碳纖維在制造大型飛機(jī)中的應(yīng)用

1、碳纖維在制造大型飛機(jī)中的應(yīng)用去年，我國正式啟動(dòng)了大型飛機(jī)制造計(jì)劃，這是一個(gè)振奮人心的喜訊，幾十年的夢(mèng)想就要實(shí)現(xiàn)了，人們受到極大鼓舞?，F(xiàn)在，制造大型飛機(jī)離不開碳纖維，我國化學(xué)纖維工業(yè)“十一五”發(fā)展規(guī)劃中已將碳纖維列為鼓勵(lì)發(fā)展的高新技術(shù)纖維首位。制造大型飛機(jī)將促進(jìn)我國碳纖維工業(yè)的快速發(fā)展，發(fā)展碳纖維也必將為我國的大型飛機(jī)制造做出貢獻(xiàn)，并促進(jìn)我國化纖工業(yè)的合理化。1、大型飛機(jī)制造項(xiàng)目再次啟動(dòng)我國航空事業(yè)已有50多年的歷史，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模僅次于美國和俄羅斯。制造大型飛機(jī)是我國40年的夢(mèng)想，因?yàn)檫@是衡量一個(gè)國家科技水平、工業(yè)水平和綜合國力的重要標(biāo)志之一，我國從第一代領(lǐng)導(dǎo)人開始就有制造大型飛機(jī)的愿望。毛澤東主

2、席曾經(jīng)說過：“我們是一個(gè)大國，世界上有的東西，我們不能樣樣都有，但是重要的東西，如飛機(jī)和汽車，我們就一定要有”。1970年8月，我國第一個(gè)大型飛機(jī)項(xiàng)目“運(yùn)十”正式啟動(dòng)，并于1982年9月首飛上天，只比歐洲晚起步2年，遺憾的是以后擱淺了，沒有繼續(xù)發(fā)展。直到2006年2月9日，國務(wù)院頒布“國家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006年2020年”，大型飛機(jī)被確定為“未來15年力爭(zhēng)取得突破的16個(gè)重大科技專項(xiàng)”之一。2007年2月，國務(wù)院常務(wù)會(huì)議原則上同意大型飛機(jī)立項(xiàng)，并批準(zhǔn)了在2020年前開始制造大型飛機(jī)的計(jì)劃。同年12月，溫總理在西安視察時(shí)，再次表達(dá)了中國發(fā)展大型飛機(jī)的決心：“國家已經(jīng)對(duì)外宣布了，

3、就是說我們必要做(大型飛機(jī) ，而且一定要成功！”。大型飛機(jī)是指起飛重量超過100噸的運(yùn)輸類飛機(jī)，包括軍用和民用大型運(yùn)輸機(jī)，也包括150座以上的干線飛機(jī)。大型飛機(jī)制造工藝復(fù)雜，涉及行業(yè)門類眾多，目前國際干線飛機(jī)市場(chǎng)一直被波音、空客兩家公司所壟斷。我國重新啟動(dòng)大型飛機(jī)制造計(jì)劃，是基于多年來科學(xué)領(lǐng)域的預(yù)先研究，綜合國力的不斷增強(qiáng)和機(jī)械、電子、冶金、化工、材料、能源、信息及計(jì)算機(jī)等許多基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展，也說明我們已經(jīng)具有了經(jīng)驗(yàn)積累、經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)基礎(chǔ)。特別是“運(yùn)十”和ARJ21支線客機(jī)的制造成功等為我國研制大型飛機(jī)奠定了基礎(chǔ)，我們的國產(chǎn)大型飛機(jī)將一定如期飛上藍(lán)天。2、碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

4、碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。它是由有機(jī)母體纖維(粘膠、瀝青、聚丙烯腈等含碳量較高、在熱處理過程中不熔融的化學(xué)纖維 經(jīng)預(yù)氧化、碳化、石墨化等工藝制成。其主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷、水泥等基體復(fù)合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP為典型代表，其比強(qiáng)度、比模量等性能是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中最高的。碳纖維開始于19世紀(jì)60年代，在20世紀(jì)5060年代工業(yè)化，是應(yīng)宇航工業(yè)對(duì)耐燒蝕和輕質(zhì)高強(qiáng)材料的迫切需求發(fā)展起來的。目前，有粘膠基、瀝青基和聚丙烯腈(PAN基三種原料體系的碳纖維，粘膠基和瀝青基碳纖維用途較單一，產(chǎn)量有限，PAN 基碳纖維由于生

