碳纖維復(fù)合材料的制備工藝優(yōu)化及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

＊楊文國 楊曉鵬 馬二克

（平頂山東方碳素股份有限公司 河南 467000）

在現(xiàn)代航空航天工程中，材料的選擇至關(guān)重要，直接關(guān)系到飛行器的性能、經(jīng)濟(jì)性及安全性。傳統(tǒng)金屬材料在提升飛行器性能時受到了諸多限制，如重量較重、抗疲勞性不足等。相比之下，碳纖維復(fù)合材料具有極高的比強(qiáng)度和比模量，能夠有效減輕結(jié)構(gòu)負(fù)荷，提升飛行器的飛行性能。同時，其優(yōu)異的抗疲勞性能也使飛行器在極端工作環(huán)境下具備更強(qiáng)的可靠性。然而，碳纖維復(fù)合材料的研究和應(yīng)用仍然存在一些挑戰(zhàn)。其中之一是制造工藝的精細(xì)化和自動化，以保證復(fù)合材料制品的一致性和穩(wěn)定性。另外，材料的壽命預(yù)測和損傷監(jiān)測也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，這對于保障飛行器的安全性至關(guān)重要。

1.碳纖維復(fù)合材料概述

（1）組成成分。碳纖維復(fù)合材料是由高強(qiáng)度的碳纖維和樹脂基體相結(jié)合構(gòu)成的一類先進(jìn)材料，其在航空航天領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、航天器、衛(wèi)星等領(lǐng)域。

①碳纖維。碳纖維是碳纖維復(fù)合材料的主要強(qiáng)化成分，具有極高的強(qiáng)度和剛度。它是由碳原子構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)排列而成，使其具備了出色的力學(xué)性能。碳纖維可以分為連續(xù)纖維和短切纖維兩種形式，前者在復(fù)合材料中應(yīng)用廣泛，后者通常用于增強(qiáng)特定部位[1]。

②樹脂基體。樹脂基體充當(dāng)了將碳纖維固定在一起的黏合劑，并為復(fù)合材料提供了一定的韌性和成型性。常用的樹脂包括環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂等，它們的選擇會影響到復(fù)合材料的性能。

（2）結(jié)構(gòu)特征。碳纖維復(fù)合材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)是其優(yōu)異性能的基礎(chǔ)。

①層疊結(jié)構(gòu)。碳纖維復(fù)合材料通常以纖維層疊的方式構(gòu)成，碳纖維在樹脂基體中以縱橫交錯的方式排列，形成了層疊結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使材料在多個方向上都具備了出色的強(qiáng)度和剛度。

②各向異性特性。由于碳纖維的排列方式不同，碳纖維復(fù)合材料具有各向異性的特性，即其在不同方向上的性能差異明顯。使材料能夠根據(jù)實(shí)際工程需求進(jìn)行定向設(shè)計(jì)，最大程度地發(fā)揮其性能優(yōu)勢。

（3）航空航天領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢。碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用可謂是天然的組合，其獨(dú)特的優(yōu)勢使其成為航空航天工程中不可或缺的材料之一。

①輕質(zhì)化。航空航天器件需要保證在有限的燃料消耗下實(shí)現(xiàn)最大的有效載荷和飛行距離。碳纖維復(fù)合材料因其比重輕、強(qiáng)度高，可以顯著減輕飛行器的總重量，從而提高燃油效率，延長飛行距離。

②高強(qiáng)度與高剛度。碳纖維復(fù)合材料具有極高的強(qiáng)度和剛度，可以有效抵抗在飛行過程中產(chǎn)生的各類應(yīng)力和載荷，保證飛行器的結(jié)構(gòu)安全性。

③耐腐蝕性。航空航天器件常需要在各種惡劣環(huán)境下工作，如高空、高速、海洋等。碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性，能夠保持穩(wěn)定的性能，延長飛行器的使用壽命。

④高溫穩(wěn)定性。在高速飛行和再入大氣層等極端條件下，碳纖維復(fù)合材料能夠保持良好的性能，不易發(fā)生變形或熔化，確保了飛行器的安全運(yùn)行。碳纖維復(fù)合材料以其獨(dú)特的組成成分和結(jié)構(gòu)特征，在航空航天領(lǐng)域具有不可替代的重要性。其輕質(zhì)化、高強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)異特性，為航空航天工程的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為人類的航空航天事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)[2]。

2.碳纖維復(fù)合材料的制備工藝

（1）原料準(zhǔn)備。碳纖維復(fù)合材料制備的第一步是準(zhǔn)備所需的原料，主要包括聚丙烯纖維、聚丙烯原料、催化劑等。這些原料的質(zhì)量和性能直接影響最終碳纖維的質(zhì)量和特性[3]。

