浅谈碳纤维复合材料在航空工业的发展与展望

2015-03-22李豫卿

合成材料老化与应用 2015年3期

李豫卿

（郑州飞机装备有限责任公司，河南郑州 450005）

随着科学技术的发展，对材料性能的要求也越来越高，新材料和新技术的应用与发展，已经成为一个国家科技水平、经济发展以及综合国力的重要体现。其中，复合材料在新材料和新技术的发展中占有着举足轻重的地位，为新材料的应用开拓了更为广阔的领域，为新技术的发展指明了方向。复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求[1]。近几十年来，复合材料的发展极其迅速，其中，碳纤维复合材料的发展尤为突出，其广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、兵器等众多领域。

碳纤维复合材料（CFRP）是目前最先进的复合材料之一，是以碳纤维(织物)或碳化硅等陶瓷纤维(织物)为增强体，以碳为基体的复合材料的总称[2]。碳纤维复合材料具有密度小、强度高、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数低、寿命长等优点，该材料作为先进复合材料典型代表，是工业发达国家争先发展的高新产业，是我国战略性新兴产业发展的基础和支撑。

1 碳纤维复合材料在航空工业的发展近况

航空工业作为国家战略性产业，反映了一个国家军事、经济和科技的发展水平。现代复合材料，尤其是碳纤维复合材料，在航空产品领域的应用越来越多。飞机是航空工业的支柱产品，随着对飞机性能的要求越来越高，飞机重量、可靠性、使用寿命等问题成为影响飞机性能提高的关键性因素。因复合材料比强度高、比刚度高、耐腐蚀疲劳性好，可设计性强等一系列独特的优点，其在飞机上的应用比例呈逐步上升趋势。飞机上应用的复合材料主要为碳纤维复合材料[3]。应用复合材料可大幅度地减轻飞机机体的结构重量，改善气动性能，有效解决质量与安全之间的矛盾，提高飞机的综合性能，还可以保证不损失强度或刚度，大大提高了燃油经济性。此外，复合材料使飞机结构件具有更好的耐磨损性，减少了大量的维修工作。同时，还具备更高的安全性能，更优化的力学性能，更高的抗震和抗冲击强度，环保和回收利用等性能。

碳纤维复合材料在航空领域的应用大致可分为应用在受力不大或非承力构件阶段（如舵面、口盖等）、应用在次承力或承力较大构件阶段（如机翼等）和应用在主承力构件或复杂受力构件阶段（如机身、中央翼盒）等三个阶段。

据相关资料统计，在国外的军机上的碳纤维复合材料使用量已经达到25%~30%，如F-22“猛禽”战斗机的复合材料用量比例约为25%，其中碳纤维复合材料为主体材料；F-35“闪电Ⅱ”联合攻击战斗机采用35%的碳纤维复合材料，大大降低了机体重量；欧洲台风战斗机使用了大量的复合材料和其它先进材料，比例达到了40%，其中，机身、机翼（包括内侧后缘襟翼）、垂尾和方向舵等大部分都使用了碳纤维复合材料。

相比之下，我国军用战斗机使用碳纤维复合材料的最大比例尚不足10%，如歼-11B 重型战机的机翼、垂直尾翼和水平尾翼等部件采用了复合材料,占飞机结构总重量的9%；歼-10 战斗机水平尾翼、鸭翼上采用的碳纤维复合材料，比例约为10%；L-15“猎鹰”教练机仅在机头罩、方向舵和垂尾采用的碳纤维复合材料，整体比例不大。FC-1 枭龙战斗机主体仍选用传统的高硬度航空铝材，仅在少量进气道、舱盖等部位采用了复合材料。

在民用方面，国外的大型客机上碳纤维复合材料的使用量已经达到甚至超越50%。比如美国波音飞机公司研制的B787 飞机，该机主要结构采用碳纤维复合材料，复合材料占到飞机结构重量的50%[4]。碳纤维复合材料广泛应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位。空客A350XWB 宽体飞机系列机身采用创新性的全新碳纤维增强型复合材料，超过70%的机体结构采用了先进的材料——其中52%为主要是碳纤维复合材料。除此之外，该飞机的主要零部件包括机翼上下蒙皮、桁条、前后翼梁等的主要材料均为碳纤维复合材料，使得机体结构重量更轻，最大限度的降低了油耗。空客集团研制的世界最大飞机A380 超大型客机中的碳纤维复合材料约占飞机35 吨结构材料中的22%，主要应用于中央翼盒、副翼、后压力舱、整流罩、后机身以及水平副翼等部件[5]。

我国的大型客机中，中国商用飞机有限责任公司研制的双发动机支线客机ARJ21 翔凤客机使用的复合材料仅占飞机结构重量的2%；中国商用飞机有限责任公司研发的大型客机C919 中的碳纤维复合材料占飞机结构重量的7%，仅在内外襟翼、垂直尾翼和中央翼部段部分采用了碳纤维复合材料[6]。

由此可见，我国的军用飞机和民用飞机在碳纤维复合材料的应用方面，无论是发展方向、应用比例还是应用水平上均远远落后于发达国家。

2 我国碳纤维复合材料发展存在的问题与展望

我国的碳纤维复合材料的生产水平和应用技术方面都远远落后于国外发达国家，主要存在几方面的问题：（1）高端产品少，生产技术落后。（2）产品应用领域狭窄。（3）生产成本过高。（4）一体化成型技术落后。（5）产品质量不稳定，合格率低。

碳纤维复合材料是国民经济和国防建设不可或缺的战略性新材料，其应用领域宽广，技术含量高、辐射面广、带动力强。据统计，2014年全球碳纤维产量约为10 万吨，日美企业的产品还是占据大部分市场。据预测，碳纤维的需求将以每年15%以上的速度扩大。预计5年后，市场将扩大到现在的2 倍以上。到2030年，我国碳纤维需求量将达到30 万～50 万吨。今后，碳纤维复合材料将会朝着高性能化、多元化、低成本化、系列化的方向发展。发展潜力大，发展问题多，针对碳纤维复合材料在我国发展中存在的问题，我们应该重视基础研究和关键技术突破，注重技术体系建设和研发体系建设，加快重点核心技术的研究，全面提高我国的工艺技术水平、应用水平、生产效率、质量控制水平和发展创新，进一步降低生产成本，全面拓展碳纤维复合材料的应用领域。