第一篇：碳纖維的應(yīng)用和個(gè)人感想

在碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域中，風(fēng)電葉片是個(gè)熱點(diǎn)。當(dāng)前，風(fēng)能在我國(guó)得到廣泛利用，風(fēng)電葉片需求潛力巨大。要減輕葉片的質(zhì)量，又要滿足強(qiáng)度與剛度要求，一個(gè)有效的辦法就是采用碳纖維增強(qiáng)。中復(fù)神鷹萬(wàn)噸級(jí)碳纖維一期工程投產(chǎn)暨中復(fù)聯(lián)眾2兆瓦風(fēng)電葉片、吉林明陽(yáng)大通風(fēng)電技術(shù)1.5兆瓦系列風(fēng)電機(jī)組等項(xiàng)目近期批量生產(chǎn)。其中，吉林明陽(yáng)大通產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝，樣機(jī)的累計(jì)運(yùn)行參數(shù)超過(guò)預(yù)期水平，并與吉林大唐、華電電力公司等單位草簽了約50億元的供貨合同。

為了降低風(fēng)電單位成本，風(fēng)機(jī)功率不斷提高，隨之葉片長(zhǎng)度也不斷增加，使碳纖維在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用成為必然。介紹了碳纖維在風(fēng)電葉片上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和不足，以及解決的技術(shù)途徑。

碳纖維材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用

當(dāng)葉片長(zhǎng)度增加時(shí)，質(zhì)量的增加要快于能量的提取。因?yàn)橘|(zhì)量的增加和風(fēng)葉長(zhǎng)度的立方成正比，而風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能和風(fēng)葉長(zhǎng)度的平方成正比。同時(shí)隨著葉片長(zhǎng)度的增加，對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了新的要求玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足。為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的質(zhì)量，又要滿足強(qiáng)度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強(qiáng)。國(guó)外專家認(rèn)為由于現(xiàn)有材料不能很好滿足大功率風(fēng)力發(fā)電裝置的需求，玻璃纖維復(fù)合材料性能已經(jīng)趨于極限，因此，在發(fā)展更大功率風(fēng)力發(fā)電裝置和更長(zhǎng)轉(zhuǎn)子葉片時(shí)，采用性能更好的碳纖維復(fù)合材料勢(shì)在必行。他們認(rèn)為當(dāng)風(fēng)力機(jī)超過(guò)3MW、葉片長(zhǎng)度超過(guò)40m時(shí)，葉片制造時(shí)采用碳纖維已成為必要的選擇。事實(shí)上，當(dāng)葉片超過(guò)一定尺寸后，碳纖維葉片反而比玻璃纖維葉片便宜，因?yàn)椴牧嫌昧?、勞?dòng)力、運(yùn)輸和安裝成本等都下降了。

目前國(guó)外把碳纖維用于葉片制造的廠家主 要有：

（1）丹麥LM Glassfiber“未來(lái)”葉片家族中61.5 m長(zhǎng)、5 MW風(fēng)機(jī)的葉片在梁和根部都選用了碳纖維。

（2）德國(guó)葉片制造商N(yùn)ordex Rotor新制造的56 m長(zhǎng)，5 MW風(fēng)機(jī)葉片的整個(gè)梁結(jié)構(gòu)也采用了碳纖維，他們認(rèn)為葉片超過(guò)一定尺寸后，碳纖維葉片的制作成本并不比玻璃纖維的高。

（3）Vestas Wind System 在他們制造的44 m長(zhǎng)、V-90 3.0 MW風(fēng)電機(jī)中的葉片的梁采用了碳纖維。2004 年12 月Zoltek Companies Inc.宣布與Vestaswind Systems AS公司訂立長(zhǎng)期戰(zhàn)略合同，在前3 a提供價(jià)值8千萬(wàn)到1億美元的碳纖維用于制造風(fēng)機(jī)葉片；Zoltek Companies Inc在股東大會(huì)上宣布對(duì)NEGMicon的碳纖維合同將比每年150 t增加1倍。同時(shí)每

年分別向Vestas和Gamesa各提供1 000 t，所用牌號(hào)為Panex33 48K。

（4）西班牙Gamesa在他們旋轉(zhuǎn)直徑為87 m(G87)和90 m(G90)2 MW的風(fēng)機(jī)的葉片中采用了碳纖維／環(huán)氧樹脂預(yù)浸料。

（5）NEG Micon在40 m的葉片中采用了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。

（6）德國(guó)Enercon GmbH在他們的大型葉片的制造中也使用了碳纖維。（7）華盛頓的Kirkland公司和TPI Composites公司合作，發(fā)展碳纖維風(fēng)機(jī)葉片，以求得最大的能量獲得，同時(shí)減輕風(fēng)機(jī)的負(fù)載。方案通過(guò)對(duì)30~35 m長(zhǎng)葉片的設(shè)計(jì)，制造和測(cè)試證明先進(jìn)的碳纖維混編設(shè)計(jì)葉片的商業(yè)化的可行性。

