎn)和使用尚處于起步階段,，國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)能力僅占世界高性能碳纖維總產(chǎn)量的0.4％左右，國內(nèi)用量的90％以上靠進(jìn)口。而PAN原絲質(zhì)量一直是制約我國碳纖維工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)的瓶頸。另外，碳纖維長期以來被視為戰(zhàn)略物資，發(fā)達(dá)國家一直對外實(shí)行封鎖。因此,業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，強(qiáng)化基礎(chǔ)研究是創(chuàng)新之本，是發(fā)展國內(nèi)碳纖維工業(yè)的根本出路。我國早在上世紀(jì)六七十年代就開始了碳纖維的研究工作，幾乎與世界同步。經(jīng)過30多年的努力，已經(jīng)研制出接近日本東麗公司T300水平的碳纖維產(chǎn)品，但產(chǎn)量和品質(zhì)都遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)需求，與國外差距甚遠(yuǎn)。與國際先進(jìn)水平相比，國產(chǎn)碳纖維的突出問題是碳纖維強(qiáng)度低，均勻性和穩(wěn)定性都較差，發(fā)展水平比發(fā)達(dá)國家落后了近20年～30年，而且生產(chǎn)規(guī)模小，技術(shù)設(shè)備落后，生產(chǎn)效益不理想。目前全球碳纖維產(chǎn)能約3.5萬噸，我國市場年需求量6500噸左右，屬于碳纖維消費(fèi)大國，但我國碳纖維2007年產(chǎn)量僅200噸左右，而且主要是低性能產(chǎn)品，沒有形成規(guī)模化產(chǎn)業(yè)，絕大部分依賴進(jìn)口，價格非常昂貴，比如標(biāo)準(zhǔn)型T300市場價格每千克曾高達(dá)4000元~5000元。由于缺少具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)支撐，國內(nèi)企業(yè)目前尚未掌握完整的碳纖維核心關(guān)鍵技術(shù)。我國碳纖維的質(zhì)量、技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模與國外差距很大，其中高性能碳纖維技術(shù)更是被日本及西方國家壟斷和封鎖。因此碳纖維要真正實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化需要一個漫長的過程。由于市場短缺，近年來國內(nèi)出現(xiàn)了“碳纖維熱”，眾多科研院所和企業(yè)紛紛啟動了碳纖維研究或千噸級產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。雖然當(dāng)前國內(nèi)市場對碳纖維產(chǎn)品需求較大，但盲目發(fā)展低于檔次品類存在很大風(fēng)險(xiǎn)，尤其現(xiàn)有產(chǎn)品研發(fā)停滯不前，不能開發(fā)出新型配套系列產(chǎn)品，這些千噸級項(xiàng)目實(shí)施后，市場產(chǎn)能出現(xiàn)過剩趨勢將成為必然。從價格角度分析，目前碳纖維國際市場供不應(yīng)求，國內(nèi)價格居高不下，而且在我國，碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，已從軍用向民用領(lǐng)域快速滲透。從投資角度分析，大量資本，特別是民營資本的高度關(guān)注，在很大程度上激活了這一產(chǎn)業(yè)，極大地提高了碳纖維產(chǎn)業(yè)的活躍程度，民營資本的進(jìn)入為加快碳纖維產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程發(fā)揮了積極而重要的作用，使國內(nèi)碳纖維的產(chǎn)業(yè)化研究不斷深入。到目前為止，我國已建立起相對完整的十分級、百分級甚至千分級碳纖維產(chǎn)業(yè)研發(fā)的配套體系。1976年在中科院山西煤炭化學(xué)研究所建成我國第一條PAN基碳纖維擴(kuò)大試驗(yàn)生產(chǎn)線，生產(chǎn)能力為2t/a，20世紀(jì)80年代開展了高強(qiáng)型碳纖維的研究，于1998年建成一條新的中試生產(chǎn)線，規(guī)模為40t/a。中科院山西煤化所、上海合纖所、北京化工大學(xué)、山東工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、安徽大學(xué)、浙江大學(xué)、長春工業(yè)大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)及院校參與了碳纖維項(xiàng)目的研究與開發(fā)。目前，國內(nèi)小規(guī)模PAN基碳纖維生產(chǎn)企業(yè)和科研院所共10余家。國內(nèi)企業(yè)不再照搬國外現(xiàn)成的技術(shù)，關(guān)鍵設(shè)備也在加快研發(fā)，某些關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)已取得了突破性成果，而且原材料供應(yīng)充足。我國碳纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)特點(diǎn)十分明顯，技術(shù)多元化越來越受到重視。從2000年開始，我國已完全放棄了硝酸法原絲技術(shù)，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術(shù)。目前，國產(chǎn)碳纖維百分級產(chǎn)品能與日本東麗的T700相媲美?？梢哉f，我國多年來碳纖維產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合研發(fā)的技術(shù)成果已不遜色于東麗的相應(yīng)技術(shù)。在我國完整的碳

纖維研發(fā)鏈條下的碳纖維工程化研發(fā)出現(xiàn)了加速發(fā)展的勢頭。吉林、山東、江蘇、山西、遼寧、安徽是我國傳統(tǒng)的碳纖維工程化研發(fā)的基地，而近年來，河北、上海、陜西逐步成為新興的碳纖維工程化研發(fā)基地，有越來越多的企業(yè)加入到工程化研發(fā)與建設(shè)中來。同時，北京、廣東、浙江、江蘇也積極參與了碳纖維的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)。我國碳纖維主要生產(chǎn)企業(yè)華皖碳纖維，國家已批準(zhǔn)在安徽蚌埠建立500t／aPAN原絲和200t／a碳纖維生產(chǎn)線，總投資過億元。PAN原絲采用亞砜一步法，技術(shù)由國外引進(jìn)；產(chǎn)品以12K的T300級碳纖維為主，并準(zhǔn)備引進(jìn)成熟的預(yù)浸料生產(chǎn)線。華皖集團(tuán)(原蚌埠燈芯絨集團(tuán)公司)二期建設(shè)規(guī)模將使碳纖維產(chǎn)量翻一番，達(dá)到400t／a，下游產(chǎn)品的開發(fā)也列入發(fā)展規(guī)劃。中寶碳纖維責(zé)任有限公司在浙江嘉興。擬建400t／a大絲束碳纖維生產(chǎn)線，部分引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，投資數(shù)億元，并配套300萬m2預(yù)浸料。該項(xiàng)目國家已批準(zhǔn)，并積極開展了前期論證和考察工作。根據(jù)國內(nèi)外市場動向及投資與回報(bào)等因素，暫緩建立碳纖維生產(chǎn)線，而集中力量開發(fā)預(yù)浸料等下游產(chǎn)品。同時，還成立了浙江省碳纖維工程技術(shù)研究開發(fā)中心，全面推進(jìn)碳纖維事業(yè)。山東威海光威漁具集團(tuán)有限公司主要從事釣竿生產(chǎn)，碳纖維預(yù)浸布的規(guī)格有30余種，根據(jù)發(fā)展趨勢，有可能向上游即PAN基原絲和碳纖維發(fā)展。此外，山東省東營生產(chǎn)力促進(jìn)中心也在考慮招商引資建立碳纖維生產(chǎn)線，認(rèn)為石油等工業(yè)是碳纖維的潛在市場。北京化工大學(xué)與吉化公司樹脂廠，將依靠自己的技術(shù)建立500t/a原絲和200t/a碳纖維生產(chǎn)線。放棄硝酸法，采用亞砜一步法技術(shù)路線生產(chǎn)原絲。目前，正在進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn)。中鋼集團(tuán)吉林炭素股份有限公司是我國小絲束碳纖維生產(chǎn)基地，已向用戶提供50余噸小絲束碳纖維。目前，該廠正在建立新的小絲束碳纖維生產(chǎn)線，擴(kuò)大產(chǎn)量，以滿足市場需求。中科院山西煤化所研制碳纖維已有30多年歷史，上世紀(jì)70年代中期，建成我國第一條纖維中試生產(chǎn)線；在90年代末期，又建成我國第一條噸級粘膠基碳纖維生產(chǎn)線。目前該所與揚(yáng)州聚酯責(zé)任有限公司共建碳材料聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，研制高性能PAN基碳纖維，并準(zhǔn)備在揚(yáng)州建立產(chǎn)業(yè)化基地。此外，山西榆次化纖廠是我國唯一用亞砜一步法生產(chǎn)PAN基原絲達(dá)數(shù)十年的單位，目前仍在生產(chǎn)。從以上信息可以看出，當(dāng)前發(fā)展態(tài)勢有以下幾個特點(diǎn)：投入力度大；規(guī)模大；參與單位多，特別是大企業(yè)的參與；起點(diǎn)高，采用多項(xiàng)新技術(shù)、新工藝；自動化程度高，工控、程控在線配套使用；逐步建立起質(zhì)量控制和質(zhì)量檢測方法，特別是在線檢測。碳纖維新產(chǎn)品開發(fā)骨骼組織醫(yī)用材料利用經(jīng)過化學(xué)方法處理過的碳素纖維，修補(bǔ)或置換骨骼組織一段時間后，碳素纖維會被一層具有類似真正軟骨機(jī)能特點(diǎn)的組織所覆蓋，可降低人造骨骼或組織在植入人體后的排斥問題，但是較脆易斷問題仍有待解決。另一項(xiàng)新產(chǎn)品為以液壓為動力的碳素纖維人工膝關(guān)節(jié)，雖然其外表不太美觀，但在速度、力量與靈活性方面并不比真的肌肉與骨骼差。電腦斷層掃描機(jī)的感應(yīng)器是由內(nèi)裝10大氣壓氦氣的密封箱所構(gòu)成，利用X射線將氦氣激發(fā)成電離子，電腦再由氦電離子數(shù)量的計(jì)測描繪出人體的斷面影像。氦氣壓力愈高，斷面影像愈清晰，但機(jī)器壁愈厚，X射線的減衰愈大，所能激發(fā)的氦氣也愈少，影像效果因而變差。如果壓力容器由碳素纖維復(fù)材制成，軟X射線領(lǐng)域的減衰可降為1/10，性能將大為提升?，F(xiàn)行鋰電池的集電體大都采用金屬鋁或銅，因而在纏繞使用時容易發(fā)生破裂。為了解決這一問題，采用在碳素纖維中加入金屬來制造集電體(三菱材料)。其正極的集電體采用鋁與碳素纖維，負(fù)極的集電體采用銅與碳素纖維的混合物。其次，二次鋰電池中碳薄膜是正極或負(fù)極的重要材料，因碳薄膜的種類決定了二次鋰電池的功率、充放電效率及壽命。燃料電池使用氫氣作為燃料，其關(guān)鍵材料在于納米碳管(Nanotubes，或稱為納米碳素纖維Nanofi鄄bres)。納米碳管是由石墨中一層(單壁)，或若干層碳原子(多壁)卷曲而成的管狀纖維，比重只有鋼的1/6，而強(qiáng)度卻是鋼的100倍，若連接成繩索，并不會被自身重量所拉斷，管內(nèi)可以充填其他物質(zhì)或吸收氫氣，也可以用來發(fā)射電子，運(yùn)用于二極體。1997年由NortheasternUniversityBoston合成的納米碳管，據(jù)稱可以儲存相當(dāng)自身重量70%的氫氣，但因制造資料沒有公布出來而廣受質(zhì)疑。燃料電池用的納米碳

