碳纤维复合材料的应用现状及我国碳纤维工业的发展方向

材料的性能及特点，从卫星天线、飞机制造、运载火箭、风电叶片及体育器材等多方面，介绍了国内外碳纤维复合材料的应用现状及发展前景，分析了我国碳纤维复合材料的发展方向。

Abstract： This paper reviews the properties and characteristics of carbon fiber composites， introduces the application status and development prospect of carbon fiber composites in China and abroad from many aspects， such as satellite antenna， aircraft manufacturing， launch vehicle， wind turbine blade and sports equipment， and analyzes the development trend of carbon fiber composites in China.

关键词： 碳纤维复合材料；性能及特点；应用现状；发展方向

Key words： carbon fiber composites；properties and characteristics；application status；development direction

中图分类号：V258+.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）17-0113-03

0 引言

碳纤维复合材料是20世纪60 年代崛起的一种新型材料，它是一种以聚丙烯腈（PAN）、粘胶纤维、沥青等为原丝，经预氧化和碳化制得的含碳量90%以上的耐高温、高强度、高模量的特种材料。其中，以聚丙烯腈（PAN）基为基体的复合材料力学性能优良，应用领域广泛，是当今碳纤维中的主要产品，其产量约占全球所有碳纤维总产量的90%以上。

与传统的金属材料相比[1]，碳纤维复合材料具有密度小、比强度/比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、便于设计、易于大面积整体成型加工等优点。如表1所示，碳纤维复合材料密度约为钢的1/5，铝合金的1/2，而比强度和比模量远高于2者，且随着技术的不断提升，碳纤维复合材料性能进一步提高。

因为碳纤维复合材料优异的性能，其在生产生活中得到日益广泛的应用，本文从碳纤维复合材料在卫星天线、飞机制造、运载火箭等多方面应用，介绍了当前碳纤维复合材料应用现状，对新的加工工艺方法进行了介绍，并在此基础上分析了我国碳纤维工业的发展方向。

1 碳纤维复合材料应用现状

碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在人们的生产、生活中得到越来越广泛的应用。据统计，2013年全球碳纤维总用量4.6万吨，其中工业占65%，航空航天类占15%，消费品运动器材类占20%。我国碳纤维用量约1.1万吨，占全世界1/4，我国已发展为碳纤维复合材料的主要消费大国。

1.1 卫星天线

碳纤维复合材料热膨胀系数极小，热稳定性好，在温度急剧变化的太空环境中仍然能够保持稳定的外形。目前，大型抛物面天线普遍采用高强度和高刚度的复合材料蜂窝夹层结构，能承受主动段的静、动力载荷，以及良好的微波反射特性等。如美国ACTS通讯卫星[4]（图1所示）上装配的各种用途的反射天线、接收天线、遥控天线和C波段全向天线等普遍采用复合材料蜂窝夹层结构。

在我国自行研制的卫星天线结构中[5]，也已经大量采用碳纤维复合材结构。卫星的主体骨架结构、外壳结构、太阳能电池板组件、桁架结构、天线结构、仪器安装板和支架结构等部位都广泛使用了碳纤维复合材。

1.2 飞机制造

碳纤维复合材料在航空制造领越中应用广泛，统计显示，碳纤维复合材料在大型客机应用上占15%～50%，军用飞机上占30%～40%，小型商务飞机和直升飞机上的使用量已达到70%～80%。

空客A380是目前世界上最大的飞机，其结构重量的25%为碳纤维复合材料，其机身段、副翼、内外襟翼、舱壁板等大量使用碳纤维复合材料。波音787是迄今为止使用碳纤维复合材料最多的机型，其机身段、机尾翼采用碳纤维层合结构，升降舵、方向舵大量使用碳纤维夹芯机构，据统计，复合材料占其结构重量高达50%（图2所示）。碳纤维复合材料的大量应用减少了飞机重量，降低了油耗，节约了飞机的运营成本。

军用飞机领域，美国猛禽战斗机F-22和B2隐形轰炸机都已大量使用碳纤维复合材料，统计显示其碳纤维复合材料使用量均已超过整机重量的35%，复合材料的应用大大减少了飞机重量，提高了飞机速度和航行距离，提升了飞机的整体性能。

随着碳纤维复合材料研究的不断深入与提高，其成型制造工艺日趋成熟，产品维护更加简单、方便，复合材料占飞机重量不断提高，未来的飞机复合材料的使用不断提高已经成为不可逆转的潮流。