碳纖維在風(fēng)機(jī)葉片中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

碳纖維的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

(1)提高葉片剛度，減輕葉片重量

碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%，強(qiáng)度大40%，尤其是模量高3至8倍。大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。荷蘭戴爾弗理工大學(xué)研究表明，一個(gè)旋轉(zhuǎn)直徑為120米的風(fēng)機(jī)的葉片，由于梁的質(zhì)量超過(guò)葉片總質(zhì)量的一半，梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維，和采用全玻纖的相比，重量可減輕40%左右;碳纖維復(fù)合材料葉片剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的兩倍。據(jù)分析，采用碳/?；祀s增強(qiáng)方案，葉片可減重20%～30%。Vesta Wind System公司的V90 3 Mw發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構(gòu)件，葉片質(zhì)量與該公司V80 2 MW發(fā)電機(jī)且為39米長(zhǎng)的葉片質(zhì)量相同。同樣是34m長(zhǎng)的葉片，采用玻璃纖維增強(qiáng)聚脂樹脂時(shí)質(zhì)量5800kg，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時(shí)質(zhì)量5200kg，而采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時(shí)質(zhì)量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量比玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。

(2)提高葉片抗疲勞性能

風(fēng)機(jī)總是處在條件惡劣的環(huán)境中，并且24小時(shí)的處于工作狀態(tài)。這就使材料易于受到損害。相關(guān)研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當(dāng)與樹脂材料混合時(shí)，則成為了風(fēng)力機(jī)適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一。

(3)使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡，提高風(fēng)能利用效率 使用碳纖維后，葉片重量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減少對(duì)塔和輪軸的負(fù)載，從而使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同時(shí)，碳纖維葉片更薄，外形設(shè)計(jì)更有效，葉片更細(xì)長(zhǎng)，也提高了能量的輸出效率。

(4)可制造低風(fēng)速葉片

碳纖維的應(yīng)用可以減少負(fù)載和增加葉片長(zhǎng)度，從而制造適合于低風(fēng)速地區(qū)的大直徑風(fēng)葉，使風(fēng)能成本下降。

(5)可制造自適應(yīng)葉片

葉片裝在發(fā)電機(jī)的輪輪上，葉片的角度可調(diào)。目前主動(dòng)型調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)(active utility-size wind turhines)的設(shè)計(jì)風(fēng)速為13 to15m/sec(29 to 33mph)，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)時(shí)，則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜度來(lái)分散超過(guò)的風(fēng)力，防止對(duì)風(fēng)機(jī)的損害。斜度控制系統(tǒng)對(duì)逐步改變的風(fēng)速是有效的。但對(duì)狂風(fēng)的反應(yīng)太慢了，自適應(yīng)的各向異性葉片可幫助斜度控用系統(tǒng)(thepitch control system)，在突然的、瞬間的和局部的風(fēng)速改變時(shí)保持電流的穩(wěn)定。自適應(yīng)葉片充分利用了纖維增強(qiáng)材料的特性，能產(chǎn)生非對(duì)稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設(shè)計(jì)，使葉片在強(qiáng)風(fēng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)可減少瞬時(shí)負(fù)載。美國(guó)Sandia National Laboratories致力于自適應(yīng)葉片(“adzptive”blade)研究，使1.5W風(fēng)能從每KWh 5美分降到4.9分，價(jià)格可和燃料發(fā)電相比。

(6)利用導(dǎo)電性能避免雷擊利用碳纖維的導(dǎo)電性能，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效地避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。

(7)降低風(fēng)力機(jī)葉片的制造和運(yùn)輸成本

由于減少了材料的應(yīng)用，所以纖維和樹脂的應(yīng)用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運(yùn)輸成本都會(huì)下降?？煽s小工廠的規(guī)模和運(yùn)輸設(shè)備。

(8)具有振動(dòng)阻尼特性。碳纖維的振動(dòng)阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發(fā)生任何共振的可能性。

感想

在這次關(guān)于碳纖維的課題中，我們每人都負(fù)責(zé)一塊內(nèi)容，從碳纖維的歷史背景到合成工藝，又從發(fā)展應(yīng)用到熱點(diǎn)的討論和發(fā)展前景。每個(gè)人通過(guò)在網(wǎng)上查閱資料，最后資料整合，做成ppt，這個(gè)過(guò)程，我們付出了努力，從中也頗有收獲。這是一個(gè)自我探究與發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，對(duì)于未知領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)與探討，鍛煉了我們的學(xué)習(xí)能力，探究能力和合作能力。在這次課題里，我負(fù)責(zé)的是關(guān)于碳纖維的熱點(diǎn)，其實(shí)碳纖維的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛了，我在查閱了很多資料后，發(fā)現(xiàn)碳纖維可以用于航空航天、交通、體育與休閑用品、醫(yī)療、機(jī)械、紡織等很多的領(lǐng)域，然而，最有價(jià)值的我認(rèn)為是應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電，將碳纖維的工藝用于制造風(fēng)車葉片，是具有重大意義的，它對(duì)于人類能源的利用，人類未來(lái)的發(fā)展都影響很大，目前對(duì)于這一方面的知識(shí)也是很尖端的。

我整理的關(guān)于目前碳纖維的熱點(diǎn)，能源一直是人類發(fā)展的重要前提，目前世界能源緊缺，對(duì)于能源的充分利用具有重大的意義。在中國(guó)幅員遼闊，海岸線長(zhǎng)，風(fēng)力資源十分豐富，所以風(fēng)力發(fā)電對(duì)于能源的利用是十分重要的，風(fēng)車一直以來(lái)都在改進(jìn)，以獲得更大的效率，風(fēng)車葉片利用碳纖維加工，是很有遠(yuǎn)見性的，將碳纖維運(yùn)用于風(fēng)力發(fā)電，有很大的優(yōu)勢(shì)，(1)提高葉片剛度，減輕葉片質(zhì)量(2)提高葉片抗疲勞性能（3）使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡,提高風(fēng)能利用效率（4）可制造低風(fēng)速葉片（5）可制造自適應(yīng)葉片（6）利用導(dǎo)電性能避免雷擊（7）降低風(fēng)力機(jī)葉片的制造和運(yùn)輸成本（8）碳纖維的風(fēng)車葉片成為目前的熱點(diǎn)。

