碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

1、碳纤维复合材料在航空航天领碳纤维复合材料在航空航天领域的应用域的应用特别感谢以下人员特别感谢以下人员许许志永志永 代亚代亚 王通兵王通兵杨文晔杨文晔 宋洪发宋洪发 杨荣良杨荣良碳纤维复合材料的基本碳纤维复合材料的基本概念概念比强度比强度(specific strength)是材料的强度（断开时单位面积所受的力）除以其密度。又被称为强度重量比。比强度高，简单的说，就是材料又要结实，又要轻。 比模量比模量(specific modulus)是材料的模量（在受力状态下的应力与应变之比）除以其密度，又称劲度质量比。比模量高，简单的说，就是材料又要变形小，又要轻。 航空和航天工业。飞行器的运动速度高，过

2、载大，对材料强度和变形有严格要求。而且，商用飞机每减重一公斤，一年就能节约3000美元的燃料。远程火箭、太空飞船每减重一公斤，就能节约10,000美元的燃料。能够减少重量，就能够增加有效载荷，降低飞行成本。因此高速飞行领域对材料重量是很敏感的。航空航天领域的材料，还需要一个特质，就是耐高温。 碳纤维碳纤维，指碳的重量占 90%以上的纤维状碳材料。碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成的材料，就是碳纤维复合材料碳纤维复合材料(CFRP)。 碳纤维复材中最重要的碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。其比模量比钢和铝合金高5倍，比强度要高3倍。而碳纤维的比

3、重，一般在一般在1.6左右，是铝的二分之一，钢的五分之一左右，是铝的二分之一，钢的五分之一。碳在各种溶剂中不溶解，在隔绝空气的惰性环境中(常压下)，在高温时也不会熔融，而且是在而且是在2000摄氏摄氏度以上唯一强度不下降的已知材料。只有在度以上唯一强度不下降的已知材料。只有在10Mpa压力和压力和3000K 以上高温条件下，才以上高温条件下，才不经液相直接升华。不经液相直接升华。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，CFRP都具有很高的优势。碳纤维发展史碳纤维发展史 碳纤维的利用，可以追溯到1880年，那个以发明灯泡而著名的爱迪生，申请专利，提出利用碳

4、纤维作为电灯的灯丝，后来因为钨丝的替代而不了了之。此后关于碳纤维及其复合材料的研发，在很长时间处于停滞状态。直至二战之后，美国和日本为主的研发工作陆续获得突破，才终于迎来了碳纤维的春天。1950年，美国年，美国Wright-Patterson空军基地开始研究用人造丝制造碳纤空军基地开始研究用人造丝制造碳纤维，并得到了力学性能优良的碳纤维维，并得到了力学性能优良的碳纤维。1967年，美国年，美国Uninon Carbide公司已经能够供应弹性模量为公司已经能够供应弹性模量为2.8-3.5106公斤公斤/厘米厘米2的石墨纱的石墨纱。1969年，日本东丽公司研制成功特殊的聚丙烯腈共聚年，日本东丽公司

5、研制成功特殊的聚丙烯腈共聚PAN纤维，并纤维，并结合结合Uninon Carbide公司的碳化技术，生产出了比强度和比模量都公司的碳化技术，生产出了比强度和比模量都很高的碳纤维很高的碳纤维。此后至今，东丽公司一直是首屈一指的高性能碳纤维供应商，产量居世界首位。其与日本东邦和三菱人造丝三家日本公司，生产世界70%以上的军用碳纤维，代表着当今高性能碳纤维的最高水平。而以Akzo和Zoltek为代表的美国公司，则把持着低端碳纤维市场的主要份额。 在理论上，碳纤维的抗拉强度可能达到180Gpa,实验室碳纤维最高抗拉强度已达到9.03 Gpa，未来有可能做到20Gpa。碳纤维的丝束以K表示，1K表示一个

6、丝束含1000根碳纤维，3K就是3000根。一般来讲，24K以下为小丝束（small tow）, 24K以上的为大丝束（large tow）。航空航天领域，特别是军用航空领域，在飞机结构上一般采用的是小丝束碳纤维复材，以3K的碳纤维为主。通常小丝束碳纤维的生产必须采用价格昂贵的特种聚丙烯睛PAN原丝，而且这些特种PAN原丝的生产技术是高度保密的，每家公司都有自己的专利技术。原丝制备技术高度保密，不出售，不转让。小丝束碳纤维产品的市场容量相对小，目前主要用于军工产品。 而大丝束碳纤维，能够以便宜而且公开出售的民用聚丙烯作为原料，制备碳纤维。因此，价格优势非常明显。2012年的国内碳纤维市场，年的

7、国内碳纤维市场，48K的只有一百多人的只有一百多人人民币人民币/公斤公斤，24K的二百多，的二百多，12K的三四百，到的三四百，到3K就要七八百，就要七八百，1K的则高达三四千元一公斤。的则高达三四千元一公斤。 用于飞机结构的小丝束产品,属于战略性物资，国外对华禁运，所以高层相当重视，现在也是战略重点。此外在工业应用领域内的低成本大丝束碳纤维,过去重视不太够，现在都在往这个方向努力，但是尚未达到产业化的程度。从需求上看. 碳纤维碳纤维从从1950年代主要应用在火箭、宇航及航空等尖年代主要应用在火箭、宇航及航空等尖端科学，到端科学，到1980年代被广泛应用于纺织、化工机械、建筑、年代被广泛应用于

8、纺织、化工机械、建筑、风机叶片及医学领域。比如，在体育领域，碳纤维主要应风机叶片及医学领域。比如，在体育领域，碳纤维主要应用于高尔夫棒、网球拍、赛车、弓箭、跳竿、冰球棒、游用于高尔夫棒、网球拍、赛车、弓箭、跳竿、冰球棒、游艇、赛艇、滑翔机、人力飞机、帆船桅杆、摩托车及登山艇、赛艇、滑翔机、人力飞机、帆船桅杆、摩托车及登山用品，如登山杖、滑雪杖、攀岩头盔等用品，如登山杖、滑雪杖、攀岩头盔等。 国内各种应用占碳纤维率需求比例，大致分别为工业60%、体育30%，航空10%，因此从推动产业升级的角度来说，大丝束碳纤维，无疑具有更加广阔的商业前景。 碳纤维的生产碳纤维的生产 碳纤维碳纤维根据基本材料不同