1.3 运载火箭

随着技术不断提高和成熟，大型运载火箭中碳纤维复合材料的使用比例会越来越高。如美国三叉戟-2导弹、战斧式巡航导弹、大力神-4火箭、法国的阿里安娜2型火箭，日本的M-5火箭等均大量使用碳纤维复合材料。碳纤维复合材料广泛应用在火箭的整流罩、发动机喷管、喉衬、燃烧室和排气锥体等部位，碳纤维复合材料的应用大大减少了运载火箭的重量。

近10多年来，我国在多种型号的大型运载火箭中广泛采用了碳纤维复合材料。目前，碳纤维复合材料在运载火箭的应用中已由最初的简单零部件，次承力件发展到主承力结构件。如我国“东方红-2”通讯卫星运载火箭发动机、“风云-2”气象卫星运载火箭发动机和“长征-2E”运载火箭发动机的壳体都采用了碳纤维复合材料来制造。

1.4 其他方面

碳纤维复合材料也广泛应用于风力发电、汽车制造、体育器材等各个领域。当前，风力发电机组正朝大型化发展，大尺寸风力发电叶片广泛采用碳纤维叶片，解决了传统玻璃钢叶片无法满足大型化、轻量化要求的问题。在汽车制造领域，碳纤维大量应用在结构件和内饰件的制造中，碳纤维有效减轻了汽车重量，节省了能耗。体育器材方面，我国体育器材的生产制造约消耗碳纤维复合材约5千吨，在自行车、钓鱼竿、冲浪板、滑雪板、高尔夫球杆、羽毛球拍和网球拍等产品中广泛应用碳纤维复合材料。

2 我国碳纤维工业的发展

近年来，我国碳纤维工业飞速发展，航天卫星、飞机制造等各个领域大量应用碳纤维复合材料，碳纤维生产能力及成型制造技术不断提高，但相比国外发达国家，我国国内企业仍未完全掌握碳纤维生产的核心技术，碳纤维产品在技术、质量和生产规模等方面均与国外发达国家存在较大差距，绝大部分高性能碳纤维复合材料都长期依赖进口，价格非常昂贵。

制约我国碳纤维复合材料发展主要存在两个方面的问题：①原丝生产技术落后，我国企业所生产的原丝性能不稳定，易发生缠结、断丝等问题，从而影响碳纤维产品的质量，增加制造成本。②我国碳纤维复合材料制件成型技术落后，大量使用人工铺贴及热压罐成型工艺，产品质量不稳定，成本过大。

2.1 PAN原丝质量问题

高质量的原丝才能生产出高质量的碳纤维，换言之，如果原丝质量低劣，容易在碳化过程中产生毛丝绕结，甚至断丝问题，这样不仅会影响碳纤维质量，而且增加制造成本。一般质量合格的原丝用2.2kg可以生产出1kg的碳纤维，而质量差的原丝，生产出1kg的碳纤维需要2.5kg甚至更高，这些都增加了碳纤维的生产成本，制约了市场竞争能力。

我国碳纤维的发展瓶颈，很大程度上在于PAN原丝生产能力和技术落后。目前，我国PAN原丝生产规模普遍在2000t以下，相比国外发达国家，生产能力较低。PAN原丝生产效率较低，且原丝规格比较单一，为1-12K，经后加工所制碳纤维质量指标可达到通用级T300碳纤维水平，适用于常规复合材料制件的加工制造。高强度中模量T800、T1000碳纤维原丝生产尚处于研制阶段，其物理性能和国外同类产品相比，还存在较大差距。通用级T300碳纤维预浸料在材料的工艺性、物理性能、质量上往往不能满足工业生产的要求，所以，更为先进的高强中模量的T800、T1000碳纤维的技术公关已经成为我国急需解决的问题。

2.2 碳纤维成型加工技术

我国碳纤维产品的生产过程中，普遍采取人工铺贴及热压罐固化成型技术，工艺方法落后，生产成本大。人工铺贴工艺方法，不仅成本大，过程难以控制，而且容易造成产品的质量问题，零件报废率高，统计表明[6]，采用人工铺贴方法，铺贴成本可以达到制件总成本的46%。采用热压罐固化成型方法，虽然产品质量稳定，合格率高，但能耗巨大，对于小型及附加值不高的产品并不适用。