具有振動(dòng)阻尼特性。在這些優(yōu)勢(shì)下，

第二篇：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(guó)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(duì)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(shí)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(gè)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(shí)間已過(guò)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(duì)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(guò)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(wú)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(jí)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(zhǎng)度為數(shù)百nm，這是纖維的三級(jí)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(zhǎng)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(gè)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(lái)自兩方面，一方面是原絲帶來(lái)的缺陷，另一方面是炭化過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷。原絲帶來(lái)的缺陷在炭化過(guò)程中可能消失小部分，而大部分將保留下來(lái)，變成碳纖維的缺陷。同時(shí)，在炭化過(guò)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(guò)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(shí)，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(dòng)勢(shì)是正值，而鋁合金的電動(dòng)勢(shì)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(shí)會(huì)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(duì)一般堿性是惰性的。在空氣中，溫度高于400℃時(shí)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(shí)，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(shí)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(zhǎng)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(gè)過(guò)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(wú)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(duì)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(wú)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(shuō)，提高強(qiáng)度的過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是減少、減小缺陷的過(guò)程。

（3）在預(yù)氧化過(guò)程中，保證均質(zhì)化的前提下，盡可能縮短預(yù)氧化時(shí)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(wú)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(lái),國(guó)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(guó)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(lái)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)機(jī)上應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣且比例越來(lái)越大,使航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)向“非金屬發(fā)動(dòng)機(jī)”或“全復(fù)合材料發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

由于火箭發(fā)動(dòng)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(shí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者多年來(lái)一直企圖將具有高抗熱震的Ct / SiC 用于發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)燃燒室和噴管的理想材料, 并進(jìn)行了總數(shù)為31 個(gè)的長(zhǎng)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(gè)600 kg 發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)承載問(wèn)題, 美國(guó)和法國(guó)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(dòng)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(shì), 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(guó)內(nèi)也有成功范例, 如我國(guó)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(yáng)同步軌道“ 風(fēng)云一號(hào)” 氣象衛(wèi)星采用了多折迭式碳纖維復(fù)合材料剛性太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu)等。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕型化對(duì)衛(wèi)星功能及運(yùn)載火箭的要求至關(guān)重要,所以對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求很嚴(yán)。國(guó)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)

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[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(lái)源于維基百科及百度百科等網(wǎng)站

第三篇：專利分析報(bào)告(碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用)

題目：碳纖維復(fù)合材料國(guó)內(nèi)專利情況研究報(bào)告專利情報(bào)分析報(bào)告

學(xué)

院：

專

業(yè)： 年

級(jí)： 姓

名：

2015年12月

目錄 檢索報(bào)告 …………………………………………………3 1.1 課題背景 …………………………………………………3 1.2 檢索范圍 …………………………………………………4 1.3 檢索系統(tǒng) …………………………………………………4 1.4 檢索方式 …………………………………………………5 1.5 檢索策略 …………………………………………………5 1.6 檢索結(jié)果及處理 …………………………………………5 2.專利總體分析 ………………………………………………5 2.1 專利文獻(xiàn)公布量年代分析 ………………………………6 2.2 專利權(quán)人分析 ……………………………………………6 2.3 技術(shù)領(lǐng)域趨勢(shì)分析

…………………………………7 2.4 申請(qǐng)人相對(duì)研發(fā)實(shí)力分析 ………………………………8 2.5專利類型分析

……………………………………………9 2.6法律狀態(tài)分析 ……………………………………………10 2.7機(jī)構(gòu)屬性分析 ……………………………………………11

1檢索報(bào)告 1.1課題背景

碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國(guó)防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無(wú)蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過(guò)性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。碳纖維與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱夫拉纖維相比，楊氏模量是其2倍左右，在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出。

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，現(xiàn)在還廣泛應(yīng)用于體育器械、紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。隨著尖端技術(shù)對(duì)新材料技術(shù)性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不斷努力提高。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(shí)也標(biāo)志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進(jìn)入一個(gè)高級(jí)階段。

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。因?yàn)楹教祜w行器的重量每減少1公斤，就可使運(yùn)載火箭減輕500公斤。所以，在航空航天工業(yè)中爭(zhēng)相采用先進(jìn)復(fù)合材料。有一種垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)，它所用的碳纖維復(fù)合材料已占全機(jī)重量的1/4，占機(jī)翼重量的1/3。據(jù)報(bào)道，美國(guó)航天飛機(jī)上3只火箭推進(jìn)器的關(guān)鍵部件以及先進(jìn)的MX導(dǎo)彈發(fā)射管等，都是用先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料制成的。

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)材料的要求日益增加，碳纖維所具有的高強(qiáng)度（是鋼鐵的5倍）、出色的耐熱性(可以耐受2000℃以上的高溫)、出色的抗熱沖擊性、低熱膨脹系數(shù)(變形量小)、熱容量?。ü?jié)能）、比重?。ㄤ摰?/5）、優(yōu)秀的抗腐蝕與輻射性能等優(yōu)勢(shì)越來(lái)越能夠適應(yīng)時(shí)代的要求。

1.2檢索范圍

國(guó)內(nèi)相關(guān)專利

1.3檢索系統(tǒng)

SIPO專利檢索系統(tǒng)