9、，可分为根据基本材料不同，可分为PAN基、沥青基、酚醛基、纤维素基基、沥青基、酚醛基、纤维素基.等不同的生等不同的生产工艺。这次，我们只谈军用高性能聚丙烯腈产工艺。这次，我们只谈军用高性能聚丙烯腈PAN碳纤维的生产工艺。虽然碳纤维的生产工艺。虽然PAN基碳纤维基碳纤维生产细节的保密度比较高，但是大致的原理是公开的，先概要的介绍一下其生产过程。生产细节的保密度比较高，但是大致的原理是公开的，先概要的介绍一下其生产过程。 如下图1所示，PAN基碳纤维的生产，从原料单体到原丝、再到碳纤维成品加工，各道工艺的紧密相连，可以在一个车间内连续的完成全套工艺流程。T300的生产的生产 据中国玻璃纤维复合材料

10、信息网 2008年的报道，中复神鹰碳纤维有限公司万吨碳纤维一期工程，2008年底在江苏连云港正式投产，目前形成 1000吨规模碳丝生产能力。该公司曾于2007年5月实现了碳化生产线投产，当时碳纤维产量只有20吨左右。此后新建了2500吨PAN碳纤维原丝和1000吨碳化生产线。以45%股份成为神鹰第一大股东的中国复合材料集团董事长张定金强调，T300从设备到产品已实现百分之百国从设备到产品已实现百分之百国产化产化。而且在技术研发上，河南煤业化工集团已经拥有河南煤业化工集团已经拥有PAN基基T300碳纤维完整的知识碳纤维完整的知识产权体系产权体系。军工部门评价说：“T300的完全国产化，使得军用次

11、承力结构碳纤维获得了完全自主权”至此，可以说，通过T300级军用碳纤维的国产化，走出了中国打破国外垄断和技术封锁的第一步。产品批量生产当年，T300进口价应激性的跌了一半（两年后因为需求量大价格又上去了)T700的生产的生产 据2012年中国航空报报道，中航工业董事长林左鸣率队赴位于江苏常州国家高新技术区的中简科技发展有限公司考察调研。中简科技成立于2008年，承担国家“863”计划高性能碳纤维项目，依托中科院山西煤炭化学研究院的技术团队，经过4年时间，建立了T700碳纤维产业化生产线，年产量可达300吨。主要设备的国产化率达98%，是国内第一条T700高性能碳纤维生产线。林左鸣明确提出，中航

12、工业对国产碳纤维产品进林左鸣明确提出，中航工业对国产碳纤维产品进行支持，规定成员单位必须使用已达标的国产碳纤维产品行支持，规定成员单位必须使用已达标的国产碳纤维产品。T800的生产的生产据江苏经济报2012年7月消息，江苏航科复合材料科技有限公司建成我国首条T800碳纤维产业化线。该项目2009年底启动，航科投入2.5亿元，从原丝到成品技术均为自主研从原丝到成品技术均为自主研发发，生产线的开工负荷已提升到90%，5个月来累计产出成品500千克，合格率达到90%以上. 拉伸强度、拉伸模量、断裂延伸三大主要性能指标以及线密度、导热率等其他各指标，都与东丽公司的T800产品相当。目前，江苏航科已申请

13、专利85项，其中24项获授权。首先是横向比较，差距首先是横向比较，差距巨大巨大.对于最高端的T800，江苏航科5个月的产量只有500公斤，即每个月100公斤的规模，可以说仍然在试生产阶段，距离真正的工业化生产和商业化盈利，还有很长一段路要走。而且，T700未实现100%国产化，T800国产化就差得更远。而美国波音公司，1985年T800就出来了第二就是质量不稳，废品率高第二就是质量不稳，废品率高。即便是正品，各批次生产的碳纤维的性质也有差异，影响了后续复合材料的生产效果。而且难以搞清其中的原因同样的生产线和生产工艺，这一批合格，下一批不合格；这一批模量高，下一批模量低，究竟是为什么呢？高性能碳

14、纤维的生产工艺灰常、灰常繁复，可以说到了苛刻的地步例1：很多工艺需要加入不同种类的的稳定剂、催化剂。比如预氧化过程中，纺丝液就需要加入路易斯酸、胫胺、有机金属络合物盐、铝、硼、钛的金属有机化合物以及十二烷基苯磺酸钠类的金属盐等等稳定剂，重量必须在原料的0.1-0.2%左右。例2：各工序的温度和速度的控制精密。比如纺丝的多段凝固工艺中，第一段的温度为35-80，结束后1秒中内，就要迅速进入第二阶段。预氧丝在70毫克/袋的张力下，于惰性气体中加温，必须以每分钟30升到600。再以每分钟1000升到1300，同时保持20秒。丝毫不能马虎。例3：设备运作要求高。比如：预氧化过程中，4组导辊的直径有严格

15、要求，而且表面温度必须分别为285，285，285和315,且丝束通过导辊的速度要求为毫米级/秒精度。例4：物理处理手段同样精密。比如，为防止碳化后碳丝强度降低，在碳化前对预氧化炉出口处对丝束施加0.005-0.1克/袋的张力，并对丝束喷热气流，将单丝吹开，改善丝束强度。中国碳纤维原丝生产的进展中国碳纤维原丝生产的进展1 T700：近5年来，中国T700级军用碳纤维材料生产技术逐渐成熟。网载，中复神鹰中复神鹰公司投产的T700生产线是目前世界上第三个采用干喷湿纺工艺体系的商业化生产线，2014年获得中国建筑材料集团有限公司科学技术奖进步类一等奖，具有重要的战略意义。国产T700已经成功应用于风

