淺談碳纖維復(fù)合材料在航空工業(yè)的發(fā)展與展望

李豫卿

（鄭州飛機裝備有限責任公司，河南鄭州 450005）

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對材料性能的要求也越來越高，新材料和新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，已經(jīng)成為一個國家科技水平、經(jīng)濟發(fā)展以及綜合國力的重要體現(xiàn)。其中，復(fù)合材料在新材料和新技術(shù)的發(fā)展中占有著舉足輕重的地位，為新材料的應(yīng)用開拓了更為廣闊的領(lǐng)域，為新技術(shù)的發(fā)展指明了方向。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求[1]。近幾十年來，復(fù)合材料的發(fā)展極其迅速，其中，碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展尤為突出，其廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶、兵器等眾多領(lǐng)域。

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是目前最先進的復(fù)合材料之一，是以碳纖維(織物)或碳化硅等陶瓷纖維(織物)為增強體，以碳為基體的復(fù)合材料的總稱[2]。碳纖維復(fù)合材料具有密度小、強度高、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)低、壽命長等優(yōu)點，該材料作為先進復(fù)合材料典型代表，是工業(yè)發(fā)達國家爭先發(fā)展的高新產(chǎn)業(yè)，是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和支撐。

1 碳纖維復(fù)合材料在航空工業(yè)的發(fā)展近況

航空工業(yè)作為國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，反映了一個國家軍事、經(jīng)濟和科技的發(fā)展水平。現(xiàn)代復(fù)合材料，尤其是碳纖維復(fù)合材料，在航空產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。飛機是航空工業(yè)的支柱產(chǎn)品，隨著對飛機性能的要求越來越高，飛機重量、可靠性、使用壽命等問題成為影響飛機性能提高的關(guān)鍵性因素。因復(fù)合材料比強度高、比剛度高、耐腐蝕疲勞性好，可設(shè)計性強等一系列獨特的優(yōu)點，其在飛機上的應(yīng)用比例呈逐步上升趨勢。飛機上應(yīng)用的復(fù)合材料主要為碳纖維復(fù)合材料[3]。應(yīng)用復(fù)合材料可大幅度地減輕飛機機體的結(jié)構(gòu)重量，改善氣動性能，有效解決質(zhì)量與安全之間的矛盾，提高飛機的綜合性能，還可以保證不損失強度或剛度，大大提高了燃油經(jīng)濟性。此外，復(fù)合材料使飛機結(jié)構(gòu)件具有更好的耐磨損性，減少了大量的維修工作。同時，還具備更高的安全性能，更優(yōu)化的力學性能，更高的抗震和抗沖擊強度，環(huán)保和回收利用等性能。

碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用大致可分為應(yīng)用在受力不大或非承力構(gòu)件階段（如舵面、口蓋等）、應(yīng)用在次承力或承力較大構(gòu)件階段（如機翼等）和應(yīng)用在主承力構(gòu)件或復(fù)雜受力構(gòu)件階段（如機身、中央翼盒）等三個階段。

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，在國外的軍機上的碳纖維復(fù)合材料使用量已經(jīng)達到25%~30%，如F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機的復(fù)合材料用量比例約為25%，其中碳纖維復(fù)合材料為主體材料；F-35“閃電Ⅱ”聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機采用35%的碳纖維復(fù)合材料，大大降低了機體重量；歐洲臺風戰(zhàn)斗機使用了大量的復(fù)合材料和其它先進材料，比例達到了40%，其中，機身、機翼（包括內(nèi)側(cè)后緣襟翼）、垂尾和方向舵等大部分都使用了碳纖維復(fù)合材料。

相比之下，我國軍用戰(zhàn)斗機使用碳纖維復(fù)合材料的最大比例尚不足10%，如殲-11B 重型戰(zhàn)機的機翼、垂直尾翼和水平尾翼等部件采用了復(fù)合材料,占飛機結(jié)構(gòu)總重量的9%；殲-10 戰(zhàn)斗機水平尾翼、鴨翼上采用的碳纖維復(fù)合材料，比例約為10%；L-15“獵鷹”教練機僅在機頭罩、方向舵和垂尾采用的碳纖維復(fù)合材料，整體比例不大。FC-1 梟龍戰(zhàn)斗機主體仍選用傳統(tǒng)的高硬度航空鋁材，僅在少量進氣道、艙蓋等部位采用了復(fù)合材料。