1.4檢索方式

關(guān)鍵詞

1.5檢索策略 1.5.1檢索詞

碳纖維

carbon fibre 復(fù)合材料

composite material 1.5.2檢索策略

發(fā)明名稱=(碳纖維 AND 復(fù)合材料)1.6檢索結(jié)果

通過(guò)以上檢索式在SIPO專利數(shù)據(jù)庫(kù)共檢索出相關(guān)合并同族專利后專利文獻(xiàn)1332篇.(經(jīng)過(guò)閱讀，共篩選出相關(guān)文獻(xiàn)1032篇為基礎(chǔ)進(jìn)行分析)

2.總體專利分析

2.1專利文獻(xiàn)公布量年代分析

從上圖中可以看出，碳纖維復(fù)合材料方面專利文獻(xiàn)公開量從2006年起整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。近十年的公布量分為兩個(gè)階段：第一階段2006年-2013年7年間，專利文獻(xiàn)數(shù)量由最開始的少于50篇增長(zhǎng)至2013年的187篇；第二階段2013年-2015年三年間，專利文獻(xiàn)數(shù)量波動(dòng)不大，進(jìn)入了相對(duì)平穩(wěn)時(shí)期，專利數(shù)量在150篇200篇之間。通過(guò)文獻(xiàn)公開量的趨勢(shì)可以看到，近年來(lái)，該領(lǐng)域中，專利文獻(xiàn)公開量呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。通過(guò)文獻(xiàn)量的趨勢(shì)，可以判斷出該領(lǐng)域的技術(shù)近年來(lái)呈平穩(wěn)快速發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 專利權(quán)人分析

從上表可以看出，碳纖維復(fù)合材料方面技術(shù)主要掌握于各個(gè)高校手中，申請(qǐng)前十有五所均為高校，專利權(quán)數(shù)量占前十總量的59.24%，其中哈工大申請(qǐng)數(shù)量最多、。前十另外四家為各個(gè)公司所有，值得注意的是第四名為個(gè)人肖忠淵。

2.3 技術(shù)領(lǐng)域趨勢(shì)分析

從上表可以看出，十年來(lái)，領(lǐng)域B32（層狀產(chǎn)品）以及領(lǐng)域H01（基本電器元件）盡管在2012年左右稍有增加，但從體來(lái)說(shuō)年申請(qǐng)量基本沒(méi)有增長(zhǎng)。而領(lǐng)域C08（有機(jī)高分子化合物;其制備及原料加工；以其為基料的組合物）和領(lǐng)域B29（塑料的加工；一般處于塑性狀態(tài)物質(zhì)的加工）則在進(jìn)十年間總體上呈高速狀態(tài)，盡管近兩年有所下滑，但也遠(yuǎn)高于另外兩個(gè)領(lǐng)域，可以預(yù)見這兩個(gè)領(lǐng)域?qū)⑹翘祭w維復(fù)合材料今后的主要發(fā)展方向。

2.4申請(qǐng)人相對(duì)研發(fā)實(shí)力分析

從上表可以看出，申請(qǐng)量排名前十的申請(qǐng)人在不同領(lǐng)域的研發(fā)水平和側(cè)重情況有所不同，其中，最為平均的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)和天津大學(xué)，在5~6個(gè)領(lǐng)域都有發(fā)明；最不平均的是肖忠淵，只在兩個(gè)領(lǐng)域有專利，而肖忠淵則在F16（工程原件或部件）領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭，幾乎壟斷該項(xiàng)技術(shù)；而大連理工大學(xué)在B23（機(jī)床；其他金屬加工）方面具有壟斷性優(yōu)勢(shì)。

2.5專利類型分析

從上表可以看出，在碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域發(fā)明書要遠(yuǎn)大于實(shí)用新型數(shù)

2.6法律狀態(tài)分析

從上表可以看出，整體上來(lái)說(shuō)，碳纖維符合材料相關(guān)專利的法律狀態(tài)并不樂(lè)觀，僅有約三分之一的專利有效，撤回，失效，駁回的專利占四分之一，而還有四成多的專利處于審核狀態(tài)，這提醒我們后來(lái)的人要注意申請(qǐng)專利時(shí)一定要各方面考慮完全，盡量提高申請(qǐng)成功率。

2.7機(jī)構(gòu)屬性分析

從上表可以看出，企業(yè)和大專院校是專利申請(qǐng)的主力軍，幾乎平分了申請(qǐng)總量，另有少部分也屬于科研單位，這從側(cè)面也證明了碳纖維復(fù)合材料屬于高科技領(lǐng)域，具有相當(dāng)廣闊的市場(chǎng)前景。

第四篇：碳纖維復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用

摘要：碳纖維復(fù)合材料由于其質(zhì)輕高強(qiáng)的特點(diǎn)而在航空領(lǐng)域大量使用，主要介紹了其在飛機(jī)上的大量應(yīng)用，期待我國(guó)碳纖維工業(yè)能早日達(dá)到先進(jìn)水平。關(guān)鍵字：碳纖維；碳纖維復(fù)合材料；商用飛機(jī)。1引言 碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，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、耐摩擦、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、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的比強(qiáng)度。

碳纖維是一種力學(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3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。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2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。