16、力叶片、电缆复合芯、压力容器和交通运输等新兴工业领域，并初步用于某航空机型和某航天设备。 2 T800：从多个渠道获得的信息都表明，继2012年25吨级T800生产线竣工投运后，中国首条千吨级T800生产线于2014年3月在江苏镇江新区奠基。江苏航科江苏航科投资6亿元，预计2016年投入生产。截至2014年底，航科先后申请国家发明和实用新型专利80余个，制定碳纤维生产流程测试规范42项，环保节能措施使产品成本降低30%，产品性能离散型低于5%。江苏航科T800级材料已具备系列化高性能碳纤维制备技术和低成本化能力，碳纤维生产原材料和主要设备几乎100%来自国内。 3 T1000和更高：和更高：江

17、苏航科江苏航科预计在2020年，将建成千吨级T1000碳纤维生产线和百吨级MJ系列高强度高模量碳纤维生产线。并开展T1200和M70J等更高性能纤维以及专用复合材料的研制及产业化工作。 与湿法纺丝相比，干湿法纺丝的优点在于：1 可以进行高倍的喷丝头拉伸，因此纺丝速度高纺丝速度高；2 可在空气层中形成一层致密的薄层，阻止碳纤维大孔洞的形成。这样得到的纤维，结构均匀，皮芯层差异小，强度和弹性好，截面结构近似圆形，纤维表面光滑。纺出的纤维致密性好，体密度较高，纤维内部缺陷少纤维内部缺陷少。 因此，干喷湿纺是高性能PAN碳纤维原丝生产的国际先进技术。该技术此前一直被日方东丽和东邦垄断。国内一直到201

18、3年11月才初步试运行成功，所以报道中说是世界“第三家”。 中复神鹰的这套湿纺法系统，包括适用于干喷湿纺的均质化聚合系统、低扰度空气层纤维成型系统以及高速高倍蒸汽牵伸系统。项目自主开发设计了快速换热的全混式60立方米聚合釜、干喷湿纺纤维成型装备、蒸汽牵伸装备、全套碳化关键装备以及高效溶剂回收和废气处理系统。全系统2008年开始研发，2012年投入试生产，2013年11月通过国家级鉴定。后面就要看产品质量稳定度和工程应用的情况了，咱们拭目以待。T800。 中国技术主导的T800生产线终于开工了。不过需要指出，这个项目已经拖延数次，后来计划2015年投产，现在看来也有一定困难。难是正常的，有实质性

19、进展就好。需要再次强调，2012年航科的25吨级的实验室小规模生产不代表完全掌握碳纤维核心技术，大规模生产的原料、辅料、工艺、设备都能国产化，且质量稳定可靠，成本市场接受，才是T800真正的成功标志T1000和MJ系列更高级别的产品。 中国在高性能PAN碳纤维原丝上，目前仍然处于“跟踪研发”的状态。从航科这些年的迭代研发步骤看：2012年出25吨T800，2016年（预计）出1000吨级T800，2020年千吨级T1000的目标能否实现，要看2017年前后是否能出25-100吨级的T1000小规模生产线。基本技术和产品性能确定了，后面的目标就会更加明确。个人以为，最晚到2018年如果都达不到预

20、生产目标，2020年T1000大规模投产就不靠谱了这次又是日本东丽，创新研发出兼具高强型和高模型的MJ系列碳纤维，使其兼备高强度和高模量，综合性能提升较大。MJ系列产品包括M40J,M55J,M60J。中科院山西煤化所和中科院研究生院的研究表明，MJ产品最大特点就是纤维表面都有沟槽，这与上面谈到的干喷湿纺产品的平滑表面形成鲜明对比。碳纤维碳纤维增强复合材料增强复合材料(CFRP)的生产的生产 CFRP,根据基体材料和增强工艺的不同（比如陶瓷基、金属基复合）本来是一个庞大的家族。我们这里只谈基本CFRP生产工艺。大体上有两种，即预浸料预浸料-热压罐固化成型热压罐固化成型工艺，和液体成型工艺。前者

21、是航空结构构件的主要复材工艺。 1、预浸料。、预浸料。预浸料预浸料-热压罐固化成型热压罐固化成型工艺的第一步，就是把碳纤维放入热固性高韧性树脂预浸料热固性高韧性树脂预浸料进行预浸、吸胶，并加温进行固化。近年来，航空复材构件已经日趋大型化和整体化，以减少复材之间的机械装配和紧固环节，达到提高性能、降低成本、减轻重量的目的。但由此也带来了麻烦部件越大，其在热压罐内固化过程中的温度控制就越难保证均匀持续，从而导致质量下降。美国在预浸料-热压罐工艺的材料成本中，预浸料废弃率平均为40。因此，“零吸胶”、“常温加压”的先进预浸料，就成为业内的发展方向。碳纤维的生产，国内与国外相比是有很大差距的。但树脂预

22、浸料，我们的差距相对小一些。根据航空制造网的消息，国内开发的环氧树脂预浸料碳 /BA9918 预浸料、碳 /BA9916-II 预浸料、CCF300/BA9916-II 预浸料和双马树脂预浸料CCF300/QY9511、碳 /QY9611，都可做到“零吸胶”、“常温加压”，部分预浸料已用于多个型号产品的生产，与美国波音公司的材料有着类似的性能。预浸料预浸料-热压罐整体成型工艺热压罐整体成型工艺用预浸料-热压罐工艺生产碳纤维制造复合材料，要先将碳纤维浸溶在树脂溶剂里，进行铺叠成型。接着经过模具工装进行表面组装固定，在部件接触面贴胶。其后进热压罐100-130度固化，并通过紧固成为成品构件。美国采

