碳纖維是由聚丙烯腈、黏膠絲或?yàn)r青等有機(jī)體在高溫、惰性氣氛下裂解、碳化而成，碳含量在95%以上的高分子纖維，它是一種由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸線方向堆砌而成的一種絲狀的碳素材料，如圖1所示。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料按照纖維幾何形態(tài)可以分為單向連續(xù)纖維增強(qiáng)、編織連續(xù)纖維增強(qiáng)和隨機(jī)短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，如圖2，圖3所示。

圖1碳纖維SEM照片

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是復(fù)合材料行業(yè)中質(zhì)輕、性能好、強(qiáng)度高的代表，它與其他材料相比減重效果明顯，缺點(diǎn)是成本較高，如表1所示。

表 1 碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的減重效果與其對(duì)應(yīng)的成本

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在民用飛機(jī)的應(yīng)用大概經(jīng)歷了4個(gè)過(guò)程。1960年代西方發(fā)達(dá)國(guó)家將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于航空領(lǐng)域，主要用于制作艙門(mén)、口蓋、整流罩等尺寸較小的非承受力結(jié)構(gòu)；1980年代中期，主要應(yīng)用在受力較小的升降舵、襟副翼等構(gòu)件；隨后逐漸用于制作垂尾、平尾、鴨翼等受力、尺寸較大的次承力結(jié)構(gòu)件；隨著自動(dòng)鋪設(shè)技術(shù)及熱壓罐成型工藝的成熟，復(fù)合材料制件逐漸向機(jī)翼、機(jī)身等受力大、尺寸大的主承力構(gòu)件發(fā)展。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在民用飛機(jī)上用量不斷提升，早期的A310、B757和B767占比僅為5%-6%。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，波音和空客先后推出了以先進(jìn)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為主受力結(jié)構(gòu)件的商用飛機(jī)，波音787機(jī)體的復(fù)合材料用量占比高達(dá)50%，如圖4所示。采用 T800 級(jí)別碳纖維增韌環(huán)氧樹(shù)脂(T800S-3900-2B)制作機(jī)身和機(jī)翼，運(yùn)行時(shí)可降低空氣阻力，延長(zhǎng)機(jī)體壽命，提高疲勞強(qiáng)度，同時(shí)節(jié)省燃油消耗?？湛虯-350中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(IMA/M21E)結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量超過(guò)了53%，空客A380后機(jī)身蒙皮壁板所采用的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料質(zhì)量占20%。具體應(yīng)用在客機(jī)主承力結(jié)構(gòu)部件如主翼、尾翼、機(jī)體、中央翼盒、壓力隔壁等，次承力結(jié)構(gòu)部件如輔助翼、方向舵及客機(jī)內(nèi)飾材料，開(kāi)創(chuàng)了先進(jìn)復(fù)合材料在大型客機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用的先河。最新的B787和A350，復(fù)合材料的用量接近甚至超過(guò)50%，如機(jī)頭、尾翼、機(jī)翼蒙皮等部位均采用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

圖 4 波音787飛機(jī)各部件復(fù)合材料使用情況

國(guó)內(nèi)商飛C919 客機(jī)中的中央翼、襟翼等部件均采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，克服了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形公差等技術(shù)難關(guān)，但其質(zhì)量?jī)H占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的12%。其主要用于 C919的尾翼和中央復(fù)合材料壁板以及主起落架艙門(mén)工作包、前起落架艙門(mén)工作包、翼身整流罩工作包和垂直尾翼工作包等，機(jī)輪剎車(chē)系統(tǒng)則涉及C/C復(fù)合材料及高溫合金的生產(chǎn)與制造。圖5所示為民航客機(jī)的復(fù)合材料占比。