管只有10納米寬，使得電池體積可縮小至普通電池的1/16，卻是目前世界上超大級功率的電池。現(xiàn)在的電動汽車使用普通電池，充電一次可跑144km，且產(chǎn)品壽命只能充電200次，而納米碳素纖維電池充電一次至少可以跑4000km，且可充電1200次以上。以混有碳素纖維和玻璃纖維的樹脂，來制造移動電話、個人數(shù)位助理等攜帶式資訊器材機(jī)殼材料，以取代鎂材質(zhì)之機(jī)殼，已是電子產(chǎn)品新趨勢之一。而最先利用碳纖維材料于筆記本電腦機(jī)殼上的是IBM公司的ThinkPad600、570、240與A20，其資料顯示，碳纖維強(qiáng)韌性是鋁鎂合金的兩倍，且散熱效果良好。預(yù)測未來10年碳纖維的需求量將持續(xù)增加，工業(yè)用與運(yùn)動休閑用領(lǐng)域依然為市場主流，而呈兩極化發(fā)展的碳纖維產(chǎn)品中(高彈性率產(chǎn)品及高強(qiáng)力產(chǎn)品)，以高強(qiáng)力纖維的成長較為看好。但由于廠商間競爭激烈，低價格化已成趨勢。碳纖維產(chǎn)品國外市場概況 世界碳纖維的主要生產(chǎn)商為日本的東麗、東邦人造絲、三菱人造絲三大集團(tuán)，以及美國的卓爾泰克、阿克蘇、阿爾迪拉和德國的SGL公司等。其中日本三大集團(tuán)占世界碳纖維生產(chǎn)能力的75%。世界CT型碳纖維總生產(chǎn)能力為22100t/a，LT型碳纖維總生產(chǎn)能力為9550t/a，實(shí)際生產(chǎn)量約為7000t/a。當(dāng)前世界上PAN基炭纖維正處于迅速增長的發(fā)展期，產(chǎn)品性能趨向于高性能化，T700S加快取代T300作通用級碳纖維；產(chǎn)量增加較快，1996年～2000年增長48.1%；航天航空和體育用品用量增加穩(wěn)定，民用工業(yè)用量增幅較大，已超過前兩者，特別是隨著大絲束碳纖維的大規(guī)模生產(chǎn)，價格的降低，民用工業(yè)需求增加迅猛。日本東麗、東邦人造絲和三菱人造絲公司的小絲束碳纖維產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的75％左右，而這3個公司發(fā)表的專利也相當(dāng)多。例如，東麗公司目前生產(chǎn)的碳纖維T1000，抗拉強(qiáng)度最高(7.02GPa)、單絲直徑最細(xì)(5.3滋m)，可代表世界先進(jìn)水平，但該公司最新專利報(bào)道，其實(shí)驗(yàn)室已研制出新一代碳纖維，抗拉強(qiáng)度已達(dá)到9.03GPa，比T1000提高了28.6％；單絲直徑降到3.2滋m，比T1000細(xì)了39.6％。同時，該公司還開發(fā)截面形狀為三葉形的PAN原絲及碳纖維，以拓寬其用途。碳纖維的起源1880年，美國發(fā)明家愛迪生首先將竹子纖維碳化成絲，作為電燈泡內(nèi)發(fā)光燈絲，開啟了碳纖維的先河。碳纖維用于結(jié)構(gòu)材料的首創(chuàng)者，則以美國UnionCarbide公司為代表，于1959年以螺距纖維為原料，經(jīng)過數(shù)千百度的高溫碳化后，得到彈性率約40GPa，強(qiáng)度約為0.7GPa的碳纖維；1965年該公司又用相同原料于3000℃高溫下延伸，開發(fā)出絲狀高彈性石墨化纖維，彈性率約500GPa，強(qiáng)度約為2.8GPa。1961年，日本大阪工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)所進(jìn)藤召男博士，以Polyacrylonitrile聚丙烯腈為原料，經(jīng)過氧化與數(shù)千度的碳化工序后，得到彈性率為160GPa、強(qiáng)度為0.7GPa的碳纖維。1962年，日本碳化公司用PAN為原料，制得低彈性系數(shù)碳纖維。東麗公司亦以PAN纖維為原料，開發(fā)了高強(qiáng)度CF，彈性率約為230GPa，強(qiáng)度約為

2.8GPa，并于1966年起達(dá)到每月量產(chǎn)1噸的規(guī)模，與此同時他們還開發(fā)了碳化溫度2000℃以上的高彈性率CF，彈性率約400GPa，強(qiáng)度約為2.0GPa。PAN系碳纖維產(chǎn)量于1992年已達(dá)6500噸／年，至2000年已超過1萬t/a以上。雖然碳纖維需求量逐漸擴(kuò)大，但于1991年冷戰(zhàn)結(jié)束后，軍事用途使用量萎縮，又因經(jīng)濟(jì)蕭條，供需失去平衡，產(chǎn)業(yè)受到?jīng)_擊。然而，美國波音公司新銳機(jī)型B777的生產(chǎn)，加上土木、建筑、汽車與復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，使得碳纖維產(chǎn)業(yè)逐漸緩步成長。碳纖維的種類經(jīng)高溫處理后，其含碳量超過90％以上的纖維材料，稱之為碳纖維。碳纖維的分類有許多方法，可依原料、性能、形態(tài)來進(jìn)行分類。若依原料可分為聚丙烯腈系碳纖維；瀝青系碳纖維。其中聚丙烯腈系碳纖維具有高強(qiáng)度、高彈性率的性質(zhì)，在航空器材、體育、休閑娛樂等領(lǐng)域大范圍使用。瀝青系碳纖維具有的高彈性模量、高導(dǎo)熱性等特性是聚丙烯腈系碳纖維所達(dá)不到的，通常以長纖維形態(tài)被利用。由于瀝青系碳纖維為高模量級纖維，比彈性模量顯著優(yōu)良，故適合于支配剛性結(jié)構(gòu)物輕量化并賦予其結(jié)構(gòu)剛性。另外，瀝青系碳纖維具有高導(dǎo)熱性、低電阻、低熱線性膨脹率及化學(xué)穩(wěn)定性好等特性。依機(jī)械性能可分為超高彈性率碳纖維(UHM類型)，彈性率600GPa以上，強(qiáng)度2500MPa以上；高彈性率碳纖維(HM類型)，彈性率350GPa～600GPa，強(qiáng)度2500MPa以上；中彈性率碳纖維(IM類型)，彈性率280GPa～350GPa，強(qiáng)度3500MPa以上；標(biāo)準(zhǔn)彈性率類型碳纖維(HT類型)，彈性率200GPa～280GPa，強(qiáng)度2500MPa以上；低彈性率碳纖維(LM類型)，彈性率200GPa以下，強(qiáng)度3500MPa以下。碳纖維特點(diǎn)及性質(zhì)碳纖維呈黑色，堅(jiān)硬，具有強(qiáng)度高、重量輕等特點(diǎn)，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在35000MPa以上，是鋼的7.9倍，抗拉彈性模量為230000MPa～430000MPa，高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度，即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到20000MPa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為590MPa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強(qiáng)度愈高，構(gòu)件自重愈小；比模量愈高，構(gòu)件的剛度愈大。從這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程上的廣闊應(yīng)用前景。縱觀多種新興復(fù)合材料，如高分子復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料的優(yōu)異性能，眾多專家預(yù)料，人類在材料應(yīng)用上正從鋼鐵時代進(jìn)入到一個復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的時代。PAN碳纖維及其復(fù)合材料具有以下特征：機(jī)械特性，與金屬相比，密度小，質(zhì)輕；模量高，高剛性；強(qiáng)度高；疲勞強(qiáng)度高；耐磨耗性、潤滑性優(yōu)良；振動衰減性優(yōu)良；耐熱性、安定性，熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好；具有導(dǎo)熱性；在惰性氣體中耐熱性優(yōu)良；電傳導(dǎo)及電磁波屏蔽性，具有導(dǎo)電性；具有電磁波屏蔽性；X射線透過性優(yōu)良；屬多種導(dǎo)性材料，針對其目的可設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)體。2007年，日本主要碳纖維生產(chǎn)商東麗公司與日產(chǎn)汽車等企業(yè)聯(lián)手開發(fā)出了使用碳纖維的尖端材料，可大幅減輕汽車主要部件，如底盤的重量。新技術(shù)可使汽車整體重量減輕1成，提高燃效性能4%～5%。另外，耐沖擊性可達(dá)到原來的1.5倍。這些廠家計(jì)劃3年后在市售車上應(yīng)用此新技術(shù)。在全球?yàn)闇p排溫室氣體而強(qiáng)化燃效規(guī)定的背景下，這一新技術(shù)有望加快以鋼鐵為主的汽車原材料的轉(zhuǎn)變。底盤是汽車底部的骨架，是與發(fā)動機(jī)等同等重要的基礎(chǔ)部件。此前，曾在將發(fā)動機(jī)的動力傳導(dǎo)給車輪的傳動軸上采用過碳纖維。如果新技術(shù)達(dá)到實(shí)用水平，則是首次在汽車主要部件上采用碳纖維。以高級乘用車為例，目前的鋼鐵底盤重量約達(dá)300kg，如果改用碳纖維與樹脂合成的碳纖維強(qiáng)化塑料，則可降低到150kg左右，1.5t左右的汽車總重量由此可減輕1成。另外，在發(fā)生碰撞事故時，底盤會發(fā)生變形，從而吸收沖擊力。假定在時速60km下發(fā)生碰撞事故，底盤的能量吸收量可提高到