23、用预浸料预浸料-热压罐固化成型热压罐固化成型工艺制造航空制造复合材料的成本中，材料占15，预浸料铺叠占25，装配占45，固化占10，紧固工艺占5，早期复合材料制造的大型构件，通常是由各自成形好的部件，通过机械连接组装而成。这样的方式增加了结构的自重，不能很好地发挥复合材料的优点。随着技术的发展，大型复材结构逐渐实现了预浸料预浸料- 热压罐整体化热压罐整体化制造，其工艺可分为三种：共固化：共固化：不同部件分别铺叠，整体进热压罐固化。共胶接：共胶接：先完成一个部件的固化，再铺叠其他部件，整体进热压罐共胶接。后胶接：后胶接：各部件分别铺叠、分别进热压罐固化，然后整体再次进热压罐胶接。中国碳纤维复材生

24、产技术的进展中国碳纤维复材生产技术的进展进展：进展：中航工业制造所于2006年组建技术团队，致力于复合材料自动化铺放的工程化应用，通过近十年来的扎实研究，已经获得较大进展。国内成飞也在相关技术研发和工程化应用方面获得扎实成绩。 1自动铺带机：自动铺带机：中航复材中航复材完成了国产预浸带制备、铺带工艺等系列研究与相关工程化应用验证，已将自动铺带用于新型飞机的机翼复合材料壁板；针对民机尾翼、机翼等课题需求，完成了尾翼平尾蒙皮、机翼蒙皮的系列研究与验证试验。在中航复材的厂区高跨净化间内，国内国内最先进的大型自动铺带设备最先进的大型自动铺带设备1台台30米米6.5米铺带机米铺带机，具备了32丝束铺放能

25、力，可实现大型复合材料构件的铺放。 中国航空新闻网报道，成飞，成飞“大型复合材料整体壁板精确制造技术研究”科技成果与2014年一次性通过了成果鉴定。一、首次在装配飞机机翼壁板上采用复合材料自动铺带技术首次在装配飞机机翼壁板上采用复合材料自动铺带技术，解决了大型复合材料整体壁板精确制造的技术关键，制定了自动铺带的工艺规范标准； 二、开发了基于激光投影技术的自动铺带在线检测技术，实现了自动铺带尺寸、角度、轮廓快速精确检测，申请了发明专利； 三是提出了基于数字化技术的帽形加筋壁板R区精确填充方法，研制了专用转角R区填充物成型工装，实现了帽型结构的一步成型制造； 四、建立了复合材料加筋壁板变形控制理论

26、模型和筋条漂移模型，实现了对帽形加筋壁板的变形和漂移的有效控制。成飞项目已申请4项发明专利，并已成功应用于机翼复合材料大型整体壁板的制造中，产品质量稳定、可靠。四川省科学技术鉴定委员会认为：该项目总体技术国内领先，达到国际先进水平。2自动铺丝机：自动铺丝机：与自动铺带机类似，国内最先进的1台30米6.5米铺丝机也装备了中航复材，正结合某民机（推测为ARJ21/C919）课题，开展自动铺丝技术的研究和工程验证。 预浸料铺叠自动化技术预浸料铺叠自动化技术如果说，预浸料如果说，预浸料-热压罐是航空复材生产工艺的皇冠，热压罐是航空复材生产工艺的皇冠，那么那么铺叠环节的自动化工艺，铺叠环节的自动化工艺，

27、就是这个皇冠上最耀眼的那颗钻石就是这个皇冠上最耀眼的那颗钻石。 预浸料铺叠自动化技术预浸料铺叠自动化技术目前，业界对手工铺叠改进的方式主要有手工自动铺叠、自动铺丝、自动铺带手工自动铺叠、自动铺丝、自动铺带三种：3.1手工铺叠的自动化手工铺叠的自动化/ 数字化技术数字化技术即采用预浸料自动剪裁下料系统和铺层激光投影定位系统等。采用专门的数控切割设备来进行预浸料和辅助材料的平面切割，从而将依赖于样板的制造过程转变为可根据复合材料设计软件产生的数据文件进行全面运作的制造过程，大大提高了手工铺叠的工作效率和铺叠质量。 3.2自动铺带技术自动铺带技术分为平面式自动铺带机（FTLM）和曲面自动铺带机（CT

28、LM）2种，主要用于铺放小曲率的大型复合材料构件，如翼面类构件的蒙皮，可成型超大尺寸和形状复杂的复合材料制件，且质量稳定，缩短了铺层及装配工时。与手工相比，先进铺带技术可降低制造成本的30%50。第一台计算机数控（CNC）自动铺带机是在美国空军材料实验计划下由General Dynamics公司和Conrac公司合作开发的，于80年代正式用于航空复合材料构件制造。90年代后，西欧开始研制生产自动铺带机。制造自动铺带机的技术主要被欧美掌控，如美国American GFM Corporation、Cincinnati Machine、CityMachine Tool&Die Company

29、、ITW Workholding、Ingersoll和欧洲的M.TORRES（西班牙）、FOREST-LINE（法国）等。3.3自动铺丝技术自动铺丝技术 自动铺丝，实际上是在自动铺丝+自动缠绕技术基础上发展起来的，专为曲率较大的双曲面蒙皮构件的铺叠而开发的技术，适用于大曲率机身和复杂曲面的成型，如军用和民用飞机双曲面翼身融合体、S形进气道。自动铺丝可以按构件型面增减纱束根数，可根据构件形状自动切纱适应边界，因此废料率很低（3%8%），可完成局部加厚、加筋、铺层递减、开口补强等操作，铺放轨迹自由度更大，可变角度铺放，能适应大曲率复杂构件成型。 老美诺斯罗普格鲁门公司1995年购进第一台自动丝束铺