5、產(chǎn)工藝較簡(jiǎn)單，產(chǎn)品力學(xué)和高溫性能優(yōu)異，而且兼有良好的結(jié)構(gòu)和功能特性，發(fā)展較快，已成為高性能碳纖維發(fā)展和應(yīng)用最主要和占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的品種，是當(dāng)前碳纖維的主流，其產(chǎn)量占90%左右。碳纖維主要用于高性能結(jié)構(gòu)及功能復(fù)合材料，在航空、航天、兵器、船舶及核工業(yè)等國防領(lǐng)域具有不可替代的作用，同時(shí)廣泛用于體育休閑用品和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，是世界各國高度重視的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)材料。目前，主要產(chǎn)品是包括以美國為代表的大絲束碳纖維(48K480K 和以日本為代表的小絲束碳纖維(1K24K 兩大類。日本不僅是碳纖維的主要生產(chǎn)國，而且是世界各國高質(zhì)量PAN 基碳纖維的供給國，壟斷了小絲束碳纖維(標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品為12K 24K 的生產(chǎn)，左右著世界

6、的碳纖維市場(chǎng)。東麗公司生產(chǎn)的小絲束碳纖維其產(chǎn)量和質(zhì)量居世界前列，代表了當(dāng)今碳纖維的世界水平。2006年，世界PAN 基碳纖維的生產(chǎn)能力為3.8萬噸年(其中小絲束2.92萬噸年、大絲束0.88萬噸年 ，生產(chǎn)量為2.7萬噸。由于供不應(yīng)求，一些生產(chǎn)廠家正在擴(kuò)大生產(chǎn)能力，預(yù)計(jì)2008年世界碳纖維的生產(chǎn)能力將達(dá)到4.86萬噸年。從2005年開始，世界對(duì)碳纖維的應(yīng)用表現(xiàn)出極大興趣，特別是大型民用客機(jī)開始大規(guī)模使用碳纖維復(fù)合材料，市場(chǎng)供求緊俏，價(jià)格上揚(yáng)，2006年更是有價(jià)無市。第一波士頓信貸銀行(CSFB人士指出，未來幾年，世界碳纖維需求將以年均兩位數(shù)快速增長(zhǎng)，市場(chǎng)供應(yīng)短缺至少將延續(xù)到2009年，甚至有可能

7、會(huì)延長(zhǎng)到2012年。研制大型飛機(jī)要突破許多關(guān)鍵技術(shù)，其中之一是“先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)”，這就離不開碳纖維。碳纖維以其優(yōu)異的性能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造業(yè)，最突出的主要性能是強(qiáng)度大、模量高、比重小、質(zhì)量輕。另外，還具有耐高溫、耐疲勞、耐腐蝕、耐高導(dǎo)和耐穩(wěn)定性等一系列優(yōu)異性能，而且與其他材料的相容性高、兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性、容易復(fù)合、設(shè)計(jì)自由度大等。碳纖維的這種特性決定了它可以應(yīng)用于航空航天、體育休閑、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生、土木建筑等諸多領(lǐng)域。在航空航天領(lǐng)域，利用碳纖維的耐高溫、比強(qiáng)度高和比模量高等力學(xué)特性作為航空、航天、飛機(jī)、飛船等的結(jié)構(gòu)材料使用。如飛機(jī)的一次構(gòu)造材料：主翼、尾翼和機(jī)體等；

8、二次構(gòu)造材料：副翼、方向盤、升降舵、內(nèi)裝材料、地板材、剎車片及直升機(jī)的葉片等。火箭的排氣錐體、發(fā)動(dòng)機(jī)(蓋、殼體、燃燒室、噴管、喉襯、擴(kuò)散段 、助推器殼體等；導(dǎo)彈武器的整流罩、彈體、端頭、噴管、擴(kuò)散段等；人造衛(wèi)星的承力結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)系統(tǒng)、太陽能電池基板、復(fù)雜曲面天線、連接架等；宇宙飛船的翼面板和支撐構(gòu)件等。太空站和天地往返動(dòng)輸系統(tǒng)上的一些關(guān)鍵部件也往往采用碳纖維復(fù)合材料為主要材料。目前，碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量已占70%80%，在軍用飛機(jī)上占30%40%，在大型客機(jī)上占15%50%。世界碳纖維的需求在各用途領(lǐng)域都不斷增長(zhǎng)，特別是急速增長(zhǎng)的航空航天領(lǐng)域拉動(dòng)了碳纖維全體的增長(zhǎng)。

9、世界碳纖維在航空航天領(lǐng)域的使用量，2006年為3775噸，占總用量的15.6%，預(yù)計(jì)2010年將增加到5389噸，占16.9%。我國碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界水平，2005年為120噸，占總用量的2.7%，預(yù)計(jì)2010年將增加到250噸，占4.1%。3、碳纖維復(fù)合材料在大型飛機(jī)上的應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料(CFRP具有質(zhì)量輕等一系列優(yōu)異特性，在飛機(jī)制造業(yè)廣泛應(yīng)用。首先戰(zhàn)斗機(jī)的使用量增加迅速，如美國超級(jí)“大黃蜂”(F/A-18E/F的CFRP 用量占約19%、法國“陣風(fēng)”的用量占約24%、英國“臺(tái)風(fēng)”(EP200的用量占約40%。直升機(jī)也大量使用CFRP ，如日本“OH-1忍者”的機(jī)身用