圖 5 民航客機(jī)復(fù)合材料占比

由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)輕量化中無(wú)可替代的性能優(yōu)勢(shì)，其在軍用航空中得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。1970年代至今，國(guó)外軍用飛機(jī)從最初將復(fù)合材料用于尾翼級(jí)的部件制造發(fā)展到今天用于機(jī)翼、口蓋、前機(jī)身、中機(jī)身、整流罩等多個(gè)部位。以美國(guó)軍機(jī)為例，F(xiàn)-14A戰(zhàn)機(jī)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用量?jī)H有1%，到F-22和F-35為代表的第五代戰(zhàn)斗機(jī)上碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用量分別為24%和36%， B-2戰(zhàn)略轟炸機(jī)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料占比達(dá)到38%，如圖6所示。隨著我國(guó)新型戰(zhàn)機(jī)的換代升級(jí)，軍機(jī)碳纖維使用比例也將不斷提升。

圖 6 美國(guó)各類機(jī)型碳纖維復(fù)合材料所占比例

目前世界先進(jìn)軍機(jī)中復(fù)合材料用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20%-50%不等，主要應(yīng)用的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、機(jī)翼、中前機(jī)身等，其中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料占比 36.7%，主要應(yīng)用于翼梁、縱梁、機(jī)翼箱型梁、升降舵蒙皮、外翼盒接頭等多種重要零部件。其中極具代表性的當(dāng)屬美國(guó)的B-2轟炸機(jī)，如圖7、8所示，它大量采用先進(jìn)的特種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，所用碳纖維的截面不是圓形，而是異型截面，如方形截面，并且在表面沉積一層多孔碳?；蚋街粚佣嗫孜⑶?，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。也就是說(shuō)特種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不僅是結(jié)構(gòu)材料，而且也是結(jié)構(gòu)吸波材料，這使得其雷達(dá)散射截面積（RCS）顯著降低，不易被對(duì)方雷達(dá)發(fā)現(xiàn)而大大增加了突防能力和生存概率。

伴隨著我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在各型號(hào)軍機(jī)中的應(yīng)用占比也持續(xù)提升。我國(guó)軍機(jī)與美國(guó)相比存在代差，更新?lián)Q代需求強(qiáng)烈，新機(jī)型列裝將推動(dòng)軍用航空碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)。按照未來(lái)15年我國(guó)軍機(jī)數(shù)量達(dá)到美國(guó)現(xiàn)有軍機(jī)數(shù)量的70%測(cè)算，通過(guò)將各型軍機(jī)數(shù)量與美國(guó)對(duì)標(biāo)，按照各型軍機(jī)空重和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料占比，未來(lái)軍機(jī)碳纖維需求量將達(dá)到14154噸，年均需求為944噸。如表3所示。我國(guó)軍機(jī)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用將呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)，而全球的碳纖維需求量更是逐年遞增，如圖9所示。

表3 我國(guó)未來(lái)15年軍機(jī)碳纖維用量預(yù)測(cè)

圖 9 歷年全球碳纖維需求量

第五代戰(zhàn)機(jī)對(duì)隱身性能和超機(jī)動(dòng)都有較高的標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的金屬材質(zhì)是無(wú)法勝任其要求的，所以能夠顯著降低重量與雷達(dá)反射面積的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料就成為了五代戰(zhàn)機(jī)的首選。

美國(guó)五代機(jī)F-22“猛禽”飛機(jī)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用量比原預(yù)計(jì)有較大降低，但其復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)水平卻比其他飛機(jī)前進(jìn)了一大步，大量采用高性能樹(shù)脂基體和率先用先進(jìn)工藝制造飛機(jī)重要承力件是F-22應(yīng)用復(fù)合材料的兩大特點(diǎn)。其中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不只是用于蒙皮，而且用于機(jī)翼梁和垂尾梁。該機(jī)機(jī)體上應(yīng)用復(fù)合材料的部件很多，主要有以下幾方面：（1）前機(jī)身：蒙皮和骨梁、部分隔框和構(gòu)架、燃油箱骨架和箱壁。（2）中機(jī)身：中機(jī)身結(jié)構(gòu)重量的23.5%為復(fù)合材料。其中部分蒙皮、部分隔框和構(gòu)架、燃油箱地板、武器艙門(mén)的蒙皮和帽型加強(qiáng)筋由復(fù)合材料制造。（3）后機(jī)身：結(jié)構(gòu)重量的11 %為復(fù)合材料，復(fù)合材料主要用于其中的龍骨腹板。（4）機(jī)翼：結(jié)構(gòu)重量的35 %為復(fù)合材料，其中蒙皮、中間梁和部分后梁用復(fù)合材料制造。（5）尾翼：蒙皮和前后緣、梁和肋、水平安定面樞軸。如圖10、11所示為F22的剖視結(jié)構(gòu)圖，可以很清晰的看到復(fù)合材料的應(yīng)用部位。

