碳纤维在复合材料领域中的应用

碳纤维在复合材料

领域中的应用

东华大学材料学院上海复合材料学会

潘鼎教授

概况航空航天领域体育休闲用品工业应用内容增长率79%

全球碳纤维需求量的

发展历史和预测

增长率2001年“911”事件飞机制造业萧条2003年开始航空需求增长79%性能优良、全面各应用领域的碳纤维需求量

的增长情况

增长率123%三大应用领域2005年国内CF需求量

和领域分配率

总需求量＞4500吨/年体育休闲用量最大航空航天领域

各种性能优异的碳纤维复合材料已经大量及即将越来越多地出现在航空航天领域中，为世界航空航天技术的发展作出更大的贡献。航空领域应用的新进展战机机身主翼垂尾翼平尾翼蒙皮前机身段可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%

垂直安定面可比金属结构减轻质量32.24%

军机抗疲劳耐腐蚀明显减重航空领域应用的新进展

项目

机型结构重量系数（%)复合材料用量(%)第四代军机F-2227~28≥25F-22背景机37.8~39.2≥35军用直升机54~56≥50“星舟”轻型机结构质量1800kg复合材料用量≥

1200kg“旅行者’轻型机

90%以上碳纤维复合材料连续九天不着陆环球飞行世界记录航空领域应用的新进展CF/PEEK或CF/PPS能有效地吸收雷达波。用于飞机的主翼主桁、翼肋、蒙皮、边条、操纵面护轮舱及整流罩及一些连接件、紧固件、雷达波吸收件。美国B-2隐身轰炸机（机身基材）

幻影III战斗机（减速降落伞盖和弹射装置）美F117A隐身轰炸机（肋条及蒙皮）

航空领域应用的新进展超高机动性歼击机苏37“金雕”广泛采用先进材料（90％以上CF复合材料）合理的纤维铺层“气动弹性发散”有效载荷提高20-25%，寿命延长0.5--2倍

前掠翼技术跨音速阻力低操纵性好(0.9~1.3M)

升力系数大(+30%)跨音速巡航航程增加机动性优越，过失速机动能力生产技术优势(-15%;-60%)

航空领域应用的新进展中国第三代战斗轰炸机“飞豹”最大起飞重量28.4吨，最大外挂重量6.5吨，转场航程3600公里最大飞速1.7M攻击威力超过“美洲虎”、“旋风”、苏-24等飞机，

航空领域应用的新进展民机奇迹555座巨机耗油<3L

/百公里/人座英里成本（－15~20%)重量25%部件复合材料制造22%CF复合材料

部件减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造复合技术应用的新进展碳纤维龙骨梁和复合材料后密封框连接机翼与机身主体结构中央翼盒

两大禁区减轻重量1.5吨采用了先进的自动铺带(ATL)工艺，特别适合制造水平尾翼等大型曲面明显减重减少疲劳或腐蚀受损减少油耗及废气排放量航空领域应用的新进展波音787飞机特点200座至300座航程6500至16000公里耗油与B767和A330相当“音速巡航者”（0.8M)新型的发动机流线型机翼主体结构机翼机身50％CFRPCarbonFiberReinforcedPlastic(CFRP)CFRPsandwichAluminumFiberglassTitaniumBoeing787我国的参与

成飞、沈飞、西飞和贵飞集团分别为空中客车制造机翼部件、客舱门和维修工具等。复合材料的A380前起落架舱的上面板和侧面板由沈飞制造。全世界约3000架空中客车的零部件，1/4为中国生产。波音公司6亿美元的部件由我国生产。成飞、哈飞和沈飞将以最新技术生产787飞机的复合材料方向舵、翼身整流罩和垂直尾翼前缘。航空复合材料结构重量比的进展我国固定翼飞机结构复合材料方面的差距≈20年中国世界平均：每年0.3次“常客”国家每年人均3次美国新西兰沙特南非尼日利亚希腊加拿大国民经济和社会发展需要人均GDP（美元）人均乘机次数我国民用航空未来20年的发展

未来20年，我国大民机和通用飞机的需求量约1901架，其中大民机1295架，通用飞机606架；直升机2760架；我国未来20年飞机总量的增长率约8.3%，为世界之最。我国“十五”计划涡扇支线客机ARJ21飞机的复合材料应用翼稍小翼机身整流罩雷达罩平尾整流罩方向舵可卸前缘翼尖整流罩国产大飞机的雏形航空关键技术航空43项关键技术中，优先发展的12项，其中先进材料技术位居第二。“大运”复合材料分布图C-17航天领域应用的新进展火箭、导弹

CFRP主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件上。粘胶基碳纤维/碳和/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料，美国三叉戟-2导弹、战斧式巡航导弹、大力神一4火箭、法国的阿里安一2火箭改型、日本的M-5火箭等发动机壳体，主要采用碳纤维复合材料。航天领域应用的新进展美国大力神战略弹道导弹美国三叉戟-2舰队弹道导弹法国阿里安娜V型导弹航天领域应用的新进展俄罗斯洲际弹道

SS-27型“白杨-M”