1.5倍，從而可減輕人體所受的沖擊。碳纖維的應(yīng)用碳纖維是含碳量高于90%的纖維的總稱，因含碳量高而得名。碳纖維既具有元素碳的各種優(yōu)良性能，如比重小、耐熱、耐熱沖擊，耐化學(xué)腐蝕和導(dǎo)電等，又有纖維的可繞性和優(yōu)異的力學(xué)性能。特別是它的比強(qiáng)度和比模量高，在絕氧條件下，可耐2000℃的高溫，是一種重要的工業(yè)用纖維材料，適用于作增強(qiáng)復(fù)合材料、燒蝕材料和絕熱材料。它是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一種新型材料，現(xiàn)已成為現(xiàn)代社會不可缺少的一種新穎材料。休閑產(chǎn)品中，最早應(yīng)用PAN碳纖維的是釣魚竿。現(xiàn)在世界上碳纖維釣魚竿的年生產(chǎn)量為1200萬根左右，相當(dāng)于碳纖維用量約1200噸。碳纖維在高爾夫球桿的應(yīng)用是于1972年開始的，現(xiàn)在世界上碳纖維高爾夫球桿的年生產(chǎn)量約4000萬根左右，相當(dāng)于2000噸碳纖維的用量。網(wǎng)球拍的應(yīng)用是從1974年開始的，目前世界上年生產(chǎn)碳纖維球拍約450萬個，需碳纖維用量約500噸。在其他方面，碳纖維還廣泛應(yīng)用于滑雪板、雪船、滑雪桿、棒球棒、公路賽以及船舶類體育用品。人們認(rèn)識到了碳纖維輕量化、耐疲勞性和耐腐蝕性等性能，因而開始廣泛應(yīng)用于航空航天行業(yè)。在宇航領(lǐng)域，由于高模量碳纖維的輕量性、尺寸穩(wěn)定性的導(dǎo)熱性，早已應(yīng)用于人造衛(wèi)星等方面，近年來已開始應(yīng)用于銥星等通信衛(wèi)星。造型復(fù)合物主要是以短纖維的形式混入用于熱塑性樹脂中，由于具有補(bǔ)強(qiáng)、抗靜電、電磁波屏蔽效果，可廣泛應(yīng)用于家用電器、辦公室機(jī)器、半導(dǎo)體及其相關(guān)領(lǐng)域。壓力容器主要用在壓縮罐和消防員用的空氣呼吸器，包括用CF長絲纏繞所生產(chǎn)的所有罐類。其他燃料容器，如CNG罐，若采用以往的金屬制造是很重的，為了使其運(yùn)行距離加長，必須輕量化。因此，采用金屬加上纖維纏繞或塑料襯里的全復(fù)合材料容器正進(jìn)行實(shí)用化生產(chǎn)應(yīng)用?？諝夂粑魇侨ツ暝诿绹艿紻OT認(rèn)定的CF制品，今后

其市場需求將急劇增長。近幾年在土木建筑領(lǐng)域，靠碳纖維進(jìn)行抗震補(bǔ)修和補(bǔ)強(qiáng)的施工法，在日本得到劃時代的普及。以阪神大震災(zāi)為開端的抗震補(bǔ)強(qiáng)，以及伴隨著與施工時相比，因交通量和積載量等大幅度增加而造成的劣化所進(jìn)行的道路橋梁等補(bǔ)強(qiáng)，都開始滲透碳纖維片材的施工法。這種施工法是將單向排列的碳纖維片材或織物狀材料，用常溫固化型的環(huán)氧樹脂貼服于結(jié)構(gòu)物表面而進(jìn)行的補(bǔ)修與補(bǔ)強(qiáng)。公路橋的地面、橫梁、建筑物和梁、構(gòu)架以及煙筒等的彎曲補(bǔ)強(qiáng)中，碳纖維的模量變得格外重要。除前文所述日本東麗在汽車領(lǐng)域中的大幅研制與應(yīng)用外，近年來以歐洲為中心，在渡輪、大型快艇和其他舟艇類方面，碳纖維的市場需求量正在增長。在能源及相關(guān)領(lǐng)域，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、燃料電池電極、飛輪等用途，碳纖維的成長趨勢更是強(qiáng)勁。雖然風(fēng)力發(fā)電用途目前尚待進(jìn)一步推廣，但這些應(yīng)用領(lǐng)域都能充分發(fā)揮碳纖維的特長。碳纖維的應(yīng)用，除涉及到以往X射線醫(yī)療器械、電子器械等相關(guān)領(lǐng)域、各種機(jī)械部件、電器部件、傘類骨架、頭盔等與生活相關(guān)的用品，以及卡車的構(gòu)架、車輛的結(jié)構(gòu)體、冷凍箱、家用電梯等新項(xiàng)目。

第四篇：碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域相關(guān)發(fā)展

碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展淺析

咱們分航空和航天兩個方面，對CFRP的應(yīng)用，略加介紹。這篇的很多技術(shù)術(shù)語，都在前文中介紹過。您有了那些鋪墊，再讀下去，會覺得沒那么生澀。還會因?yàn)橹懒饲耙蚝蠊?，感悟得更多一點(diǎn)所謂外行看熱鬧，內(nèi)行看門道。說到應(yīng)用，國外的料大家盡管爆，國內(nèi)產(chǎn)品公開的信息不多，因此兵器迷所知有限，只能給大家上個小菜——所有國內(nèi)資料都來自互聯(lián)網(wǎng)官方報(bào)道和公開出版物，并注明了相關(guān)來源。額來壇子的目的，第一是學(xué)習(xí)，第二是分享，第三是科普。

一、航空方面的CFRP應(yīng)用

業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為，碳纖維復(fù)合材料在軍用航空方面的應(yīng)用大體上可以分為三個階段（也有按四個階段分的，差異不大）。民機(jī)對安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性要求高于軍機(jī)，因此在應(yīng)用上更加保守和延后，但也大體追隨了軍機(jī)的步伐。在此一并介紹。

第一階段——非承力結(jié)構(gòu)：20世紀(jì)60-70年代：由于1公斤CFRP可以大體替代3公斤鋁合金，性能滿足要求，因此開始用于非承力結(jié)構(gòu)，如艙門、前緣、口蓋、整流罩等尺寸較小的部件。對于民機(jī)，除了上述應(yīng)用外，機(jī)艙大量的內(nèi)飾也會用到復(fù)合材料，但其中有很多是芳綸或者玻璃纖維復(fù)材，這里不贅述。

國內(nèi)方面：從難度上說，非承力結(jié)構(gòu)是航空復(fù)材的小case，但是應(yīng)用面卻最廣泛。國內(nèi)在技術(shù)上已無大的障礙，基本達(dá)到了國外類似的水平，需要的是大規(guī)模普及。相信ARJ21,C919和運(yùn)20等大平臺和眾多無人機(jī)小平臺定型運(yùn)營后，能夠?yàn)榇颂峁V闊的應(yīng)用空間。