（2）纖維拉拔。將聚丙烯原料通過特定的工藝?yán)纬杉?xì)絲，形成初步的纖維結(jié)構(gòu)。拉拔過程中的拉伸速度、溫度等參數(shù)會影響纖維的結(jié)晶度和直徑分布。

（3）預(yù)氧化。將初步得到的聚丙烯纖維在氧氣氛圍中進(jìn)行預(yù)氧化處理，將其轉(zhuǎn)變成氧含量較高的聚酰亞胺纖維。預(yù)氧化過程中的溫度、氣氛成分等條件會影響纖維的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。纖維預(yù)氧化溫度控制到200～300 ℃。這種高溫過程迫使碳原子從空氣中吸收氧原子，并將分子重新排列成更加穩(wěn)定的鍵合模式。

（4）碳化。將預(yù)氧化后的纖維置于高溫爐內(nèi)，維熱穩(wěn)定后，將其在無氧的情況下加熱至1000～3000 ℃保持幾分鐘。氧氣的缺乏阻止了纖維在如此高的熱量下燃燒。在此過程中，重要的是保持爐內(nèi)的氣壓高于爐外的氣壓，并保持纖維的入口和出口密封，以防止氧氣進(jìn)入爐內(nèi)。在此高溫下，纖維排出其非碳原子，而其余的碳原子形成緊密結(jié)合的碳晶體。這些碳晶體平行于碳纖維的長軸排列。碳化過程的溫度、保溫時間等參數(shù)會直接影響碳纖維的結(jié)晶度和力學(xué)性能。

（5）表面處理。為了提高碳纖維的表面粗糙度和活性，通常會對其進(jìn)行表面處理，如氧化、活化等工藝。

碳纖維制備工藝的優(yōu)化是確保碳纖維復(fù)合材料性能的關(guān)鍵，通過精確控制各個制備步驟的影響因素，可以獲得具有優(yōu)異性能的碳纖維，從而為航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.碳纖維復(fù)合材料制備工藝的優(yōu)化策略

在碳纖維復(fù)合材料的制備過程中，優(yōu)化工藝是提高材料性能的重要手段。綜述當(dāng)前研究中常用的制備工藝優(yōu)化策略，并分析它們的優(yōu)缺點(diǎn)，提出建議，以期為航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供有力支持。

(1)常用的制備工藝優(yōu)化策略

①溫度控制優(yōu)化

在碳纖維的制備過程中，溫度是一個至關(guān)重要的參數(shù)，在制備過程中一般將纖維在空氣中加熱到200～300 ℃大約30 分鐘到2 小時。通過精確控制制備過程中的溫度，可以調(diào)控纖維的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性，從而影響最終碳纖維的性能。

②化學(xué)成分調(diào)控

通過調(diào)整預(yù)氧化階段的化學(xué)成分，如氣氛氣體成分、氧化劑種類等，可以控制纖維的化學(xué)組成，從而影響其后續(xù)的碳化過程。如不同PAN 原絲中C、H、0、N 等主要元素的含量會略有不同，預(yù)氧化初期C、H、N三成分下降，但不如中期急劇，而氧成分上升速度亦不如中期快，這種區(qū)別不十分明顯，初期時間極其短暫；預(yù)氧化中期C、H、N 的含量直線下降，氧含量急劇上升，反應(yīng)十分激烈，預(yù)氧化后期呈現(xiàn)不明顯的平緩趨勢，反應(yīng)趨于緩和。

③纖維拉拔速度和拉拔模式優(yōu)化

在拉拔過程中，合理選擇拉拔速度和模式，可以保證纖維的連續(xù)性和均勻性，避免纖維斷裂或不均勻。

④碳化工藝改進(jìn)

對碳化工藝進(jìn)行改進(jìn)，如采用層狀碳化方法、調(diào)控碳化反應(yīng)的氣氛氣體成分等，可以提高碳纖維的結(jié)晶度和力學(xué)性能。

(2)不同優(yōu)化策略的優(yōu)缺點(diǎn)分析

①溫度控制優(yōu)化

溫度控制是制備過程中最直接影響碳纖維性能的因素之一，通過精確控制溫度可以有效地調(diào)控纖維的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性。但是溫度過高導(dǎo)致纖維的結(jié)晶度過高，從而使其變得脆性增加，過低則影響纖維的力學(xué)性能[4]。