10、量為40%，槳葉等也用CFRP 制造。我國先進(jìn)的直升機(jī)也大量使用CFRP 。特別是近年來在大型客機(jī)A380和B787上的使用量增加更快，目前已占結(jié)構(gòu)總量的50%左右，成為制造大型飛機(jī)的主體材料，已引起人們極大關(guān)注。如波音公司1982年波音767型飛機(jī)主要在垂直尾翼發(fā)動(dòng)機(jī)上使用一些碳纖維，1架飛機(jī)使用CFRP 為1.5噸，其中碳纖維的實(shí)際用量約1噸。1995年推出的波音777型飛機(jī)，除了垂直尾翼以外，水平尾翼、機(jī)身和里面的地板支撐材料等也開始使用碳纖維，1架飛機(jī)的復(fù)合材料用量為9.6噸，實(shí)際碳纖維用量6.5噸。預(yù)計(jì)在2008年制造的波音787型飛機(jī)，除上述部位以外，整個(gè)機(jī)身的主要部分包括流線型罩

11、等都使用碳纖維，1架飛機(jī)使用的GFRP 將達(dá)到30噸，實(shí)際碳纖維用量超過20噸。波音公司稱，大量使用復(fù)合材料將減少更多的維修時(shí)間和費(fèi)用，而且每架飛機(jī)可節(jié)省燃料約20%。空中客車公司估計(jì)目前1架A340/500和A340600飛機(jī)使用的復(fù)合材料將近6噸，新的A380客機(jī)使用復(fù)合材料為2530噸架，其中85%是CFRP 。中等尺寸的A350飛機(jī)預(yù)測(cè)到20102011年將充分生產(chǎn)，需用復(fù)合材料1620噸架，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料比例提升到41%左右。通用級(jí)T300碳纖維及其CFRP 可用來制造飛機(jī)的二次結(jié)構(gòu)部件，滿足不了制造一次結(jié)構(gòu)部件的要求。后來開發(fā)成功的高強(qiáng)中模型碳纖維使抗拉強(qiáng)度、抗拉模量、斷裂伸長(zhǎng)等性

12、能有了大幅度提高，與韌性環(huán)氧樹脂所制造的CFRP 就可以制造大型飛機(jī)的一次部件和二次部件。目前應(yīng)用的高強(qiáng)中模型碳纖維有東麗公司的T700SC 和T800H 、東邦人造絲公司的IM400和Im600、三菱人造絲公司的MR50及赫克塞爾(Hexcel公司的IM7、IM7-500、IM7-600等。市場(chǎng)需求是碳纖維發(fā)展的動(dòng)力。1981年波音公司提出要求高強(qiáng)度、高伸長(zhǎng)的碳纖維，促進(jìn)了高性能碳纖維的研發(fā)。1984年日本東麗公司率先研制成功碳纖維T800，1986年又進(jìn)一步研制出了T1000，。隨后，日本東邦人造絲公司、三菱人造絲公司和美國赫克塞爾公司相繼研制出同類型的高性能碳纖維，為大型飛機(jī)的制造提供了

13、新型復(fù)合材料。從此，CFRP 在大型飛機(jī)上的使用量直線上升，也促進(jìn)了碳纖維工業(yè)的發(fā)展和先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的日趨完善。CFRP 是制造飛機(jī)的最好材料，碳碳復(fù)合材料(C/C則是制造飛機(jī)剎車裝置的優(yōu)異材料。先進(jìn)的C/C剎車裝置可以有效地使飛機(jī)降落過程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，不僅剎車制動(dòng)的安全可靠性提高，而且可以有效地減輕質(zhì)量，在戰(zhàn)斗機(jī)和客機(jī)上都廣泛使用。4、我國碳纖維市場(chǎng)需求和生產(chǎn)狀況我國對(duì)碳纖維的研究開始于 20 世紀(jì) 60 年代，80 年代開始研究高強(qiáng)型碳纖 維。多年來進(jìn)展緩慢，但也取得了一定成績(jī)。進(jìn)入 21 世紀(jì)以來發(fā)展較快，安徽 華皖碳纖維公司率先引進(jìn)了 500 噸年原絲、200 噸年 PAN 基