這些一般應(yīng)用，大多用便宜的大絲束產(chǎn)品就夠了；而T300以上的產(chǎn)品，貴得離譜，好鋼用在刀刃上，于是大多用在承力結(jié)構(gòu)上。

第二階段——次承力結(jié)構(gòu)：20世紀(jì)70-80年代：隨著力學(xué)性能的改善與前期應(yīng)用的效果提高了人們的信心，CFRP逐步擴(kuò)展到飛機(jī)的次承力結(jié)構(gòu)，即垂尾、平尾、鴨翼、副襟翼舵面等受力較大、尺寸較大的部件。

其中，1971年美國F-14戰(zhàn)斗機(jī)把纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成功應(yīng)用在平尾上，是復(fù)合材料史上的一個里程碑事件。波音B777也將CFRP應(yīng)用于垂尾、平尾等多處部件，共用復(fù)合材料9.9噸，占結(jié)構(gòu)總重的11%。

國內(nèi)方面:

中國將CFRP用于軍機(jī)的舵面和翼面，也已經(jīng)開始成熟。

根據(jù)《玻璃鋼》等雜志的公開報(bào)道,早在“六五”期間，沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)所、航空材料研究院和沈陽飛機(jī)廠共同研制殲擊機(jī)復(fù)合材料垂尾壁板，比原鋁合金結(jié)構(gòu)輕21kg，減重30％。北京航空工藝研究所研制并生產(chǎn)的QY8911／HT3雙馬來酰亞胺單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料已用于飛機(jī)前機(jī)身段、垂直尾翼安定面、機(jī)翼外翼、阻力板、整流壁板等構(gòu)件。殲轟7-A戰(zhàn)機(jī)采用了CFRP平尾。

2009年建國60周年國防成就展上，報(bào)道了殲10在鴨翼、垂尾、襟副翼、腹鰭等所有7個舵面和腹鰭采用了CFRP材料，這與國外這一階段的發(fā)展水平基本相當(dāng)。

2011年通用航空大會上披露，即將定型的獵鷹L15高教機(jī)也采用了復(fù)材的機(jī)頭罩、方向舵和垂尾，其中舵面是CFRP。

在民機(jī)方面，ARJ21新支線飛機(jī)的復(fù)合材料技術(shù)水平大體達(dá)到了這樣一個水平，算是開了個頭，但大規(guī)模應(yīng)用尚需時日。

圖1 國內(nèi)某機(jī)型基于“π”形接頭盒段結(jié)構(gòu)成型的CFRP垂直安定面

圖2：獵鷹L15采用了T300CFRP材料制作的尾翼舵面

國內(nèi)CFRP次承力構(gòu)件的廣泛應(yīng)用，與T300生產(chǎn)進(jìn)程密切相關(guān)。材料的國產(chǎn)化，產(chǎn)量的擴(kuò)大化和價格的低廉化，分別為CFRP次承力構(gòu)件的應(yīng)用提供可能性、適用性和經(jīng)濟(jì)性。從而最終推動CFRP次承力構(gòu)件成為國產(chǎn)軍民航空器的標(biāo)配。

這一階段的材料和工藝，都是我們用T300和手工鋪疊工藝能夠達(dá)到的，因此未來的發(fā)展相對有把握。但如果制件再大些，承力再大些，就會涉及主承力結(jié)構(gòu)了。

第三階段，從上世紀(jì)80年代至今，隨著高性能碳纖維和預(yù)浸料-熱壓罐整體成型工藝的成熟，CFRP逐步進(jìn)入機(jī)翼、機(jī)身等受力大、尺寸大的主承力結(jié)構(gòu)中。

美國原麥道飛機(jī)公司于1976年率先研制了F/A-18的復(fù)合材料機(jī)翼，把復(fù)合材料的用量提高到了13%，成為復(fù)合材料史上的又一個重要里程碑。后期更采用自動鋪絲技術(shù)為FA-18E/F制造CFRP的12塊機(jī)身蒙皮，10塊進(jìn)氣管蒙皮，4塊水平尾翼蒙皮。F16戰(zhàn)斗機(jī)BLOCK50之后也開始采用CRPR復(fù)合材料機(jī)翼。F22戰(zhàn)機(jī)的復(fù)合材料用量已經(jīng)提高到結(jié)構(gòu)重量的22%。目前西方國家軍機(jī)上復(fù)合材料用量約占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的 20%～50%不等。

民機(jī)方面，波音777采用全復(fù)合材料尾翼，其翼面及翼盒構(gòu)件，均采用自動鋪帶技術(shù)制造。空客A330/A340飛機(jī)長9m，寬2m，重200kg的大型蒙皮壁板。A380的后機(jī)身所有蒙皮壁板19段，22%的機(jī)身重量是CFRP。尤其是A380的8*7*2.4米中央翼盒，重8.8噸，CFRP就用了5.5噸，比金屬材料減重達(dá)1.5噸，其燃料經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)可觀。

這方面的先行者，是波音公司的B787“夢想”飛機(jī)，復(fù)合材料應(yīng)用率50%。CFRP廣泛應(yīng)用在機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、平尾、機(jī)身地板梁、后承壓框等部位，同時是第一個同時采用CFRP復(fù)合材料機(jī)翼和機(jī)身的大型商用客機(jī)，其23% 的機(jī)身均使用了自動鋪絲機(jī)制成的CFRP材料。

最值得關(guān)注的，是其機(jī)身：787機(jī)身工藝采用直徑5.8m 的成型模胎安裝在一旋轉(zhuǎn)夾具上沿長軸轉(zhuǎn)動，先鋪長桁然后鋪皮，形成外表光滑的變厚度的殼體以及共固化的桁條組成的機(jī)身段，經(jīng)過熱壓罐固化后，取下模胎。這一工藝可以代替由上百塊蒙皮壁板、加強(qiáng)筋及長桁、上千個緊固件組成機(jī)身的工藝，見下圖。

圖3：波音787直徑5.8米整體成型CFRP框段

在研機(jī)方面，波音公司X-45系列飛機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)90%以上，諾斯羅普·格魯門公司的X-47系列飛機(jī)也基本上為全復(fù)合材料飛機(jī)。

看完波音的系列CFRP主承力結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，兵器迷想問問某些網(wǎng)友，憑哪條說美國是產(chǎn)業(yè)空心化，只剩下金融和房地產(chǎn)了？人家居安思危，幾句謙虛的自拙之語，被剛進(jìn)入工業(yè)化不久的我們?nèi)绔@至寶般的照單全收，再加以主觀放大，作為沾沾自喜的根據(jù)，實(shí)在不足為取啊。

國內(nèi)方面

根據(jù)中廣網(wǎng)的公開報(bào)道，2012年12月，中航工業(yè)西飛公司向中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司(簡稱中國商飛)交付了C919大型客機(jī)中央翼、襟翼及運(yùn)動機(jī)構(gòu)部段，這是C919大型客機(jī)七大部段中難度最大、工作量最大的兩個部分。這兩個部段尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形公差要求高，尤其是國內(nèi)民機(jī)最長尺寸、長達(dá)15米的襟翼緣條加工，技術(shù)難度非常大。西飛突破了復(fù)合材料大型成型模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)、復(fù)合材料構(gòu)件預(yù)裝配變形控制技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)，整個研制過程全部采用先進(jìn)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、傳遞與制造，中央翼部段除1號肋是金屬件外，全部采用了先進(jìn)的中模高強(qiáng)碳纖維/增韌環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制造。這是國內(nèi)首次在固定翼飛機(jī)最重要的主承力結(jié)構(gòu)件上使用復(fù)合材料，代表了中國制造的碳纖維航空復(fù)合材料應(yīng)用的最高水平。

圖4 國內(nèi)基于T 形接頭共固化/膠接一體成型工藝研制的盒段件。

圖5國內(nèi)采用CFRP生產(chǎn)的某機(jī)型縱橫向加筋機(jī)身壁板。

注意，圖5的產(chǎn)品仍然面積較小，需要通過機(jī)械加工多塊拼接形成大型壁板。而波音787可以整體成型超長超寬的壁板，覆蓋在兩個大型工藝分離面（核心主框段）之間，如5.8m×7m 的47 段和 4.3m×4.6m的 48段CFRP壁板。

我們能做出來786這么大的壁板嗎？回答是：能。

這位眼睛瞪圓了——那為什么不用呢？

其實(shí)，國內(nèi)C919大飛在一開始，也曾雄心勃勃，想做類似波音787這樣的大型整體壁板.但我們的工藝水平不成熟，雖然能做出來，卻無法控制批次質(zhì)量的穩(wěn)定性.廢品率高，成本自然下不來。C919是商飛啊，不是技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，安全性和經(jīng)濟(jì)性都是一票否決，所以琢磨了很久，還是放棄了。仍然采用分塊成型拼接吧。

差強(qiáng)人意,亦屬無奈。

為了學(xué)習(xí)CFRP大型構(gòu)件整體成型的新技術(shù)、新工藝，哈飛復(fù)合材料公司與外方合作伙伴一起，共同進(jìn)行C919的部件開發(fā)。下圖6展示的，就是哈飛復(fù)材公司參與制造的C919機(jī)尾框段——在2.4米的長度內(nèi)，直徑從2米平滑過渡到1.2米，一次整體成型，是目前公開所見國內(nèi)合作制作的最大體積整體成型CFRP制件。見圖6