目前，在复合材料成型领域，我国开展了许多新型技术的研究，RTM、FRI、VARI等低成本的成型工艺研究逐渐兴起，相比热压罐成型工艺，新的方法具有设备简单、投入少，可有效减少能耗，节约成本等优点。

在复材成型过程中数字化技术逐渐得到应用，采用全新的数字化制造技术[7]进行复材制件的加工制造，包括数控下料、激光铺层定位或自动铺带、数控铣切和数控测量等技术，能够大大减少工人下料、铺贴的操作难度，增加定位精度，使制件的质量得到较大的提升。采用专用软件CATIA和FIBERSIM对零件进行铺贴性能分析，对制件几何形状的适应范围以及自动铺带设备对预浸料几何形状的加工能力研究，要保证铺放程序的正确、合理，同时考虑尽量缩短铺放时间、节省废料等，力争铺贴效果达到最优，从而保证制件的铺放质量。以AFP和ATL为代表的自动化铺带技术，可有效减少工人的铺贴量，保证铺贴质量。采用数控铣切和数控测量技术提高了产品的外形、孔位加工精度，对于装配件特别是大型装配复材制件，提高了产品的装配协调性能，减少了装配工作量和装配时间。

我国复合材料成型领域新技术和方法的应用已广泛兴起，通过对新技术和方法的不断研究，解决生产制造过程中的各种关键技术问题，实现生产制造能力的突破，从而促使我国复合材料成型技术水平的不断提高。

2.3 新技术在飞机工业中应用

新技术在碳纤维复合材料的加工生产不断应用，可以有效降低产品加工成本，提高产品的加工质量。波音787飞机机身结构总体布局分为前机身、中机身、后机身三部分，6个筒形结构段，其制造工艺突出的特点之一就是机体采用了自动化的铺贴缠绕及整体成型方法，这对过去的壁板整体结构是个革命性的改变，机身在一个直径5.74m（相当于机身内径）的膜胎上用铺袋铺丝机将预浸料缠绕成一个筒形件，并留出窗口位置，膜胎上有与长桁、大梁外形一致的槽，在缠绕前预先放置由碳纤维预浸料铺设压实的长桁与梁。缠绕时模胎在设备上转动，缠绕后推出模胎，将机壳与梁、长桁一同进入23.2m×9.1m的热压罐内进行共固化成型，成为一个整体的复合材料机身段，如图5所示，这些整体成型的机身段仅用少量的高锁螺钉和单面抽钉等紧固件就能完成对接总装。该方案大量减少了连接件数量，提高了产品的质量及生产效率，中机身的气密性及抗疲劳性大大提高。

2.4 我国碳纤维工业的发展方向

结合当前实际，我国应积极引进国外先进的生产技术，加强自主创新，真正掌握碳纤维加工制造中的核心和关键技术。提高适用于高性能碳纤维T800、T1000的原丝研制及生产能力，提高原丝规模化制造能力。同时大力发展碳纤维复合材料数字化制造技术，包括数控下料、激光铺层定位或自动铺带技术等，增加数控铣切和数控测量在碳纤维复材制件加工中的应用，提高产品质量和加工精度。积极开发除热压罐技术外的其他成型工艺方法，如低成本的液压成型技术：RTM、FRI、VARI等，真正掌握其关键技术。

碳纤维工业水平的提高关系到我国工业生产、国防建设等多方面的发展，对于国家产业结构升级和传统材料的更新换代具有重要的作用，我国只有不断的加强自主创新，真正掌握碳纤维加工制造中的核心和关键技术，才能从碳纤维复合材料的消费大国转变为制造强国。

参考文献：

[1]李威，郭权峰.碳纤维复合材料在航天领域的应用[J].中国光学，2011（4）：201-205.

[2]陈绍杰.复合材料设计手册[M].北京.航空工业出版社，2001.

[3]沃西源.国外先进复合材料发展及其在卫星结构中的应用[J].航天返回与遥感，1994（15）：53-62.

[4]房海军，涂彬.碳纤维复合材料卫星天线反射面型面精度稳定性分析[J].航天返回与遥感，2007（28）：67-71.

[5]赵稼祥.东丽公司碳纤维及复合材料的进展[J].高科技纤维与应用，2000（6）：53-56.

[6]沈真.碳纤维复合材料在飞机结构中的应用[J].高科技纤维与应用，2010（35）：1-4.

[7]袁晓龙，田卫，高兰宁.大型复合材料主承力构件制造技术综述[J].航空制造技术，2009（22）：32-35.

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