射程≥10000公里携带3~6枚分导核弹头命中误差<90米可连续变更所处位置可从途中任意点发射9万米高度再入大气层

能在以飞行轨迹为圆心的半径5公里圆圈内实施纵向或横向机动突防能力强。可使NMD系统能失效航天领域应用的新进展“圆锤”（布拉瓦）型潜艇发射导弹拥有海基和陆基两种打击版本可携带6~10枚分导式核弹头可以突破敌方导弹防御系统，有效摧毁全球任何地方的敌方目标。与“白杨－M”型导弹一起，共同构成俄罗斯2040年前核防备力量核心，我国的战略战术导弹大量采用碳纤维复合材料作为发动机喷管、整流罩防热材料。九十年代后期T300CFRP固体火箭发动机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12KT700CFRP壳体结构强度试验开展了T800碳纤维CFRP多种壳体的预研实验航天领域应用的新进展中国东风系列地地导弹在发射架上的洲际导弹2026/5/6dhu杀手锏武器发射英姿卫星、航天飞机及载人飞船

空间工作站卫星及其太阳能电池板支架

人造卫星结构体、展开式太阳能电池板、天线、太空站天地往返系统等关键部件均使用质轻、刚性、尺寸稳定性和导热性好的高模量碳纤维。航天领域应用的新进展美国发现号航天飞机航天飞机舱门、机械臂和压力容器等需要用CFRP来制造

美国发现号航天飞机的热瓦一共有8种：

LRSIHRSIFRSIAFRIFRIC—HRSIRCC金属二氧化硅其中，最重要的是增强碳碳材料RCC，可使航天飞机承受大气层所经受的最高温度1700℃。神州六号飞船顺利飞行

从1996年11月20日的“神州一号”升空开始到“神州六号”上天，中国在八年多的时间里六次飞天。在飞船、卫星、返回舱中大量使用的碳纤维复合材料，为这一举世瞩目的成就立下了汗马功劳。

体育运动及休闲用品是一个开发较早、有稳定需求的应用领域，近二十年来用量稳中有升，是目前碳纤维用量很大的产业，国内年需用碳纤维已达2000吨左右。体育休闲用品高尔夫球杆及其它球拍高尔夫球杆4000万只/年约占总数的20%。其他各种球拍（网球拍、羽毛球拍等）：500～600万只/年。钓鱼杆及自行车钓鱼杆：

1200万只/年。用量约1000T/a。量轻减重5/6感度灵敏自行车：12万辆/年。座鞍边宽为85mm的碳纤维轮箍碳纤维控制杆全碳三角架连接杆手把自行车配件其他赛车、赛艇、弓箭、滑雪板、杆等等。约占总量15%左右。年耗量约300T/a。F-1大赛雷诺R24碳纤维赛车碳纤维滑雪板滑雪杆赛艇赛艇碳纤维弓箭工业应用基础设施沿海油气田

汽车领域

风力发电能源领域

机械制造

其他工业领域

碳纤维增强混凝土高楼CF补强材料的经济效益仅按台湾的使用量推算

CF需要量10000吨/年

35亿元/年

CF片材50亿元/年修补施工100亿元/年混凝土

基础设施补强实例

车间大梁补强前桥梁古迹补强后隧道historicsitehistoricsite工业应用

建一座海上油田需要1000吨碳纤维复合材料

沿海油气田CF连续抽油杆制造CF连续抽油杆胜利油田采油平台胜利油田油井高比强度高比刚度高耐腐蚀性

管道系统及衬里油罐油箱围栏扶手通道竖井抽油杆等。碳纤维抽油杆优点

提高抽油机性能，增加抽油能力。减轻抽油杆、连接栓自身重量减少流量限制增大油泵活塞冲程长度适应井况变化，耐磨损不易腐蚀由于CF复合材料钻管具有比钢高得多的比强度及比模量，其最大钻进深度比钢钻管增大50％，可达到15KM。由于CF钻管具有电感透明特性，可以借助于电感式测深仪，在钻井的同时测得钻入深度的数据，大大节省了钻井时间。高速运转的配备CF复合材料定子的PC泵比标准PC泵的性能提高400％且每级定子产生的压力较高，无润滑运转寿命较长。没有常规定子的滞后问题。汽车领域碳纤维复合材料代替钢材可减重40%以上节省燃油，降低使用成本。美国PNGV十年计划为解决能源危机的需要BTM当量的规定:(每立升汽油行程数)2002年26KM/1L汽油2004年34KM/1L汽油2011年42.5KM/1L汽油为解决环保问题需要国内空气中CO57.5%NO化合物29.8%挥发性有机物27.2%CO223.8%

全部来自车辆排放

参加攻关单位:国家实验室5家、汽车制造商3家、供应公司50多家，大学15家。目标：减重的同时，还要保持性能、舒适、安全、价格和重新回用性等综合指标。CF在典型汽车中的潜在用途结构设计1997年质量（Kg）潜在减重（Kg）最终总质量（Kg）40%CF质量（Kg）普通钢板、管、棒、条641.4404.5236.994.8高强、中强纲134.368.266.126.4合计775.7472.7303.0121.2

目前世界碳纤维总产量约2.3万吨/年，现北美地区汽车产量约1800万辆，按每辆车CF用量4.54Kg/年计，CF总需求量约为8.1万吨/年，按上表CF需求量计，CF总需求量约为210万吨/年。汽车工业是未来碳纤维的最大市场。储氢燃料电池汽车