圖6：C919機(jī)尾76-81框的CFRP整體成型框段

CFRP主承力結(jié)構(gòu)件，對T700,T800等高性能軍用碳纖維生產(chǎn)，以及大型復(fù)材整體成型技術(shù)提出了更高需求。國內(nèi)在這兩方面又都存在短板甚至空白。因此大多數(shù)應(yīng)用是探索性，合作性和階段性的。在短期內(nèi)，我們尚無法做到主承力結(jié)構(gòu)CFRP的大規(guī)模應(yīng)用。

對此，正確的態(tài)度應(yīng)當(dāng)是：學(xué)而時習(xí)之。中國人有差距，不可怕。咱學(xué)，咱追，一定有一天咱超——就像空警2000一樣。可怕的是妄自菲薄和夜郎自大兩種極端心態(tài)。這樣的心態(tài)，距離事實(shí)很遠(yuǎn);距離成功，那是無限遠(yuǎn)。

CFRP三個階段的應(yīng)用介紹完了，咱們再看看——

直升機(jī)、旋翼機(jī)、風(fēng)扇葉片等其他方面

包括CFRP在內(nèi)的先進(jìn)復(fù)合材料的用量甚至更大。如V-22魚鷹傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，其結(jié)構(gòu)的50%由復(fù)合材料制成，包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等，共用復(fù)合材料3000多千克，其中很大一部分是CFRP。V-22的整體后機(jī)身，原由9塊手工鋪疊的壁板裝配構(gòu)成，后改為自動鋪絲工藝整體成型，減少了34％的緊固件，53％的工時，降低了90％廢料率。自動鋪絲技術(shù)同時應(yīng)用于儲油箱、旋翼整流罩、主起落架艙門。已經(jīng)下馬的“科曼奇”(RAH-66)共使用復(fù)合材料50%，歐洲最新批次的“虎”式武裝直升機(jī)結(jié)構(gòu)部件的復(fù)合材料用量高達(dá)80%，接近全復(fù)材結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)方面：

2011年國際通用航空大會披露，我國與法國、新加坡合作研制的輕型直升機(jī) EC120的機(jī)身、垂尾、水平安定面、尾翼、前艙等結(jié)構(gòu)均由CFRP等復(fù)合材料制成。在軍機(jī)方面，近年來所有的國產(chǎn)直升機(jī)旋翼都是多維編制的CFRP復(fù)材葉片，金屬旋翼葉片已經(jīng)完全淘汰。報(bào)載：復(fù)材葉片和先進(jìn)旋翼機(jī)構(gòu)，已經(jīng)成為中國直升機(jī)整體短板下不可多得的優(yōu)勢點(diǎn)，水平基本與國外看齊——?dú)?0、武直

10、遼寧號這些平臺類的突破固然可喜，而直升機(jī)葉片這樣長期困境中的點(diǎn)滴進(jìn)步，也同樣令人感動。

既然說起葉片，再嘮叨兩句航空渦扇發(fā)動機(jī)。

大家知道，航發(fā)的風(fēng)扇葉片，大多采用鈦合金。金屬葉片有一個弱點(diǎn)，就是振動阻尼性能較差，高速旋轉(zhuǎn)時容易震顫，而且不易衰減。而且如果葉片本身已經(jīng)有微小裂紋，就會在這種持續(xù)震顫中，引發(fā)裂紋由內(nèi)向外快速擴(kuò)張，在極短時間內(nèi)造成葉片斷裂。這是一種比共振更加危險(xiǎn)的振動現(xiàn)象。

因此，有些風(fēng)扇就在每個葉片的兩側(cè)加一個凸臺，專業(yè)術(shù)語稱為“凸肩”。建國60周年空軍成就展上披露，在殲11系列的AL31FN和WS-10A發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口，都有這樣的凸肩（見下圖）。這樣，葉片全部高速旋轉(zhuǎn)時，各凸肩形連起來成了一個加強(qiáng)環(huán)，增加了葉片剛度。而且，葉片是依次疊加的，每個凸肩“頂”著前面一個葉片，有效降低了阻尼震顫。但這樣做的后果，是凸肩增加了葉片厚度和重量，同時增加了葉片數(shù)量，降低了發(fā)動機(jī)的推重比。

圖7：殲10發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口的凸肩（紅圈處）

而CFRP材料制成的風(fēng)扇葉片，由于纖維多層交叉鋪貼，材料本身“各向異性”性能優(yōu)越，裂紋生長緩慢，再加上振動衰減率比鈦合金快5-6倍，因此可以取消葉片凸肩。2010年珠海航展披露，GE和法國斯奈克瑪為C919大飛聯(lián)合研制的發(fā)動機(jī)LEAP-X，就采用了CFRP三維碳纖維編織物整體成型的風(fēng)扇葉片，不但重量減輕了50%，葉片數(shù)也減少了一半。

國內(nèi)發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片，目前只看到渦槳發(fā)動機(jī)的復(fù)合葉片，尚未見到實(shí)裝渦扇發(fā)動機(jī)使用CFRP的報(bào)道。2012年珠海航展上的CJ-1000A發(fā)動機(jī)是我國第一款商用渦扇航空發(fā)動機(jī)在研產(chǎn)品，據(jù)稱采用了CFRP寬弦復(fù)合大彎掠風(fēng)扇葉片。讓我們假以時日，拭目以待吧。

在2011年中國國際通用航空大會上，“天弩”、“風(fēng)刃”等無人機(jī)采用了全機(jī)結(jié)構(gòu)CFRP材料，V750無人直升機(jī)、小型通用航空雙座飛機(jī)，也都大范圍采用了CFPR蒙皮，可以看作是國內(nèi)碳纖維復(fù)材在通用航空領(lǐng)域的有益嘗試。

航空說完了，咱吧眼光再放遠(yuǎn)點(diǎn)，看看航天吧。

二、航天方面的CFRP應(yīng)用

鼻錐和翼面：洲際導(dǎo)彈、宇航飛船高速再入大氣層時，由于絕熱壓縮空氣的阻力，飛行器表面的溫度非常高。美國阿波羅飛船指揮艙表面的最高溫度達(dá)2740℃。利用CFRP系列中的分支——碳纖維碳增強(qiáng)復(fù)合材料CFRC（也稱碳/碳復(fù)合材料）制成燒蝕材料，熱力學(xué)性能優(yōu)異，防熱效果好。如美國碳/碳復(fù)合材料在3837℃高溫持續(xù)255秒的過程中，線燒蝕率只有0.005毫米/秒，保證了航天飛機(jī)在1650℃的環(huán)境中連續(xù)工作40分鐘安然無恙。而且，碳/碳復(fù)合材料用來制造洲際彈道導(dǎo)彈的鼻錐和翼尖，在燒蝕過程中燒蝕率低、燒蝕均勻和燒蝕對稱。這保持了航空器的良好氣動外形，有利于減少非制導(dǎo)誤差，美國的民兵-III導(dǎo)彈，就采用了碳/碳復(fù)材鼻錐。

噴管喉襯：固體火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑燃燒時產(chǎn)生的高溫高壓和高能粒子從噴管以3.0～4.5馬赫的超音速噴出，噴管承受3 500℃高溫、5～15 MPa的壓力和高溫沖刷。美國的民兵-III導(dǎo)彈，第三極火箭噴管喉稱采用了碳布浸漬樹脂，滿足3260℃工作60秒的需求。MX彈道導(dǎo)彈第三級發(fā)動機(jī)的噴管關(guān)鍵部位如外頭帽前段、整體喉襯入口段和喉部下游段采用了CFRC。固定體和柔性接頭絕熱層采用了碳纖維填充三元乙丙橡膠(EPOM)；海軍三叉戟Ⅱ型(D-5)的第一、第二級發(fā)動機(jī)采用了CFRC。

發(fā)動機(jī)殼體：導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)殼體的減重，有利于提高導(dǎo)彈射程。美國“北極星”導(dǎo)彈的固體發(fā)動機(jī)殼體由金屬材料到CFRP材料制造，射程提高了1倍左右。例如，“北極星”AⅠ型的兩級殼體都用鋼，射程僅為2 200 km；AⅡ型第一級為鋼，第二級用GFRP，射程提高到2 800 km；AⅢ兩級都用GFRP，射程提高到4 600 km。三叉戟Ⅱ型(Trident-Ⅱ，D-5)，固體發(fā)動機(jī)殼體采用了CFRP，射程由Ⅰ型的7 400 km提高到12 000 km，命中精度為90 m，成為當(dāng)前潛射洲際彈道導(dǎo)彈的主要型號。而且，美國目前的新型火箭，基本連殼體都是CFRP復(fù)材制成，重量輕、體積小、射程遠(yuǎn)。

再入彈頭：洲際彈道導(dǎo)彈的頭部大面積防熱材料大多采用粘膠基碳纖維增強(qiáng)酚醛樹脂。美國Amoco、Hitco公司和白俄羅斯的斯威特朗岡斯克(СВЕТЛОГОРСК)是世界上生產(chǎn)粘膠基碳纖維的主要大廠。不但防熱效果好，而且粘膠基碳纖維和酚醛樹脂的純度高，堿、堿土金屬的含量相當(dāng)?shù)?，重返大氣層過程中形成的燒蝕尾流含金屬離子少，不易跟蹤，加強(qiáng)了導(dǎo)彈的突防和生存能力。