30、放机，将其用于F/A-18E/F的进气道、机身蒙皮、平尾蒙皮的制造。2010年将有4050台机器投入使用。目前自动铺丝技术的代表是美国辛辛那提机床公司Viper 纤维铺放机系统，有Viper1200、Viper3000，Viper6000系列铺丝机。国内情况国内情况： 手工铺叠自动化：手工铺叠自动化：目前我国在研和批量生产的航空用先进复合材料构件大部分仍在使用大部分仍在使用手工铺叠手工铺叠，虽然也通过预浸料自动下料机和激光投影仪自动下料机和激光投影仪，大幅度提高了复合材料构件的铺叠效率，但这两种设备大多需要进口，而且对于大型构件，依然难以保证铺叠质量和速度。国内国内自动铺带机：自动铺带机：中国

31、正在起步研究的阶段。根据航空制造网的公开报道，北京航空制造工程研究所研制的6m20m 大型自动铺带机（如图2），开始在新型飞机的复材构件研制中得到实验性的应用。但就整个行业来说，远未达到规模化应用的程度。 国内自动铺丝机：国内自动铺丝机：至于更上一层楼的自动铺丝机，尚未见到有国产化设备投入应用的报道。4 纤维缠绕设备纤维缠绕设备关于碳纤维复材的成型设备，还需要提一下数控纤维缠绕机。它主要用于强韧性碳纤维通过缠绕，成型为圆筒、圆锥、球、双曲面回转体、组合体回转体等构件，也可以进行矩形截面、多项式等多维复杂曲面和组合体形状结构件缠绕，如火箭发动机壳体、各种弹体、卫星结构件、水处理设备、天然气储罐、

32、医疗防火用压力容器等等。也是国外一直对华禁运的。 根据机床工具报报道，2007年11月，国产大型数控纤维缠绕机在齐齐哈尔第二机床厂问世，其SKCR165/1200型数控纤维缠绕机，为五坐标控制、四坐标联动，是树脂基复合材料缠绕成型构件的大型数控专机。该机包括五坐标控制四坐标联动的缠绕轨迹控制系统、张力自动控制系统、温度自动控制系统和质量保证系统，为中国火箭发动机CFRP壳体的制造奠定了坚实的基础。最后，中国商务部网站2012年发布消息，隶属於中国航空工业集团公司的西安飞机工业（集团）有限责任公司，收购了奥地利最大的波音飞机配件公司FACC 91.25的股份。FACC的主要产品，包括复合材料飞机

33、结构件、复合材料发动机结构件、飞机复合材料内饰。整体成型技术整体成型技术在碳纤维复材的整体成型技术方面，中航复材中航复材依然处于国内同行业的领先地位。针对梁、壁板结构，开发了梁成型技术、长桁成型技术、加筋（单向、纵横向）壁板成型技术；针对盒段整体化结构，开发了基于接头的整体成型技术、纵墙与下蒙皮整体成型技术、纵墙与上下蒙皮整体制造技术；针对舵面结构，开发了全高度蜂窝整体成型技术和U单元壁板成型技术；针对透波结构，开发了透波夹芯结构整体成型技术；针对发动机外涵道结构，开发了聚酰亚胺高温复合材料成型技术；针对复合材料结构的装配需求，开发了舵面、垂尾、平尾、舱门、机翼和中央翼等复合材料部件的装配技术

34、在成型设备方面，中航复材厂房内容的热压罐区，拥有9台先进热压罐设备。其中那台直径7米长米长30米超大热米超大热压罐压罐，具备30米长筒型和壁板型、盒段型构件的整体成型制造能力。在技术储备上，中航复材已配合设计研制了多个型号的翼面/机身加筋壁板、多墙整体化壁板/盒段、全高度蜂窝整体舵面，实现了小批或批量生产，在部分相关关键技术上已经达到世界先进水平。树脂基预浸料树脂基预浸料技技术术 中国在树脂基预浸料技术上具有国际先进水平 进展：进展： 中航复材的树脂预浸料专用生产厂房1.5万平方米，装备4套具有国际先进水平大型热熔预浸机。在技术上，基本掌握第三代高性能复合材料关键技术，5228E、9918和A

35、C531等高韧性树脂复合材料的韧性CAI已达到310MPa以上，达到1990年波音公司制定的高韧性碳纤维环氧预浸料标准(BMS8-276)。 在第三代国产树脂基材料达标的基础上，中航复材系统开展了国产碳纤维树脂基复合材料的工程应用验证，如：T300：国产T300级碳纤维增强高韧性环氧树脂基复合材料，已经成功应用于飞机的垂尾、平尾和机身尾段等结构。T700：国产T700碳纤维增强双马树脂基复合材料、高韧性环氧树脂，已成功应用于飞机机翼、机身等主结构。T800：国产T800级高韧性碳纤维复合材料已经开始了全面性能和制造工艺考核验证。 航空方面的航空方面的CFRP应用应用碳纤维复合材料在军用航空方面

36、的应用大体上可以分为三个阶段第一阶段第一阶段非承力结构：非承力结构：20世纪60-70年代：由于1公斤CFRP可以大体替代3公斤铝合金，性能满足要求，因此开始用于非承力结构，如舱门、前缘、口盖、整流罩等尺寸较小的部件。对于民机，除了上述应用外，机舱大量的内饰也会用到复合材料，但其中有很多是芳纶或者玻璃纤维复材，这里不赘述。 国内方面：国内方面：从难度上说，非承力结构是航空复材的小case，但是应用面却最广泛。国内在技术上已无大的障碍，基本达到了国外类似的水平，需要的是大规模普及。相信ARJ21,C919和运20等大平台和众多无人机小平台定型运营后，能够为此提供广阔的应用空间。 这些一般应用，大

37、多用便宜的大丝束产品就够了；而T300以上的产品，贵得离谱，好钢用在刀刃上，于是大多用在承力结构上。第二阶段第二阶段次承力结构：次承力结构：20世纪70-80年代：随着力学性能的改善与前期应用的效果提高了人们的信心，CFRP逐步扩展到飞机的次承力结构，次承力结构，即垂尾、平尾、鸭翼、副襟翼舵面等受力较大、尺寸较大的部件。 其中，1971年美国F-14战斗机把纤维增强的环氧树脂复合材料成功应用在平尾上，是复合材料史上的一个里程碑事件。波音B777也将CFRP应用于垂尾、平尾等多处部件，共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%。国内方面国内方面:中国将CFRP用于军机的舵面和翼面，也已经开始成熟。