14、碳纖維(T300， 使我國碳纖維工業(yè)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化。隨后，一些廠家相繼加入碳纖維生產(chǎn)行列。據(jù) 不完全統(tǒng)計(jì)，2006 年，我國已有 12 家生產(chǎn)規(guī)模大小不一(5800 噸年的 PAN 基碳纖維生產(chǎn)廠家， 合計(jì)生產(chǎn)能力為 1310 噸年， 產(chǎn)品規(guī)格為 1K、 3K、 6K、 12K。 但由于一些企業(yè)沒有原絲可燒，2006 年國內(nèi)碳纖維的總產(chǎn)量只有 40 噸左右，而 且產(chǎn)品質(zhì)量不太穩(wěn)定，大多數(shù)達(dá)不到 T300 水平?？上驳氖菑?2000 年開始我國碳 纖維向技術(shù)多元化發(fā)展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術(shù)，采用以二甲基亞砜 為溶劑的一步法濕法紡絲技術(shù)獲得成功。目前利用自主技術(shù)研制的國產(chǎn) T300、 T7

15、00 碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。 隨著近年來我國對(duì)碳纖維的需求量日益增長(zhǎng)，碳纖維已被列為國家化纖行業(yè) 重點(diǎn)扶持的新產(chǎn)品，成為國內(nèi)新材料行業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前擬建 和在建的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)有 11 家，合計(jì)生產(chǎn)能力為原絲 7100 噸年、碳纖維 1560 噸年，其中在建企業(yè)為 4 家，合計(jì)生產(chǎn)能力為原絲 1100 噸年、碳纖維 470 噸年。 盡管我國碳纖維生產(chǎn)發(fā)展緩慢， 而消費(fèi)量卻一直在逐漸增加， 市場(chǎng)需求旺盛。 主要用途包括體育器材、一般工業(yè)和航空航天等，其中體育休閑用品的使用量最 大，占消費(fèi)量的約 80%90%。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，2006 年，我國碳纖維的需求量 已超過

16、3000 噸，2007 年將超過 3500 噸，2010 年將突破 5000 噸達(dá)到 5800 噸。 主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋撼墒焓袌?chǎng)有航空航天及國防領(lǐng)域(飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、 雷達(dá)等和體育休閑用品(高爾夫球桿、漁具、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、箭桿、自行車、 賽艇等；新興市場(chǎng)有增強(qiáng)塑料、壓力容器、建筑加固、風(fēng)力發(fā)電、摩擦材料、 鉆井平臺(tái)等；待開發(fā)市場(chǎng)有汽車、醫(yī)療器械、新能源等。 我國碳纖維復(fù)合材料的研制開始于 20 世紀(jì) 70 年代中期，經(jīng)過近 40 年的發(fā) 展，已取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，在航天主導(dǎo)產(chǎn)品(彈、箭、星、船上得到了廣泛應(yīng)用。 近年來，我國體育休閑用品及壓力容器等領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求迅速增長(zhǎng)，航空航 天技

17、術(shù)的快速發(fā)展急需高性能碳纖維及其復(fù)合材料等，市場(chǎng)需求更加旺盛。 為了滿足國內(nèi)市場(chǎng)對(duì)碳纖維不斷增長(zhǎng)的需求， 應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)我國碳纖維工業(yè)的 國產(chǎn)化和規(guī)?；?。 為此， 必須加快技術(shù)創(chuàng)新， 掌握核心技術(shù)； 加速原絲技術(shù)開發(fā)， 研制高純度原絲；強(qiáng)化應(yīng)用研究和市場(chǎng)開發(fā)，進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。碳纖維在我 國大有發(fā)展前途，但應(yīng)總結(jié)滌綸等化纖發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，避免盲目發(fā)展，實(shí)現(xiàn)健 康發(fā)展。 為了大型飛機(jī)的制造和航空航天事業(yè)的發(fā)展， 我國還必須盡快地實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)中 模型碳纖維的產(chǎn)業(yè)化。但是，因?yàn)楦咝阅芴祭w維是發(fā)展航空航天等尖端技術(shù)必不 可少的材料，長(zhǎng)期受到以美國為首的巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)的封鎖。雖然“巴統(tǒng)”在 1994 年 3 月解散了，但禁運(yùn)的陰影仍然存在。即使對(duì)我國解除了禁運(yùn)，開始也 只能是通用級(jí)碳纖維，而不會(huì)向我們出售高性能碳纖維技術(shù)和設(shè)備。因此，發(fā)展 高性能碳纖維必須要靠我們自己。我國化學(xué)纖維工業(yè)“十一五”發(fā)展規(guī)劃中提 出了“從以增加數(shù)量為主轉(zhuǎn)向大力發(fā)展高新技術(shù)纖維”， 特別是把事關(guān)國家產(chǎn)業(yè) 安全的高新技術(shù)纖維材料作為重中之重，而且