級間聯(lián)接：美國GE公司為“阿特拉斯”導(dǎo)彈設(shè)計(jì)的高2.34米的聯(lián)接器，除口蓋之外全部采用碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，比鋁合金減重44%。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料：美國康維爾公司為雙元“OV-I”衛(wèi)星制作了CFRP的四根大梁結(jié)構(gòu)，減重68%。美國”ATS”衛(wèi)星的地球觀測艙CFRP連接支架，長4.4米，僅重3.6公斤，可承受9頓負(fù)荷。比最好的金屬支架減重50%以上，而且高低溫度下的變形很小。

有鑒于此，分析了一下印度烈火-5導(dǎo)彈的公開報(bào)道（17.5米的長度，50噸的重量，1噸的彈頭，長細(xì)尖銳的彈頭外形?..）, 估計(jì)其尚不具備火箭發(fā)動機(jī)CFRP殼體，或者火箭CFRP外殼，且缺乏長程洲際導(dǎo)彈高彈道再入大氣層所需要的粘膠基碳纖維的獨(dú)立生產(chǎn)能力。果真如此，那么面對其航天大國和洲際導(dǎo)彈強(qiáng)國的炫耀，只能說，印度的進(jìn)步是顯著的，差距也同樣顯著。

這位說了，說人家阿三，咱自己中不中??？呵呵，咱往下看。

國內(nèi)方面：

據(jù)《合成纖維》等雜志和網(wǎng)上的公開報(bào)道，我國在戰(zhàn)略武器方面的碳纖維應(yīng)用情況如下：

火箭發(fā)動機(jī)殼體：中國的GFRP固體發(fā)動機(jī)殼體始于20世紀(jì)80年代，并已取得成功。“東方紅-2”通訊衛(wèi)星運(yùn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)、“風(fēng)云-2”氣象衛(wèi)星運(yùn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)和“長征-2E”發(fā)動機(jī)的殼體都采用了GFRP來制造。我國研制成功的大型(殼體直徑1 402 mm，長2 058 mm)SPTM-14發(fā)動機(jī)與長二捆火箭配套，成功地將模擬衛(wèi)星送入軌道，標(biāo)志著我國大型GFRP殼體進(jìn)入實(shí)用階段。之后，我國研制成功的EPKM-17上面級發(fā)動機(jī)殼體(直徑1700 mm，長1 874 mm)與長二捆大推力火箭配套，于1995年末成功地將“亞洲二號”衛(wèi)星和“艾克斯達(dá)一號”衛(wèi)星送入36 000 km的太空。

火箭導(dǎo)彈殼體：我國研制CFRP殼體也取得了長足進(jìn)步。1990年代后期，進(jìn)行了T300固體火箭發(fā)動機(jī)殼體的基礎(chǔ)試驗(yàn)、殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)、點(diǎn)火試車等全程考核，完成了12K T700 CFRP殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)。第一個用在型號上的是“開拓者一號”固體小運(yùn)載發(fā)動機(jī)的第四級(直徑640 mm)，并于2003年9月飛行成功。實(shí)現(xiàn)了CFRP殼體的歷史性跨越。目前，T800 CFRP殼體預(yù)研試驗(yàn)已經(jīng)展開。

噴管喉襯：我國研制的C／CFRP噴管于1989年點(diǎn)火成功，出口壁厚最薄處僅為0.9 mm的大尺寸(Ф500～2 000 mm左右)噴管顯示出優(yōu)異的綜合性能。

再入彈頭：根據(jù)《東華校友》“創(chuàng)制國防尖端材料的科研先鋒——記上海市勞動模范潘鼎教授”一文報(bào)道，2001-2003上海勞動模范，東華大學(xué)材料學(xué)教授、博士生導(dǎo)師潘鼎教授，主持了“300Kg/年粘膠基碳纖維擴(kuò)試線”這一國家級重大軍工科研項(xiàng)目，用不同于國外原料的國產(chǎn)棉纖維素原絲制成了填補(bǔ)國內(nèi)空白、產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)水平的高純度航天級粘膠基碳纖維，成果無償轉(zhuǎn)給中科院山西煤化所，進(jìn)行放大生產(chǎn)。課題組還制定了“ＧＪＢ３８３９－２０００”國家標(biāo)準(zhǔn)，形成了具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)、世界上獨(dú)一無二的，用棉纖維素粘膠簾子線制備碳纖維的技術(shù)及應(yīng)用設(shè)備。該技術(shù)和產(chǎn)品榮獲2003國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎，解決了DF-31導(dǎo)彈的定型難題，并使我國已成為美俄之外，能夠獨(dú)自掌握這一產(chǎn)品及其生產(chǎn)技術(shù)的世界第三大國。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)

據(jù)中國質(zhì)量新聞網(wǎng)報(bào)道，我國2011年發(fā)射的嫦娥二號探月衛(wèi)星，其定向天線的重要支撐部分，定向天線展開臂，是由哈爾濱玻璃鋼研究院研發(fā)的CFRP復(fù)材，總重量僅500余克，較使用鋁合金材質(zhì)減輕近300克，但承重能力毫不遜色。

有朋友說，300克算什么??？呵呵，要知道，衛(wèi)星的減重，是以克計(jì)的，少1克，能節(jié)約500克燃料。少300克，衛(wèi)星就可以多帶一個相機(jī)或望遠(yuǎn)鏡，多完成一些任務(wù)。再看看減重比例：40%，還是很有效的，呵呵。

總結(jié)

至此，關(guān)于碳纖維及其復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展淺析系列文章，就此打住了。

有朋友問：你說了這么多，那么在碳纖維復(fù)材的航空航天應(yīng)用上，中國在世界上究竟處于什么位置呢？

這個問題，兵器迷可回答不了，咱們借用中國材料大師師昌緒老先生在2010年的評論：目前中國的CFRT應(yīng)用，大約處于西方發(fā)達(dá)國家1980年代的水平。

從上面的介紹可以看出，中國的碳纖維復(fù)材，在軍用領(lǐng)域緊追慢趕，亮點(diǎn)不少。但在民用航空領(lǐng)域的發(fā)展，一直大幅度落后于美歐日等國家，直接原因是成本太高，比要替代的鋁合金貴的多，甚至比鈦合金還要貴。

這其中的間接原因是多方面的。

首先，戰(zhàn)略軍用小絲束產(chǎn)品，得益于兩代“核心”領(lǐng)導(dǎo)的重視，T300軍用碳纖維的完全國產(chǎn)化，使得次承力結(jié)構(gòu)軍用構(gòu)件有較快的發(fā)展。而民用大絲束領(lǐng)域的政策扶持相對滯后許多。實(shí)際上，國家當(dāng)年資源人力都有限，為了救急，集中精力搞軍用小絲束，是完全合理的。但是，從長遠(yuǎn)來看，通用、民用產(chǎn)品的市場空間更大，是碳纖維行業(yè)持久發(fā)展、持續(xù)創(chuàng)新的厚土沉基。在軍品已經(jīng)打開突破口，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國力增強(qiáng)的今天，不要說大絲束，即便是小絲束產(chǎn)品，也應(yīng)當(dāng)更多的從市場和民用角度，拓寬其行業(yè)基礎(chǔ)，以軍帶民、以民養(yǎng)軍、分苗嫁接、開枝散葉，形成軍用技術(shù)和民用產(chǎn)業(yè)的良性互動。這是政策層面的原因。

第二，國內(nèi)十?dāng)?shù)家碳纖維生產(chǎn)廠家，群雄并起，看似熱鬧，實(shí)際上有很大一部分并沒有掌握核心技術(shù)。要么是關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵材料需要進(jìn)口，要么是工藝參數(shù)和質(zhì)量控制沒有吃透。甚至，很多企業(yè)到現(xiàn)在，PAN原絲生產(chǎn)還要高價進(jìn)口東麗公司的DMSO溶劑，屬于照貓畫虎形的“自主生產(chǎn)”。多數(shù)廠家的產(chǎn)品質(zhì)量批次差異性較大，纏結(jié)、斷絲時有發(fā)生，合格的PAN原絲生產(chǎn)量不過100噸/年，達(dá)不到基本規(guī)模經(jīng)濟(jì)水平。產(chǎn)業(yè)布局和關(guān)鍵技術(shù)的把握，都有很大的提升空間。這是PAN原絲和碳纖維生產(chǎn)層面的原因。

第三，在預(yù)浸料自動鋪疊技術(shù)和整體成型工藝，已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家成熟制造技術(shù)，但對于中國航空航天碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域，依然是工業(yè)化生產(chǎn)中最大的一塊短板，甚至空白。即便有了引進(jìn)設(shè)備，我們對復(fù)材的物理性質(zhì)，力學(xué)性能研究不透，對加工參數(shù)掌握不足，知其然不知其所以然，直接用國外的軟件設(shè)計(jì)復(fù)材方案，導(dǎo)致CFRP復(fù)材的產(chǎn)量低、價格高、質(zhì)量不穩(wěn)定和創(chuàng)新能力低下。軍用部件不計(jì)成本，也就罷了，而對商業(yè)化批量生產(chǎn)和應(yīng)用，這就是一個重大的阻礙，很多廠家為此畏難而退，裹足不前，干脆直接用已經(jīng)摸透的金屬材料做更有把握和更經(jīng)濟(jì)。這是復(fù)材生產(chǎn)層面的原因。