38、 据玻璃钢等杂志的公开报道,早在“六五”期间，沈阳飞机设计所、航空材料研究院和沈阳飞机厂共同研制歼击机复合材料垂尾壁板，比原铝合金结构轻21kg，减重30。北京航空工艺研究所研制并生产的QY8911HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。歼轰7-A战机采用了CFRP平尾。 2009年建国60周年国防成就展上，报道了歼10在鸭翼、垂尾、襟副翼、腹鳍等所有7个舵面和腹鳍采用了CFRP材料，这与国外这一阶段的发展水平基本相当。 2011年通用航空大会上披露，即将定型的猎鹰L15高教机也采用了复材的机头罩、方向舵和垂尾，其中舵

39、面是CFRP。 在民机方面，ARJ21新支线飞机的复合材料技术水平大体达到了这样一个水平，算是开了个头，但大规模应用尚需时日。国内CFRP次承力构件的广泛应用，与T300生产进程密切相关。材料的国产化，产量的扩大化和价格的低廉化，分别为CFRP次承力构件的应用提供可能性、适用性和经济性。从而最终推动CFRP次承力构件成为国产军民航空器的标配。 这一阶段的材料和工艺，都是我们用T300和手工铺叠工艺能够达到的，因此未来的发展相对有把握。但如果制件再大些，承力再大些，就会涉及主承力结构了。第三阶段第三阶段，从上世纪80年代至今，随着高性能碳纤维和预浸料-热压罐整体成型工艺的成熟，CFRP逐步进入机

40、翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构主承力结构中。 美国原麦道飞机公司于1976年率先研制了F/A-18的复合材料机翼，把复合材料的用量提高到了13%，成为复合材料史上的又一个重要里程碑复合材料史上的又一个重要里程碑。后期更采用自动铺丝自动铺丝技术为FA-18E/F制造CFRP的12块机身蒙皮，10块进气管蒙皮，4块水平尾翼蒙皮。F16战斗机BLOCK50之后也开始采用CRPR复合材料机翼。F22战机的复合材料用量已经提高到结构重量的22%。目前西方国家军机上复合材料用量约占全机结构重量的 20%50%不等。 民机方面，波音777采用全复合材料尾翼，其翼面及翼盒构件，均采用自动铺带自动铺带技术

41、制造。空客A330/A340飞机长9m，宽2m，重200kg的大型蒙皮壁板。A380的后机身所有蒙皮壁板19段，22%的机身重量是CFRP。尤其是A380的8x7x2.4米中央翼盒中央翼盒，重8.8吨，CFRP就用了5.5吨，比金属材料减重达1.5吨，其燃料经济性相当可观。这方面的先行者，是波音公司的B787“梦想”飞机，复合材料应用率50%。CFRP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，同时是第一个同时采用CFRP复合材料机翼和机身的大型商用客机，其23% 的机身均使用了自动铺丝自动铺丝机制成的CFRP材料。最值得关注的，是其机身：787机身工艺采用直径5.8m 的成

42、型模胎安装在一旋转夹具上沿长轴转动，先铺长桁然后铺皮，形成外表光滑的变厚度的壳体以及共固化的桁条组成的机身段，经过热压罐热压罐固化后，取下模胎。这一工艺可以代替由上百块蒙皮壁板、加强筋及长桁、上千个紧固件组成机身的工艺，见下图。在研机方面，波音公司X-45系列飞机复合材料用量达90%以上，诺斯罗普格鲁门公司的X-47系列飞机也基本上为全复合材料飞机。国内方面国内方面 根据中广网的公开报道，2012年12月，中航工业西飞公司向中国商用飞机有限责任公司(简称中国商飞)交付了C919大型客机中央翼、襟翼及运动机构部段中央翼、襟翼及运动机构部段，这是C919大型客机七大部段中难度最大、工作量最大的两个

43、部分。这两个部段尺寸大、结构复杂、外形公差要求高，尤其是国内民机最长尺寸、长达国内民机最长尺寸、长达15米的襟翼缘条加工米的襟翼缘条加工，技术难度非常大。西飞突破了复合材料大型成型模具设计制造技术、复合材料构件预装配变形控制技术等多项技术难关，整个研制过程全部采用先进的三维数字化设计、传递与制造，中央翼部段除1号肋是金属件外，全部采用了先进的中模高强碳纤维/增韧环氧树脂复合材料制造。这是国内首国内首次在固定翼飞机最重要的主承力结构件上使用复合材料，代表了中国制造的碳纤维航空次在固定翼飞机最重要的主承力结构件上使用复合材料，代表了中国制造的碳纤维航空复合材料应用的最高水平。复合材料应用的最高水平

44、。直升机、旋翼机、风扇叶片等其他直升机、旋翼机、风扇叶片等其他方面方面包括CFRP在内的先进复合材料的用量甚至更大。如V-22鱼鹰倾转旋翼机，其结构的50%由复合材料制成，包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等，共用复合材料3000多千克，其中很大一部分是CFRP。V-22的整体后机身，原由9块手工铺叠的壁板装配构成，后改为自动铺自动铺丝丝工艺整体成型，减少了34的紧固件，53的工时，降低了90废料率。自动铺丝技术同时应用于储油箱、旋翼整流罩、主起落架舱门。已经下马的“科曼奇”(RAH- 66)共使用复合材料50%，欧洲最新批次的“虎”式武装直升机结构部件的复合材料用量高达80%，接近全复材结构。国