正是由于碳纖維在力學(xué)上的出色性能，碳纖維復(fù)合材料(CFRP)被廣泛用于航空航天領(lǐng)域。早在上世紀(jì)50年代就被用于火箭，而隨著80年代高性能復(fù)合材料的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用更加廣泛。不僅在火箭、宇航、航空等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，而且廣泛應(yīng)用于體育器械，紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。2碳纖維復(fù)合材料在商用飛機(jī)上的應(yīng)用 復(fù)合材料誕生之時(shí)，就由于其質(zhì)輕高強(qiáng)的性能而與航空航天器結(jié)下了不解之緣。上世紀(jì)40年代開始，復(fù)合材料就被用于軍用飛機(jī)的修補(bǔ)。上世紀(jì)80年代，復(fù)合材料在商用飛機(jī)上得到逐步應(yīng)用。隨之而來(lái)的碳纖維革命，尤其是中模量碳纖維性能的提高﹑技術(shù)的穩(wěn)定，使得碳纖維復(fù)合材料最終被用于大型商用飛機(jī)的主結(jié)構(gòu)。以B787 和A350 為代表的大型商用飛機(jī)，其復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量中的占比已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)了50%，最大的商用飛機(jī)A380 的中央翼也完全使用復(fù)合材料，這些都是復(fù)合材料在大型商用飛機(jī)上使用的里程碑。2.1商用飛機(jī)上主要的CFRP構(gòu)件[1] 目前，商用飛機(jī)上使用的復(fù)合材料大部分是碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料，也包括一些玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料，以及少量的特種基體樹脂復(fù)合材料。其應(yīng)用分為三個(gè)大類，即一級(jí)結(jié)構(gòu)材料、二級(jí)結(jié)構(gòu)材料和內(nèi)裝飾材料。如圖所示：

2.2主要的纖維和基體類型

在選用的纖維方面，通用級(jí) T300 碳纖維 CFRP 可用來(lái)制造飛機(jī)的二次結(jié)構(gòu)部件。例如，T300/ 5208用來(lái)制造B757、B767 和B777的二次結(jié)構(gòu)部件。但因T300的抗拉強(qiáng)度僅為 3.53 GPa，抗拉模量為 231 GPa，特別是斷后延長(zhǎng)僅有 1.5 %，滿足不了制造一次結(jié)構(gòu)件的要求。隨后開發(fā)成功的高強(qiáng)中模型碳纖維在上述 3 項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)有了大幅度提高，再配套韌性環(huán)氧樹脂所制高性能CFRP 就可用來(lái)制造大飛機(jī)的一次結(jié)構(gòu)件。主要的高強(qiáng)中模碳纖維品牌及性能如下表所示：

由表中數(shù)據(jù)可知，這類高強(qiáng)中模碳纖維的性能比通用級(jí) T300 有了大幅度提高。我國(guó)目前還不能生產(chǎn)這類高性能碳纖維，處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，有望在“十一五”期間有所突破。通用型環(huán)氧樹脂固化后屬于脆性材料，需增韌改性為韌性基體樹脂。高強(qiáng)中模碳纖維與韌性基體樹脂復(fù)合后所制韌性CFRP可用來(lái)制造大飛機(jī)的一次和二次結(jié)構(gòu)件。其中，具有代表性的是T800H/3900-2（P2302）和 IM7/8551-7。熱固性樹脂（TS）為母相，熱塑性樹脂（TP）為分散相，兩者均勻混合固化成型。在熱固化成型過(guò)程中，TS 成為三維交聯(lián)體，TP 仍保持線性特性，賦予CFRP韌性。這樣可制得韌性CFRP。T800H/3900-2（P2302）是典型的用來(lái)制造大飛機(jī)一次和二次結(jié)構(gòu)件的韌性復(fù)合材料。

2.3韌性 CFRP 在大飛機(jī)上應(yīng)用需關(guān)注的技術(shù)關(guān)鍵[2] 隨著碳纖維性能的不斷提高，增韌改性基體樹脂的不斷深入和復(fù)合技術(shù)的日趨完善，韌性CFRP 在大飛機(jī)上的應(yīng)用逐步拓寬。未來(lái)500～600座的大飛機(jī)將成為航空客運(yùn)的主力機(jī)型。為此，需要解決好以下幾方面的問(wèn)題：

(1)設(shè)計(jì)允許應(yīng)變達(dá)到0.6%，可用沖擊后抗壓縮強(qiáng)度（CAI）來(lái)評(píng)價(jià)。這就需用高強(qiáng)度、大伸長(zhǎng)碳纖維與韌性基體樹脂來(lái)復(fù)合。例如，T800H/3900-2 或 IMT/8551-7 的韌性預(yù)浸料，可達(dá)到上述指標(biāo)。

(2)提高抗 CFRP 的抗沖擊強(qiáng)度，需采用高強(qiáng)度、大伸長(zhǎng)碳纖維。例如，T700S 斷后延長(zhǎng)高達(dá) 2.1 %。上漿劑中可含有熱塑性塑料微粒，提高其韌性。

(3)提高沖擊損傷后的抗壓縮強(qiáng)度（CAI），需采用高強(qiáng)度、大伸長(zhǎng)碳纖維與韌性環(huán)氧樹脂復(fù)合?？刂铺祭w維石墨微晶尺寸，也可提高抗壓縮強(qiáng)度。同時(shí)，研究韌性耐熱的熱可塑性樹脂，作為新一代韌性基體樹脂。

(4)提高抗層間剪切強(qiáng)度（ILSS），改善兩相界面粘接強(qiáng)度，有效傳遞載荷。同時(shí)，采用三維編織物和 RTM 成型技術(shù)，也可有效提高 ILSS 和防止層間剝落現(xiàn)象。

(5)提高CFRP的耐熱性，以適應(yīng)超音速飛行。除提高基體樹脂的耐熱性外，也應(yīng)關(guān)注碳纖維表面上漿劑的濕熱性能。吸濕會(huì)降底 CFRP 性能。