第四，航空航天器的設(shè)計(jì)，需要結(jié)合復(fù)材性能特性，加強(qiáng)整體設(shè)計(jì)的思想，而不是簡單的替換原金屬部件。舉一個簡單的例子，國內(nèi)某型軍機(jī)的平尾改用CFRP復(fù)材后，確實(shí)輕了不少，但卻因此改變了全機(jī)力矩平衡，需要通過配重進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果整機(jī)減重效果并不理想。當(dāng)然，逐項(xiàng)替代也是一種有效的驗(yàn)證步驟，但有一種理念需要強(qiáng)調(diào)：局部優(yōu)化不代表整體優(yōu)化。在復(fù)合材料應(yīng)用愈加廣泛的今天，頂層設(shè)計(jì)，全局優(yōu)化，才能最大化的發(fā)揮復(fù)材的最大功能效用和經(jīng)濟(jì)效用。這是設(shè)計(jì)思想層面的原因。

寫至此處，兵器迷覺得筆端異常沉重——回顧碳纖維復(fù)材的發(fā)展歷程，我們再一次感受到美國的強(qiáng)大和日本的扎實(shí)。這種強(qiáng)大是深入骨髓的，這種扎實(shí)是無所不在的。在碳纖維這個領(lǐng)域，他們傲然前行，卓越領(lǐng)先。

這里面有著深層次的原因。如果不能正視這種真正的領(lǐng)先，反而意淫著多少年GDP趕上美國就揚(yáng)眉吐氣了，那么GDP第一長達(dá)上百年的大清朝頹然崩坍的歷史，就可能重演。如果不能從長效機(jī)制和基礎(chǔ)研究上練真功夫，那么我們今天的進(jìn)步就可能是局部甚至短暫的。

當(dāng)然，承認(rèn)現(xiàn)實(shí)不代表低頭認(rèn)輸。中國強(qiáng)大過數(shù)千年，也落后過數(shù)百年，并且已經(jīng)追趕過數(shù)十年。雖然領(lǐng)跑者的數(shù)量和差距正在縮小，但學(xué)習(xí)和追趕仍將是我們這個民族今后很長一段時間的常態(tài)。懷著這樣的心態(tài)來看問題，美日的領(lǐng)先和強(qiáng)大，就能夠成為中國崛起成型過程中最好的熱壓罐——我們今天的挫折和困難，就像碳纖維和復(fù)材形成過程中的高溫和預(yù)浸料。忍辱負(fù)重、腳踏實(shí)地、科學(xué)精心地調(diào)制這一痛苦和嚴(yán)苛的過程，是中國軍工，乃至中華民族走向真正強(qiáng)大的必經(jīng)之途。

期盼著中國制造碳纖維的千絲萬縷，勝金克鐵；

憧憬著中國碳纖維復(fù)材制造的航空器，自由高飛。

第五篇：碳纖維在航空航天中的應(yīng)用

碳纖維在航空航天中的應(yīng)用

郭 偉 中國地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院

摘要: 碳纖維就是纖維狀的碳，由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。本文將針對碳纖維的結(jié)構(gòu)、性能、制備方法及其在航空航天中的應(yīng)用介紹。

引言

20世紀(jì)納米科技取得了重大發(fā)展，而納米材料是納米技術(shù)的基礎(chǔ)，碳纖維是一種比強(qiáng)度比鋼大，比重比鋁輕的材料，它在力學(xué)，電學(xué)，熱學(xué)等方面有許多特殊性能，碳纖維的強(qiáng)度比玻璃鋼的強(qiáng)度高；同時它還具有優(yōu)異的導(dǎo)電、抗磁化、耐高溫和耐化學(xué)侵蝕的性能，被認(rèn)為是綜合性能最好的先進(jìn)材料，因此它在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用推廣非常迅速。在近代工業(yè)中，特別是在航空航天中起著十分重要的作用。

1.碳纖維的概念

碳纖維就是纖維狀的碳，由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。與傳統(tǒng)的玻璃纖維(GF)相比，楊氏模量是其3 倍多；它與凱芙拉纖維(KF-49)相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。有學(xué)者在1981年將PAN基CF浸泡在強(qiáng)堿NaOH溶液中，時間已過去30多年，它至今仍保持纖維形態(tài)。2.碳纖維的結(jié)構(gòu)

碳纖維的結(jié)構(gòu)決定于原絲結(jié)構(gòu)和炭化工藝。對有機(jī)纖維進(jìn)行預(yù)氧化、炭化等工藝處理，除去有機(jī)纖維中碳以外的元素，形成聚合多環(huán)芳香族平面結(jié)構(gòu)。在碳纖維形成過程中，隨著原絲的不同，質(zhì)量損失可達(dá)10~80％，形成了各種微小的缺陷。但無論用哪種材料，高模量的碳纖維中的碳分子平面總是沿纖維軸平行的取向。用x一射線、電子衍射和電子顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，真實(shí)的碳纖維結(jié)構(gòu)并不是理想的石墨點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。碳纖維呈現(xiàn)亂層石墨結(jié)構(gòu)。在亂層石墨結(jié)構(gòu)中，石墨層片仍是最基本結(jié)構(gòu)單元，一般由數(shù)張到數(shù)十張層片組成石墨微晶，這是碳纖維的二級結(jié)構(gòu)單元。層片之間的距離叫面間距d，由石墨微晶再組成原纖維，其直徑為50nm左右，長度為數(shù)百nm，這是纖維的三級結(jié)構(gòu)單元。最后由原纖維組成碳纖維的單絲，直徑一般為6—8μm。原纖維并不筆直，而是呈彎曲、裙皺、彼此交叉的許多條帶組成的結(jié)構(gòu)。在這些條帶的結(jié)構(gòu)中，存在著針形孔隙，其寬度為1.6—1.8nm，長度可達(dá)幾十nm。在碳纖維結(jié)構(gòu)中的石墨微晶與纖維軸構(gòu)成一定的夾角，稱為取向角，這個角的大小影響纖維模量的高低。如聚丙烯脯基碳纖維的d為0.337nm，取向角為8°。碳纖維結(jié)構(gòu)是高倍拉伸的、沿軸向擇優(yōu)取向的原纖維和空穴構(gòu)成的高度有序織態(tài)結(jié)構(gòu)。影響碳纖維強(qiáng)度的重要因素是纖維中的缺陷。碳纖維中的缺陷主要來自兩方面，一方面是原絲帶來的缺陷，另一方面是炭化過程中產(chǎn)生的缺陷。原絲帶來的缺陷在炭化過程中可能消失小部分，而大部分將保留下來，變成碳纖維的缺陷。同時，在炭化過程中，由于大量的元素以及各種氣體的形成逸出，使纖維表面和內(nèi)部形成空穴和缺陷。3.碳纖維的性能 3.1 碳纖維的力學(xué)性能

碳纖維具有很高的抗拉強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度是鋼材的2倍、鋁的6倍。碳纖維模量是鋼材的7倍、鋁的8倍。

3.2 碳纖維的物理性能

碳纖維的密度在1.5—2.0g／cm3之間，這除與原絲結(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要決定于炭化處理的溫度。一般經(jīng)過高溫(3000℃)石墨化處理，密度可達(dá)2.og／cm3，碳纖維的熱膨脹系數(shù)與其他纖維不同，它有各向異性的特點(diǎn)。平行于纖維方向是負(fù)值(-0.72×10-6~0.90×10-6)，而垂直于纖維方向是正值(32×10-6~22×10-6)。碳纖維的比熱容一般為7.12×10-1 KJ／(kg·K)。熱導(dǎo)率隨溫度升高而下降。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關(guān)，在25℃時，高模量纖維為775μΩ／cm，高強(qiáng)度碳纖維為1500 μΩ／cm。碳纖維的電動勢是正值，而鋁合金的電動勢為負(fù)值。因此當(dāng)碳纖維復(fù)合材料與鋁合金組合應(yīng)用時會發(fā)生化學(xué)腐蝕。3.3碳纖維的化學(xué)性能

碳纖維的化學(xué)性能與碳很相似，它除能被強(qiáng)氧化劑氧化外，對一般堿性是惰性的。在空氣中，溫度高于400℃時則出現(xiàn)明顯的氧化，生成CO和CO2。在不接觸空氣或氧化劑時，碳纖維具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高于1500℃時強(qiáng)度才開始下降，而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化，它還有耐油、抗放射、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。4.碳纖維的制備

碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得：按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維：按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000兆帕（MPa）、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。強(qiáng)度大于4000MPa的又稱為超高強(qiáng)型：模量大于450GPa的稱為超高模型。隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強(qiáng)高伸型碳纖維，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。目前應(yīng)用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。碳纖維的制造包括纖維紡絲、熱穩(wěn)定化（預(yù)氧化）、碳化、石墨化等4個過程。其間伴隨的化學(xué)變化包括，脫氫、環(huán)化、預(yù)氧化、氧化及脫氧等。