②化學(xué)成分調(diào)控

通過調(diào)整預(yù)氧化階段的化學(xué)成分，可以精確控制纖維的化學(xué)組成，為后續(xù)的碳化工藝提供良好的基礎(chǔ)。化學(xué)成分調(diào)控需要在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行精確控制，操作難度相對較高。

③纖維拉拔速度和拉拔模式優(yōu)化

合理的拉拔速度和模式可以保證纖維的連續(xù)性和均勻性，避免纖維斷裂或不均勻。但是過高的拉拔速度會導(dǎo)致纖維斷裂，而過低則使得纖維直徑分布不均勻。

④碳化工藝改進(jìn)

通過改進(jìn)碳化工藝，如采用層狀碳化方法、調(diào)控碳化反應(yīng)的氣氛氣體成分等，可以提高碳纖維的結(jié)晶度和力學(xué)性能[5]。但是碳化工藝的改進(jìn)需要在實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，操作難度相對較高。

4.航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用案例

碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用具有顯著的效果，它不僅提升了航空器的性能，還成功降低了整體重量，對于推動航空航天工程的發(fā)展起到了積極的推動作用。

碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是航空工程領(lǐng)域的一大亮點(diǎn)。通過采用碳纖維復(fù)合材料取代傳統(tǒng)的金屬材料，不僅使機(jī)身結(jié)構(gòu)更輕，而且提升了飛機(jī)的整體性能。

(1)降低整體重量

相比傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)，碳纖維復(fù)合材料的密度更低，因此，在保證強(qiáng)度的情況下，可以顯著降低飛機(jī)的整體重量。使得飛機(jī)在起飛、飛行和降落等階段的燃料消耗明顯減少，大幅提升了燃油效率。波音787夢想飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)中，約50%的重量來自碳纖維復(fù)合材料。這使得該飛機(jī)相對于傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu)的飛機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)約20%的燃料節(jié)省。而碳纖維復(fù)合材料被用于飛機(jī)翼的結(jié)構(gòu)，可以減輕整體重量并提升飛行性能。例如，空中客車A350XWB 飛機(jī)的翼箱結(jié)構(gòu)采用了大量的碳纖維復(fù)合材料，使得該飛機(jī)相對于傳統(tǒng)材料的飛機(jī)可以實(shí)現(xiàn)30%的燃料節(jié)約。

(2)提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

碳纖維復(fù)合材料具有極高的強(qiáng)度與剛度，使飛機(jī)的結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固耐用。這不僅提高了飛機(jī)的抗外部沖擊和振動的能力，也延長了其使用壽命。

(3)改善飛機(jī)性能

由于機(jī)身結(jié)構(gòu)的輕量化，飛機(jī)的動力系統(tǒng)可以更高效地發(fā)揮作用，提升了飛機(jī)的機(jī)動性和飛行速度，從而改善了整體的飛行性能。而碳纖維材料的使用，也能增加飛機(jī)的特殊性能。如隱形戰(zhàn)斗機(jī)F-22 和F-35，采用了大量的炭素纖維復(fù)合材料，以降低雷達(dá)反射截面積，提升隱身性能。使得這些戰(zhàn)斗機(jī)能夠在戰(zhàn)場上保持相對隱蔽的狀態(tài)。

(4)提高設(shè)計(jì)靈活性

碳纖維復(fù)合材料的各向異性特性使設(shè)計(jì)師可以更加靈活地設(shè)計(jì)飛機(jī)的外形和結(jié)構(gòu)，以最大化地發(fā)揮其性能優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)、更高效的設(shè)計(jì)。

碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用為航空航天工程的發(fā)展提供了強(qiáng)大的支持。通過在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)、航天器熱保護(hù)系統(tǒng)和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，碳纖維復(fù)合材料展現(xiàn)了其在提升性能、降低重量等方面的顯著效果，為航空航天工程的發(fā)展注入了新的活力，推動了人類對太空的探索與發(fā)展。

5.結(jié)束語

展望未來，碳纖維復(fù)合材料將繼續(xù)朝著高性能、高強(qiáng)度、高韌性的方向發(fā)展。研究人員將不斷尋求新的材料組合、改進(jìn)工藝，以提升復(fù)合材料的性能指標(biāo)，滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧系母咭蟆６磥淼难芯糠较騽t更應(yīng)著重于碳纖維復(fù)合材料的改性，通過引入新型纖維、填料或表面修飾等手段，提升材料的性能。同時，研究人員應(yīng)當(dāng)注重材料的功能性設(shè)計(jì)，使其具備更多的實(shí)用功能。碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分光明，通過持續(xù)的研究與創(chuàng)新，我們有信心在未來取得更大的突破，為航空航天工程的發(fā)展做出更為重要的貢獻(xiàn)。