圖10  F22剖視結(jié)構(gòu)圖一

圖11  F22剖視結(jié)構(gòu)圖二

同樣的，俄羅斯對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備和成品應(yīng)用也取得了非常有效的實(shí)用成果，未上漆的蘇57飛機(jī)顯示其表面采用了大量的復(fù)合材料，除了機(jī)身的主結(jié)構(gòu)、機(jī)翼、進(jìn)氣口的前緣耐熱段、制動(dòng)器基座和垂尾主體為金屬外，外殼幾乎全由復(fù)合材料打造。蘇57的總設(shè)計(jì)師曾說(shuō)過(guò)：復(fù)合材料占全機(jī)重量的25%與表面積的70%。在蒙皮、次承力結(jié)構(gòu)上大量采用復(fù)合材料，有條件在保持飛機(jī)外廓尺寸和結(jié)構(gòu)條件的同時(shí)明顯降低結(jié)構(gòu)重量，非金屬?gòu)?fù)合材料外形連續(xù)性好的優(yōu)點(diǎn)也有利于其隱身和減阻，尤其是前、中段機(jī)身外部蒙皮 采用復(fù)合材料為主，能夠獲得較好的減重和降低飛機(jī)雷達(dá)反射面積的整體效果，其中減重部分的收益對(duì)航空動(dòng)力技術(shù)略有不足的蘇57意義最大。

復(fù)合材料的用量和占比是衡量航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)程度的一個(gè)度量。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料優(yōu)異的比強(qiáng)度和比模量性能對(duì)于高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的減重、提高推進(jìn)效率、降低噪聲和排放以及降低成本等都具有重要意義，它主要應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端部件上，工作溫度在150-200℃以下，例如渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片、導(dǎo)向葉片及其框架組件、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)鼻錐及整流裝置等。例如LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣應(yīng)用3D編織預(yù)成型件和樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)工藝技術(shù)制造的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，和鋁相比減重30%，能夠滿足葉片飛出測(cè)試要求，不需要制造和組裝單獨(dú)的密封環(huán)。

另外，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也是制造巡航導(dǎo)彈、宇宙飛船部件、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼等的重要材料組成部分。飛行器在高速飛行過(guò)程中由于受到氣動(dòng)加熱的影響，飛行器的鼻錐、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等部位將面臨超過(guò)3000℃高溫的沖刷，因此，高溫下仍具有優(yōu)異的力學(xué)性能的C/C復(fù)合材料被認(rèn)為是理想的航空航天高溫結(jié)構(gòu)材料。C/C 復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)葉片如圖12所示。

圖 12  C/C復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)葉片

“一代材料，一代裝備”，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為新型復(fù)合材料，其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，作為先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和支撐，其產(chǎn)業(yè)化水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步、綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。為使我國(guó)盡快進(jìn)入材料強(qiáng)國(guó)的行列，鞏固國(guó)際上的軍事地位，開(kāi)展新材料的推廣應(yīng)用具有重要的戰(zhàn)略意義。目前，我國(guó)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料完整的產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成，但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在高性能碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高品質(zhì)及低成本化方面仍存在一定差距，整體應(yīng)用技術(shù)方案及產(chǎn)業(yè)相關(guān)的配套系統(tǒng)尚未健全，針對(duì)這些問(wèn)題，我國(guó)應(yīng)將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料列入優(yōu)先發(fā)展計(jì)劃之內(nèi)，更加注重基礎(chǔ)知識(shí)和關(guān)鍵技術(shù)的研究，突破技術(shù)難題，掌握核心技術(shù)，全面提升碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備工藝水平及應(yīng)用水平，促進(jìn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空、航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。