在民用方面，國外的大型客機上碳纖維復(fù)合材料的使用量已經(jīng)達到甚至超越50%。比如美國波音飛機公司研制的B787 飛機，該機主要結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料占到飛機結(jié)構(gòu)重量的50%[4]。碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用在機翼、機身、垂尾、平尾、機身地板梁、后承壓框等部位?？湛虯350XWB 寬體飛機系列機身采用創(chuàng)新性的全新碳纖維增強型復(fù)合材料，超過70%的機體結(jié)構(gòu)采用了先進的材料——其中52%為主要是碳纖維復(fù)合材料。除此之外，該飛機的主要零部件包括機翼上下蒙皮、桁條、前后翼梁等的主要材料均為碳纖維復(fù)合材料，使得機體結(jié)構(gòu)重量更輕，最大限度的降低了油耗?？湛图瘓F研制的世界最大飛機A380 超大型客機中的碳纖維復(fù)合材料約占飛機35 噸結(jié)構(gòu)材料中的22%，主要應(yīng)用于中央翼盒、副翼、后壓力艙、整流罩、后機身以及水平副翼等部件[5]。

我國的大型客機中，中國商用飛機有限責任公司研制的雙發(fā)動機支線客機ARJ21 翔鳳客機使用的復(fù)合材料僅占飛機結(jié)構(gòu)重量的2%；中國商用飛機有限責任公司研發(fā)的大型客機C919 中的碳纖維復(fù)合材料占飛機結(jié)構(gòu)重量的7%，僅在內(nèi)外襟翼、垂直尾翼和中央翼部段部分采用了碳纖維復(fù)合材料[6]。

由此可見，我國的軍用飛機和民用飛機在碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用方面，無論是發(fā)展方向、應(yīng)用比例還是應(yīng)用水平上均遠遠落后于發(fā)達國家。

2 我國碳纖維復(fù)合材料發(fā)展存在的 問題與展望

我國的碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)水平和應(yīng)用技術(shù)方面都遠遠落后于國外發(fā)達國家，主要存在幾方面的問題：（1）高端產(chǎn)品少，生產(chǎn)技術(shù)落后。（2）產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域狹窄。（3）生產(chǎn)成本過高。（4）一體化成型技術(shù)落后。（5）產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，合格率低。

碳纖維復(fù)合材料是國民經(jīng)濟和國防建設(shè)不可或缺的戰(zhàn)略性新材料，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V，技術(shù)含量高、輻射面廣、帶動力強。據(jù)統(tǒng)計，2014年全球碳纖維產(chǎn)量約為10 萬噸，日美企業(yè)的產(chǎn)品還是占據(jù)大部分市場。據(jù)預(yù)測，碳纖維的需求將以每年15%以上的速度擴大。預(yù)計5年后，市場將擴大到現(xiàn)在的2 倍以上。到2030年，我國碳纖維需求量將達到30 萬～50 萬噸。今后，碳纖維復(fù)合材料將會朝著高性能化、多元化、低成本化、系列化的方向發(fā)展。發(fā)展?jié)摿Υ?，發(fā)展問題多，針對碳纖維復(fù)合材料在我國發(fā)展中存在的問題，我們應(yīng)該重視基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)突破，注重技術(shù)體系建設(shè)和研發(fā)體系建設(shè)，加快重點核心技術(shù)的研究，全面提高我國的工藝技術(shù)水平、應(yīng)用水平、生產(chǎn)效率、質(zhì)量控制水平和發(fā)展創(chuàng)新，進一步降低生產(chǎn)成本，全面拓展碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

3 結(jié)語

綜上所述，碳纖維復(fù)合材料憑借其良好的力學性能廣泛地應(yīng)用于航空工業(yè)，飛機構(gòu)件大規(guī)模使用復(fù)合材料，可使飛機重量更輕、強度更高、耐疲勞和耐腐蝕性更好，高強度的碳纖維經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)后，也可大大降低飛機的制造成本。碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用將是一種趨勢一種潮流，我國的航空工業(yè)面臨著前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。

[1]代少俊. 高性能纖維復(fù)合材料[M]. 上海：華東理工大學出版社，2013 ：6-7.

[2]劉雄亞.透光復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料及其應(yīng)用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006 ：7-8.

[3]趙稼祥. 碳纖維復(fù)合材料在民用航空上的應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用，2003,28(3):14-17.

[4]陳紹杰. 復(fù)合材料技術(shù)與大型飛機[J]. 航空學報，2008,29（3）：605-610.

[5]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）[J]. 玻璃鋼，2013（2）：14-22.

[6]陳紹杰. 復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展及其對我國航空工業(yè)的挑戰(zhàn)[J]. 高科技纖維與應(yīng)用，2010,35（1）：1-7.