第一、原絲制備，聚丙烯腈和粘膠原絲主要采用濕法紡絲制得，瀝青和酚醛原絲則采用熔體紡絲制得。制備高性能聚丙烯腈基碳纖維需采用高純度、高強(qiáng)度和質(zhì)量均勻的聚丙烯腈原絲，制備原絲用的共聚單體為衣康酸等。制備各向異性的高性能瀝青基碳纖維需先將瀝青預(yù)處理成中間相、預(yù)中間相（苯可溶各向異性瀝青）和潛在中間相（喹啉可溶各向異性瀝青）等。作為燒蝕材料用的粘膠基碳纖維，其原絲要求不含堿金屬離子。

第二、預(yù)氧化(聚丙烯腈纖維200～300℃)、不熔化（瀝青200～400℃）或熱處理(粘膠纖維240℃),以得到耐熱和不熔的纖維,酚醛基碳纖維無此工序。

第三、碳化,其溫度為：聚丙烯腈纖維1000～1500℃,瀝青1500～1700℃,粘膠纖維400～2000℃。第四、石墨化,聚丙烯腈纖維為2500～3000℃,瀝青2500～2800℃,粘膠纖維3000～3200℃。第五、表面處理，進(jìn)行氣相或液相氧化等，賦予纖維化學(xué)活性，以增大對樹脂的親和性。

第六、上漿處理,防止纖維損傷,提高與樹脂母體的親和性。所得纖維具有各種不同的斷面結(jié)構(gòu)。要想得到質(zhì)量好碳纖維，需要注意一下技術(shù)要點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)原絲高純化、高強(qiáng)化、致密化以及表面光潔無暇是制備高性能碳纖維的首要任務(wù)。碳纖維系統(tǒng)工程需從原絲的聚合單體開始，實(shí)現(xiàn)一條龍生產(chǎn)。原絲質(zhì)量既決定了碳纖維的性質(zhì)，又制約其生產(chǎn)成本。優(yōu)質(zhì)PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件。

（2）雜質(zhì)缺陷最少化，這是提高碳纖維拉伸強(qiáng)度的根本措施，也是科技工作者研究的熱門課題。在某種意義上說，提高強(qiáng)度的過程實(shí)質(zhì)上就是減少、減小缺陷的過程。

（3）在預(yù)氧化過程中，保證均質(zhì)化的前提下，盡可能縮短預(yù)氧化時間。這是降低生產(chǎn)成本的方向性課題。

（4）研究高溫技術(shù)和高溫設(shè)備以及相關(guān)的重要構(gòu)件。高溫炭化溫度一般在1300～1800℃，石墨化一般在2500～3000℃。在如此高的溫度下操作，既要連續(xù)運(yùn)行、又要提高設(shè)備的使用壽命，所以研究新一代高溫技術(shù)和高溫設(shè)備就顯得格外重要。如在惰性氣體保護(hù)、無氧狀態(tài)下進(jìn)行的微波、等離子和感應(yīng)加熱等技術(shù)。5.碳纖維在航空航天中的應(yīng)用

5.1在飛機(jī)機(jī)身上的應(yīng)用

近10 年來,國內(nèi)飛機(jī)上也較多的使用了碳纖維及其復(fù)合材料。例如由國內(nèi)幾家科研單位合作開發(fā)研制的某殲擊機(jī)復(fù)合材料垂尾壁板,比原鋁合金結(jié)構(gòu)輕21 kg ,減質(zhì)量30 %。北京航空制造工程研究所研制并生產(chǎn)的Q Y8911/ HT3雙馬來酰亞胺單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料已用于飛機(jī)前機(jī)身段、垂直尾翼安定面、機(jī)翼外翼、阻力板、整流壁板等構(gòu)件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/ AS4C 熱塑性樹脂單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料,具有優(yōu)異的抗斷裂韌性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲勞性能,適合制造飛機(jī)主承力構(gòu)件,可在120 ℃下長期工作,已用于飛機(jī)起落架艙護(hù)板前蒙皮。在316 ℃這一極限溫度下的環(huán)境中,復(fù)合材料不僅性能優(yōu)于金屬,而且經(jīng)濟(jì)效益高。隨著基體樹脂和碳纖維性能的不斷提高,碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的耐濕熱性及斷裂延伸率得到顯著改善和提高。在飛機(jī)上的應(yīng)用已由次承力結(jié)構(gòu)材料發(fā)展到主承力結(jié)構(gòu)材料。5.2 在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

樹脂基復(fù)合材料由于具有密度小、比強(qiáng)度高和耐高溫等固有特性,復(fù)合材料在航空渦輪發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的范圍越來越廣且比例越來越大,使航空渦輪發(fā)動機(jī)向“非金屬發(fā)動機(jī)”或“全復(fù)合材料發(fā)動機(jī)”方向發(fā)展。憑借比強(qiáng)度高,比模量高,耐疲勞與耐腐蝕性好的優(yōu)點(diǎn),J TA GG 驗(yàn)證機(jī)的進(jìn)氣機(jī)匣采用碳纖維增強(qiáng)的PMR15 樹脂基復(fù)合材料,比采用鋁合金質(zhì)量減輕26 %。

碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料，憑借密度小(有的僅為鎳基合金的1/ 2),比剛度和比強(qiáng)度高,耐溫性好等優(yōu)點(diǎn),碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料在壓氣機(jī)葉片、整體葉環(huán)、盤、軸、機(jī)匣、傳動桿等部件上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

目前主要的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品是以SiC 或C纖維增強(qiáng)的SiC 和SiN 基復(fù)合材料。憑借密度較小(僅為高溫合金的1/ 3～1/ 4),力學(xué)性能較高,耐磨性及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn),陶瓷基復(fù)合材料,尤其是纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料,已經(jīng)開始應(yīng)用于發(fā)動機(jī)高溫靜止部件(如噴嘴、火焰穩(wěn)定器),并正在嘗試應(yīng)用于燃燒室火焰筒、渦輪轉(zhuǎn)子葉片、渦輪導(dǎo)流葉片等部件上。5.3 在火箭發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

由于火箭發(fā)動機(jī)噴管壁受到高速氣流的沖刷,工作條件十分惡劣, 因此C/ C 最早用作其噴管喉襯, 并由二維、三向發(fā)展到四向及更多向編織。同時火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)者多年來一直企圖將具有高抗熱震的Ct / SiC 用于發(fā)動機(jī)噴管的擴(kuò)散段, 但Ct 的體積分?jǐn)?shù)高, 易氧化而限制了其廣泛應(yīng)用, 隨著CVD、CVI 技術(shù)的發(fā)展, 新的抗氧化Ct / SiC 及C-C/ SiC 必將找到其用武之地。Melchior 等認(rèn)為碳纖維CMC、陶瓷纖維CMC 以及C/ C 復(fù)合材料,特別是以SiC 為纖維或基體的CMC 抗氧化, 耐熱循環(huán)和燒蝕, 是液體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室和噴管的理想材料, 并進(jìn)行了總數(shù)為31 個的長達(dá)20 000 s 的燃燒室和噴管點(diǎn)火試驗(yàn), 內(nèi)壁溫度高達(dá)1732 ℃, 一個600 kg 發(fā)動機(jī)成功地點(diǎn)火七次, 溫度為1449℃。目前為解決固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)承載問題, 美國和法國正在進(jìn)行陶瓷纖維混合碳纖維而編織的多向(6 向)基質(zhì)、以熱穩(wěn)定氧化物為基體填充的陶瓷復(fù)合材料。SiC 陶瓷制成的喉襯、內(nèi)襯已進(jìn)行多次點(diǎn)火試驗(yàn)。今天作為火箭錐體候選材料的有A12O3、ZrO2、ThO2 等陶瓷, 而作為火箭尾噴管和燃燒室則采用高溫結(jié)構(gòu)材料有SiC、石墨、高溫陶瓷涂層等。碳纖維仍將是今后固體火箭發(fā)動機(jī)殼體和噴管的主要材料。5.4在衛(wèi)星和宇航器上的應(yīng)用

由于碳纖維的密度、耐熱性、剛性等方面的優(yōu)勢, 增強(qiáng)纖維以碳纖維為主。碳纖維復(fù)合材料在空間技術(shù)上的應(yīng)用, 國內(nèi)也有成功范例, 如我國的第一顆實(shí)用通信衛(wèi)星應(yīng)用了碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料拋物面大線系統(tǒng);第一顆太陽同步軌道“ 風(fēng)云一號” 氣象衛(wèi)星采用了多折迭式碳纖維復(fù)合材料剛性太陽電池陣結(jié)構(gòu)等。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕型化對衛(wèi)星功能及運(yùn)載火箭的要求至關(guān)重要,所以對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求很嚴(yán)。國際通訊衛(wèi)星VA 中心推力筒用碳纖維復(fù)合材料取代鋁后減質(zhì)量23 kg(約占30 %),可使有效載荷艙增加450條電話線路,僅此一項(xiàng)盈利就接近衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)

[1]高永忠.纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料在武器裝備上的應(yīng)用[J].應(yīng)用導(dǎo)航, 2006 ,01 :24.[2]李愛蘭,曾燮榕,曹臘梅等航空發(fā)動機(jī)高溫材料的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào),2003 ,17(2):26.[3]《航空航天先進(jìn)復(fù)合材料現(xiàn)狀》論文 吳良義

[4]《復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用》論文 蘇云洪,劉秀娟,楊永志 [5]部分內(nèi)容來源于維基百科及百度百科等網(wǎng)站