(6)采用整體成型的先進(jìn)復(fù)合技術(shù)來(lái)制造大型構(gòu)件，如體翼一次成型技術(shù)。這不僅提高整體復(fù)合件的性能，而且可大幅度減少零件數(shù)目和緊固件數(shù)目，有利于降低生產(chǎn)成本。3碳纖維復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙上的應(yīng)用[1] 復(fù)合材料在商用飛機(jī)上的另一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域是在發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙，而發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，例如，GE90 的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，則是這種應(yīng)用的典范。GE90葉片使用的是8551-7/IM7預(yù)浸料，通過(guò)熱壓罐工藝成型獲得，這種環(huán)氧中模量碳纖維預(yù)浸料具有極高的韌性和損傷容限，可以滿足葉片苛刻的性能要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料葉片的另一種制作工藝是使用3D碳纖維織物，用環(huán)氧樹脂灌注而成。這種技術(shù)充分利用了3D織物的特點(diǎn)，用其制得的復(fù)合材料具有低裂紋擴(kuò)展性、高能量吸收性以及耐沖擊、抗分層性能。即將用于C919客機(jī)的Leap-X1C即使用這種技術(shù)。

復(fù)合材料除了提供結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)以外，在發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙上的另一個(gè)貢獻(xiàn)是降噪。在B787的發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙上使用了一種降噪蜂窩，用其作為芯材、環(huán)氧預(yù)浸料作為蒙皮的夾層結(jié)構(gòu)起到了良好的降噪效果，使B787被譽(yù)為最安靜的飛機(jī)，這也是B787的亮點(diǎn)之一。4碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)上的其他應(yīng)用 通用小飛機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有的小飛機(jī)機(jī)身甚至甚至可以使用玻璃纖維預(yù)浸料為蒙皮的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，而外翼的翼樑則可以使用單向碳纖維復(fù)合材料制造。生產(chǎn)工藝上，從節(jié)約成本考慮，較為普遍采用的是非熱壓罐工藝。碳纖維復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用也十分廣泛，除機(jī)身、尾樑等結(jié)構(gòu)件以外，還包括槳葉、傳動(dòng)軸、高溫整流罩等對(duì)疲勞、濕熱性能有更高要求的部件。特別是復(fù)合材料槳葉的使用，把槳葉的使用壽命從金屬的2000小時(shí)提高到了復(fù)合材料的6000小時(shí)以上，甚至是無(wú)限壽命，并且兩者的制造成本幾乎相當(dāng)，因此使用復(fù)合材料取代金屬材料也成為必然。

碳/碳（C/C）復(fù)合材料則是制造飛機(jī)剎車裝置的優(yōu)異材料。例如著名的B-2戰(zhàn)略轟炸機(jī)、空客A320均采用C/C復(fù)合材料剎車裝置。這些先進(jìn)的 C/C剎車裝置可有效地把飛機(jī)降落過(guò)程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，不僅剎車制動(dòng)的安全性高，而且可有效減輕質(zhì)量。例如160 座的空客 A320，采用的C/C剎車裝置可減質(zhì)量140 kg。這種 C/C 剎車裝置已在戰(zhàn)機(jī)和客機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。[3] CFRP 還可用來(lái)制造隱身飛機(jī)。B-2 戰(zhàn)略轟炸機(jī)屬于隱身飛機(jī)，其雷達(dá)散射截面積

（RCS）僅有0.1 ㎡，不易被對(duì)方雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，大大增加了突防能力和生存概率。B-2 轟炸機(jī)大量采用先進(jìn)的特種 CFRP，所用碳纖維的截面積不是圓形，而是異型截面，如方形截面，且在表面沉積 1 層多孔碳?；蚋街? 層多孔微球，實(shí)施對(duì)雷達(dá)波的散射和吸收，賦予其吸波功能。這種結(jié)構(gòu)吸波和涂層吸波相疊加，大大增強(qiáng)了綜合吸波動(dòng)功能。這也就是說(shuō)，特種 CFRP 不僅是結(jié)構(gòu)材料，而且也是結(jié)構(gòu)吸波材料。[3] 5我國(guó)碳纖維復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)較早地意識(shí)到碳纖維的研制和生產(chǎn)對(duì)軍事工業(yè)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重要作用，早在20 世紀(jì)60 年代末就開始研制碳纖維，經(jīng)過(guò) 40 余年的發(fā)展，碳纖維從無(wú)到有，從研制到生產(chǎn)取得了一定的成績(jī)。但總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)碳纖維的研制與生產(chǎn)水平還較低，一直沒(méi)有在高標(biāo)號(hào)碳纖維研究上取得突破性進(jìn)展。我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品規(guī)格單一。近些年來(lái)，由于我國(guó)對(duì)碳纖維需求量的日益增加，碳纖維又成為國(guó)內(nèi)新材料業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)。但是，除極個(gè)別企業(yè)外，大多數(shù)引進(jìn)項(xiàng)目的技術(shù)和設(shè)備水平屬國(guó)際中下等，生產(chǎn)的碳纖維產(chǎn)品也未達(dá)到高端水平。引進(jìn)后的消化、吸收與創(chuàng)新是碳纖維行業(yè)面臨的重大課題。[4] 我國(guó)碳纖維工業(yè)與先進(jìn)國(guó)家相比存在15 年左右的差距，我們還不能生產(chǎn)高強(qiáng)中模碳纖維，T300仍處于產(chǎn)業(yè)化階段。實(shí)驗(yàn)室研制高強(qiáng)中模碳纖維雖然取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但產(chǎn)業(yè)化仍有一段路要走。在國(guó)家大力支持和有實(shí)力民營(yíng)企業(yè)的介入，縮短產(chǎn)業(yè)化時(shí)間已具備條件，高強(qiáng)中模碳纖維指日可待。[5] 參考文獻(xiàn)

[1] 吳一波.碳纖維復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)(上).玻璃鋼, 2003,(2): 14-21.[2] 賀福, 孫微.碳纖維復(fù)合材料在大飛機(jī)上的應(yīng)用.高科技纖維與應(yīng)用, 2007, 32(6): 5-8, 17.[3王春凈, 代云霏.碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2010, 23(2): 14-15.[4] 顧超英.碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用.化工文摘, 2009,(1): 17-21.[5] 劉志強(qiáng).碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用.黑龍江科技信息, 2013: 62.