45、内方面：国内方面：2011年国际通用航空大会披露，我国与法国、新加坡合作研制的轻型直升机 EC120的机身、垂尾、水平安定面、尾翼、前舱等结构均由CFRP等复合材料制成。在军机方面，近年来所有的国产直升机旋翼都是多维编制的CFRP复材叶片，金属旋翼叶片已经完全淘汰。报载：复材叶片和先进旋翼机构，已经成为中国直升机整体短板下不可多得的优势点，水平基本与国外看齐歼20、武直10、辽宁号这些平台类的突破固然可喜，而直升机叶片这样长期困境中的点滴进步，也同样令人感动。航发的风扇叶片航发的风扇叶片，大多采用钛合金。金属叶片有一个弱点，就是振动阻尼性能较差，高速旋转时容易震颤，而且不易衰减。而且如果叶片本

46、身已经有微小裂纹，就会在这种持续震颤中，引发裂纹由内向外快速扩张，在极短时间内造成叶片断裂。这是一种比共振更加危险的振动现象。 因此，有些风扇就在每个叶片的两侧加一个凸台，专业术语称为“凸肩”。建国60周年空军成就展上披露，在歼11系列的AL31FN和WS-10A发动机进气口，都有这样的凸肩（见下图）。这样，叶片全部高速旋转时，各凸肩形连起来成了一个加强环，增加了叶片刚度。而且，叶片是依次叠加的，每个凸肩“顶”着前面一个叶片，有效降低了阻尼震颤。但这样做的后果，是凸肩增加了叶片厚度和重量，同时增加了叶片数量，降低了发动机的推重比。而CFRP材料制成的风扇叶片材料制成的风扇叶片，由于纤维多层交叉

47、铺贴，材料本身“各向异性”性能优越，裂纹生长缓慢，再加上振动衰减率比钛合金快5-6倍，因此可以取消叶片凸肩。2010年珠海航展披露，GE和法国斯奈克玛为C919大飞联合研制的发动机LEAP-X，就采用了CFRP三维碳纤维编织物整体成型的风扇叶片，不但重量减轻了50%，叶片数也减少了一半。 国内发动机风扇叶片，目前只看到涡桨发动机的复合叶片，尚未见到实装涡扇发动机使用CFRP的报道。2012年珠海航展上的CJ-1000A发动机是我国第一款商用涡扇航空发动机在研产品，据称采用了CFRP宽弦复合大弯掠风扇叶片。在2011年中国国际通用航空大会上，“天弩”、“风刃”等无人机采用了全机结构CFRP材料，

48、V750无人直升机、小型通用航空双座飞机，也都大范围采用了CFPR蒙皮，可以看作是国内碳纤维复材在通用航空领域的有益尝试 航天方面的航天方面的CFRP应用应用鼻锥和翼面：鼻锥和翼面：洲际导弹、宇航飞船高速再入大气层时，由于绝热压缩空气的阻力，飞行器表面的温度非常高。美国阿波罗飞船指挥舱表面的最高温度达2740。利用CFRP系列中的分支碳纤维碳增强复合材料CFRC（也称碳/碳复合材料）制成烧蚀材料，热力学性能优异，防热效果好。如美国碳/碳复合材料在3837高温持续255秒的过程中，线烧蚀率只有0.005毫米/秒，保证了航天飞机在1650的环境中连续工作40分钟安然无恙。而且，碳/碳复合材料用来制

49、造洲际弹道导弹的鼻锥和翼尖，在烧蚀过程中烧蚀率低、烧蚀均匀和烧蚀对称。这保持了航空器的良好气动外形，有利于减少非制导误差，美国的民兵-III导弹，就采用了碳/碳复材鼻锥。喷管喉衬：喷管喉衬：固体火箭发动机推进剂燃烧时产生的高温高压和高能粒子从喷管以3.04.5马赫的超音速喷出，喷管承受3 500高温、515 MPa的压力和高温冲刷。美国的民兵-III导弹，第三极火箭喷管喉称采用了碳布浸渍树脂，满足3260工作60秒的需求。MX弹道导弹第三级发动机的喷管关键部位如外头帽前段、整体喉衬入口段和喉部下游段采用了CFRC。固定体和柔性接头绝热层采用了碳纤维填充三元乙丙橡胶(EPOM)；海军三叉戟型(D

50、-5)的第一、第二级发动机采用了CFRC。发动机壳体发动机壳体：导弹发动机壳体的减导弹发动机壳体的减重，有利于提高导弹射程。美国重，有利于提高导弹射程。美国“北极星北极星”导弹的固体发动机壳导弹的固体发动机壳体由金属材料到体由金属材料到CFRP材料制造，材料制造，射程提高了射程提高了1倍左右。例如，倍左右。例如，“北极星北极星”A型的两级壳体都型的两级壳体都用钢，射程仅为用钢，射程仅为2 200 km；A型第一级为钢，第二级用型第一级为钢，第二级用GFRP，射程提高到射程提高到2 800 km；A两级两级都用都用GFRP，射程提高到，射程提高到4 600 km。三叉戟三叉戟型型(Trident

51、-，D-5)，固，固体发动机壳体采用了体发动机壳体采用了CFRP，射程，射程由由型的型的7 400 km提高到提高到12 000 km，命中精度为，命中精度为90 m，成为当前，成为当前潜射洲际弹道导弹的主要型号。潜射洲际弹道导弹的主要型号。而且，美国目前的新型火箭，基而且，美国目前的新型火箭，基本连壳体都是本连壳体都是CFRP复材制成，重复材制成，重量轻、体积小、射程远。量轻、体积小、射程远。再入弹头再入弹头：洲际弹道导弹的头部大面积防热材料大多采用粘胶基碳纤维增强酚醛树脂。美国Amoco、Hitco公司和白俄罗斯的斯威特朗冈斯克()是世界上生产粘胶基碳纤维的主要大厂。不但防热效果好，而且粘