第五篇：碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

林德春

潘

鼎

高

健

陳尚開

（上海市復(fù)合材料學(xué)會(huì)）

（東華大學(xué)）

（連云港鷹游紡機(jī)集團(tuán)公司）

碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在 90%以上。具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強(qiáng)度和最高比模量。特別是在 2000℃以上高溫惰性環(huán)境中，是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)。此外，其還兼具其他多種得天獨(dú)厚的優(yōu)良性能：低密度、高升華熱、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動(dòng)衰減性、低熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、電磁屏蔽性,紡織加工性均優(yōu)良等。因此，碳纖維復(fù)合材料也同樣具有其它復(fù)合材料無(wú)法比擬的優(yōu)良性能,被應(yīng)用于軍事及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，在航空航天領(lǐng)域的光輝業(yè)績(jī)，尤為世人所矚目。

可以明顯看出，在航空航天領(lǐng)域碳纖維的用量有大幅度增加，2006年比2001年增長(zhǎng)約40%，2008年增長(zhǎng)約76%，2010年和2001年相比增長(zhǎng)超過(guò)100%。

本文將介紹碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的新進(jìn)展。

航空領(lǐng)域應(yīng)用的新進(jìn)展

T300 碳纖維/樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)在飛行器上廣泛作為結(jié)構(gòu)材料使用，目前應(yīng)用較多的 為拉伸強(qiáng)度達(dá)到 5.5GPa，斷裂應(yīng)變高出 T300 碳纖維的 30％的高強(qiáng)度中模量碳纖維 T800H 纖維。

（1）軍品

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是生產(chǎn)武器裝備的重要材料。在戰(zhàn)斗機(jī)和直升機(jī)上，碳纖維 復(fù)合材料應(yīng)用于戰(zhàn)機(jī)主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)件和戰(zhàn)機(jī)特殊部位的特種功能部件。國(guó)外將碳纖維/環(huán) 氧和碳纖維/雙馬復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)機(jī)機(jī)身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了 明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能，數(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機(jī)身 段，可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%；復(fù)合材料垂直安定面可減輕質(zhì)量32.24%。用軍機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要指標(biāo)——結(jié)構(gòu)重量系數(shù)來(lái)衡量，國(guó)外第四代軍機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)已達(dá)到27～28%。未來(lái)以F-22為目標(biāo)的背景機(jī)復(fù)合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復(fù)合材料將成為主體材料。國(guó)外一些輕型飛機(jī)和無(wú)人駕駛飛機(jī)，已實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。目前主要使用的是T300級(jí)和T700級(jí)小絲束碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材。

美國(guó)在殲擊機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)上大量使用復(fù)合材料：F-22的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)為27.8%，先進(jìn)復(fù)合材料的用量已達(dá)到25%以上，軍用直升機(jī)用量達(dá)到50%以上。八十年代初美國(guó)生產(chǎn)的單人駕駛的“星舟”輕型機(jī)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量約1800kg，其中復(fù)合材料用量超過(guò)1200kg。1986年美生產(chǎn)的“旅行者”號(hào)輕型飛機(jī)，其90%以上的結(jié)構(gòu)采用了碳纖維復(fù)合材料，創(chuàng)下了不著陸連續(xù)九天進(jìn)行環(huán)球飛行的世界記錄。Boeing公司用GF / PPS制造海軍巡航導(dǎo)彈的殼體，Du Pont公司用GF、KF / PA、PPS，制造軍機(jī)的零部件。

由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不但是輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)材料，還具有隱身的重要功能，如

CF/PEEK 或 CF/PPS具有極好的寬峰吸收性能，能有效地吸收雷達(dá)波。美國(guó)已用來(lái)制造最新 型的隱形轟炸機(jī)。美國(guó)的P－22 超音速飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)就是采用了中等模量的碳纖維增強(qiáng)的特種工程塑料。幻影III戰(zhàn)斗機(jī)的減速降落傘蓋和彈射的彈射裝置也由這種材料制成。已成功地用于飛機(jī)的肋條、蒙皮及一些連接件、緊固件等雷達(dá)波的吸收件。戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈殼體、B-2隱型轟炸機(jī)的機(jī)身基材，F(xiàn)117A隱型飛機(jī)的局部也都采用了碳纖維改性的高分子吸波材料。

英國(guó)ICI公司用GF/PA生產(chǎn)戰(zhàn)斗機(jī)上的閥門，使飛機(jī)閥門在很寬的溫度范圍內(nèi)與燃料長(zhǎng) 期接觸也能保持其性能和形狀的穩(wěn)定；其它國(guó)家的飛機(jī)F/A-