52、胶基碳纤维和酚醛树脂的纯度高，碱、碱土金属的含量相当低，重返大气层过程中形成的烧蚀尾流含金属离子少，不易跟踪，加强了导弹的突防和生存能力。卫星结构材料卫星结构材料：美国康维尔公司为双元“OV-I”卫星制作了CFRP的四根大梁结构，减重68%。美国”ATS”卫星的地球观测舱CFRP连接支架，长4.4米，仅重3.6公斤，可承受9顿负荷。比最好的金属支架减重50%以上，而且高低温度下的变形很小。国内方面：国内方面： 据合成纤维等杂志和网上的公开报道， 我国在战略武器方面的碳纤维应用情况如下： 火箭发动机壳体：火箭发动机壳体：中国的GFRP固体发动机壳体始于20世纪80年代，并已取得成功。“东方红-2

53、”通讯卫星运地点发动机、“风云-2”气象卫星运地点发动机和“长征-2E”发动机的壳体都采用了GFRP来制造。我国研制成功的大型(壳体直径1 402 mm，长2 058 mm)SPTM-14发动机与长二捆火箭配套，成功地将模拟卫星送入轨道，标志着我国大型GFRP壳体进入实用阶段。之后，我国研制成功的EPKM-17上面级发动机壳体(直径1700 mm，长1 874 mm)与长二捆大推力火箭配套，于1995年末成功地将“亚洲二号”卫星和“艾克斯达一号”卫星送入36 000 km的太空。 火箭导弹壳体：火箭导弹壳体： 我国研制CFRP壳体也取得了长足进步。1990年代后期，进行了T300固体火箭发动机

54、壳体的基础试验、壳体结构强度试验、点火试车等全程考核，完成了12K T700 CFRP壳体结构强度试验。第一个用在型号上的是“开拓者一号”固体小运载发动机的第四级(直径640 mm)，并于2003年9月飞行成功。实现了CFRP壳体的历史性跨越。目前，T800 CFRP壳体预研试验已经展开。 喷管喉衬：喷管喉衬：我国研制的CCFRP喷管于1989年点火成功，出口壁厚最薄处仅为0.9 mm的大尺寸(5002 000 mm左右)喷管显示出优异的综合性能。再入弹头再入弹头：根据东华校友“创制国防尖端材料的科研先锋记上海市劳动模范潘鼎教授”一文报道，2001-2003年度上海劳动模范，东华大学材料学教授

55、、博士生导师潘鼎教授，主持了“300Kg/年粘胶基碳纤维扩试线”这一国家级重大军工科研项目，用不同于国外原料的国产棉纤维素原丝制成了填补国内空白、产品质量达到国际先进水平的高纯度航天级粘胶基碳纤维，成果无偿转给中科院山西煤化所，进行放大生产。课题组还制定了“”国家标准，形成了具有独立知识产权、世界上独一无二的，用棉纤维素粘胶帘子线制备碳纤维的技术及应用设备。该技术和产品荣获2003年度国家科学技术进步二等奖，解决了DF-31导弹的定型难题，并使我国已成为美俄之外，能够独自掌握这一产品及其生产技术的世界第三大国。卫星结构卫星结构据中国质量新闻网报道，我国2011年发射的嫦娥二号探月卫星，其定向天

56、线的重要支撑部分，定向天线展开臂，是由哈尔滨玻璃钢研究院研发的CFRP复材，总重量仅500余克，较使用铝合金材质减轻近300克，但承重能力毫不逊色。此外，虽然碳纤维本身耐热，但是将其粘结成型的树脂基体却很难耐受高温；比如波音787上普遍使用的环氧树脂类产品，一般最大工作温度不高于150摄氏度。F22由于存在超声速巡航需求，飞机外表会长时间与空气高速摩擦；因此在机翼复合材料上不惜使用韧性更差、更不耐冲击的双马来酰亚胺树脂基体以获得260摄氏度的最大工作温度。中航复材具备使用温度从280到420的多种高温树脂基复材制件的制造能力，并已在某国产已在某国产先进发动机上先进发动机上，实现了高温复合材料结

57、构的定型生产。进展进展原丝原丝领域领域：资料显示，2013年底为止中国的PAN原丝生产厂家竟然有30多家，建成总产能已经突破2万吨。中国人一哄而起、跟风赶潮的架势，真是惊人。然而大部分产品质量低劣，成本高于国际价格，因此市场需求度不高。2013年国内生产碳纤维不足3000吨，仅发挥了生产能力的1/10，导致大量设备闲置，全行业总体亏损。而同期，我国进口碳纤维及其制品12386.2吨，同比增长了34.5%；进口额达3.83亿美元。相当于国内产量的4倍。 反观国际上规模化的PAN原丝生产厂商，一共才7家，其中仅东丽一家的产能就接近中国的总和。不过，在市场的洗礼之下，近年来中国已经开始出现行业洗牌，

58、龙头企业初步显现。江苏航科的T800、中复神鹰的T700都是大热。2015年6月，中复神鹰开建年产3500吨碳纤维生产线三条，计划在3年内完成建设并进入投产，项目总投资达10亿元。项目建成后，将形成原丝15000吨/年及碳纤维6000吨/年生产力，是我国最大的碳纤维生产基地。江苏航科与西光所合作，是中科院背景；中复神鹰隶属中国复合材料集团有限公司。有趣的是两家一个在镇江，一个在连云港，使得江苏成为中国碳纤维原丝的最大基地。 北方的吉化也不弱，当年“高性能T300级碳纤维及原丝制备成套技术”是吉化的镇宅之宝，凭这个获得中国石油2009年度科技进步特等奖。现在碳纤维原丝产能达到5400吨/年，碳纤维产能达到818吨/年。特别是，碳纤维产品规格涵盖1K至48K不同级别航空复材领域航空复材领域： 这与原丝领域科研+地方的合作模式不同，一水儿的国家队。中航工业一口气在哈飞、沈飞、西飞、成飞、昌飞、洪都等多家企业建立了航空复材中心。同属于中航工业背景的中航复材，落户北京，颇有后来居上之势。450人的小单位，一半硕士博士，先进设备眼花缭乱，拥有具完全自主知识产权的复合材料数据库，和国