18、RAH-66、A330 / A340、B77、Y-22上面也都采用了這種材質(zhì)來(lái)制造機(jī)翼、蒙皮、主承力結(jié)構(gòu)、中央冀盒、地板、尾 冀、設(shè)備箱體及結(jié)構(gòu)件。

大量采用碳纖維復(fù)合材料為部件的中國(guó)新型號(hào)的軍機(jī)“飛豹”飛機(jī)總長(zhǎng)約22.3米，翼展約12.7米，最大起飛重量28.4噸，最大外掛重量約6.5噸，最大M數(shù)1.70，轉(zhuǎn)場(chǎng)航程約3600公里。該機(jī)的攻擊威力已超過(guò)“美洲虎”、“旋風(fēng)”、蘇-24等飛機(jī)，具備了第三代戰(zhàn)斗機(jī)的特點(diǎn)。

（2）民品

在民用領(lǐng)域，555座的世界最大飛機(jī)A380由于CFRP的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。飛機(jī)25%重量的部件由復(fù)合材料制造，其中22%為碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP), 3%為首次用于民用飛機(jī)的GLARE纖維－金屬板（鋁合金和玻璃纖維超混雜復(fù)合材料的層狀結(jié)構(gòu)）。這些部件包括：減速板、垂直和水平穩(wěn)定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機(jī)身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。繼A340對(duì)碳纖維龍骨梁和復(fù)合材料后密封 框——復(fù)合材料用于飛機(jī)的密封禁區(qū)發(fā)起挑戰(zhàn)后，A380又一次對(duì)連接機(jī)翼與機(jī)身主體結(jié)構(gòu)中央翼盒新的禁區(qū)發(fā)起了成功挑戰(zhàn)。僅此一項(xiàng)就比最先進(jìn)的鋁合金材料減輕重量1.5噸。由于CFRP的明顯減重以及在使用中不會(huì)因疲勞或腐蝕受損。從而大大減少了油耗和排放，燃油的經(jīng)濟(jì)性比其直接競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型要低13%左右，并降低了運(yùn)營(yíng)成本，座英里成本比目前效率最高飛機(jī)的低15%--20%，成為第一個(gè)每乘客每百公里耗油少于三升的遠(yuǎn)程客機(jī)。

航天領(lǐng)域新進(jìn)展

(1)火箭、導(dǎo)彈

以高性能碳(石墨)纖維復(fù)合材料為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)構(gòu)/功能一體化構(gòu)件材料，在導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和衛(wèi)星飛行器上也發(fā)揮著不可替代的作用。其應(yīng)用水平和規(guī)模已關(guān)系到武器裝備的跨越式提升和型號(hào)研制的成敗。碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展推動(dòng)了航天整體技術(shù)的發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)部件和衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料，在美國(guó)侏儒、民兵、三叉戟等戰(zhàn)略導(dǎo)彈上均已成熟應(yīng)用，美國(guó)、日本、法國(guó)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體主要采用碳纖維復(fù)合材料，如美國(guó)三叉戟-2 導(dǎo)彈、戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈、大力神一 4 火箭、法國(guó)的阿里安一 2火箭改型、日本的 M-5火箭等發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，其中使用量最大的是美國(guó)赫克里斯公司生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度為 5.3GPa 的IM-7 碳纖維，性能最高的是東麗 T-800 纖維，抗拉強(qiáng)度 5.65Gpa、楊氏模量 300GPa。

我國(guó)各類戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上也大量采用碳纖維復(fù)合材料作為發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、整流罩防熱材料。我國(guó)九十年代后期開展了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料材料殼體的研究，進(jìn)行了 T300 CFRP 固體火箭發(fā)動(dòng)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)，開展了 T800 碳纖維 CFRP多種殼體的預(yù)研實(shí)驗(yàn)。

（2）衛(wèi)星、航天飛機(jī)及載人飛船

高模量碳纖維質(zhì)輕，剛性，尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性好，因此很早就應(yīng)用于人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽(yáng)能電池板和天線中?，F(xiàn)今的人造衛(wèi)星上的展開式太陽(yáng)能電池板多采用碳纖維復(fù)合材料制作，而太空站和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)上的一些關(guān)鍵部件也往往采用碳纖維復(fù)合材料作為主要材料。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料被作航天飛機(jī)艙門、機(jī)械臂和壓力容器等。美國(guó)發(fā)現(xiàn)號(hào)航天 飛機(jī)的熱瓦，十分關(guān)鍵，可以保證其能安全地重復(fù)飛行。一共有 8 種：低溫重復(fù)使用表面絕熱材料 LRSI；高溫重復(fù)使用表面絕熱材料 HRSI；柔性重復(fù)使用表面絕熱材料 FRSI；高級(jí) 柔性重復(fù)使用表面絕熱材料 AFRI；高溫耐熔纖維復(fù)合材料 FRIC—HRSI；增強(qiáng)碳/碳材料 RCC；金屬；二氧化硅織物。其中增強(qiáng)碳/碳材料 RCC，最為要的，它可以使航天飛機(jī)承受 大氣層所經(jīng)受的最高溫度 1700℃。

從 1996 年 11 月 20 日的“神州一號(hào)”升空開始到“神州六號(hào)”上天，中國(guó)在八年多的時(shí)間里六次飛天。在飛船、衛(wèi)星、返回艙中大量使用的碳纖維復(fù)合材料，為這一舉世矚目的成就立下了汗馬功勞。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維的產(chǎn)量不斷增大，質(zhì)量逐漸提高，而生產(chǎn)成本穩(wěn)步下降。各種性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料將會(huì)越來(lái)越多地出現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域中，為世界航空航天技術(shù)的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。