碳纤维复合材料与航空航天

据统计，2008～2010年世界航空航天领域对碳纤维复合材料的总需求为2.4万吨，预测2014年和2018年碳纤维复合材料的需求将分别达到1.7万吨和2万吨。碳纤维复合材料在民用飞机上的应用被特别看好，目前新增产能均以满足航空需要的高性能碳纤维及复合材料为主，未来5～10年内碳纤维复合材料在民用飞机上的应用也将高速成倍增长。随着我国军用飞机、支线飞机ARJ21及大型商用客机C919项目的开展和我国航天事业的发展，碳纤维复合材料的用量将会不断增长。国内航空运输市场的快速发展将对民用飞机产生巨大需求，预计到2023年，中国客货运输飞机拥有量将达到2769架。飞机制造业的发展将需要很多高性能的碳纤维增强飞机蒙皮铝合金材料。面对国内和国际两个市场，将发展形成巨大的产业。

图5.1 碳纤维复合材料在飞机的应用部位

在民用领域，550座的世界最大飞机A380由于CFRP的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。飞机25% 重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP)。这些部件包括：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。

我国第一架全碳纤维复合材料结构、氢燃料电池动力无人试验机“雷鸟”（LN60F）在沈阳某机场首飞成功。全球最畅销的碳纤维双座运动飞机，其采用轻型碳纤维复合材料的优点：一是空机重量载重比高，本机的空机重量为230公斤，最大起飞重量为450公斤，空机重量载重比达0.957；二是大量减少了工装、模具数量，便于在多品种、小批量生产时，降低生产成本。

图5.2 复合材料在空客A380中的应用   图5.3 复合材料在中国C919中的应用

图5.4 中国全碳纤维复合材料结构“雷鸟”

Jetpack个人飞行器的整套设备大多数零件都是采用碳纤维、杜邦公司的凯夫拉材料和其他高强度聚合物制造，减轻重量的同时保证强度，让整套装置在每分钟6000转的情况下依然能够保持足够的稳固。背包式碳纤维个人飞行器，让你飞着去上班。

图5.5 Jetpack 个人飞行器

高模量碳纤维质轻、刚性、尺寸稳定性和导热性好，因此很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作，而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。

图5.6 碳纤维复合材料在航空领域的应用

碳纤维增强树脂基复合材料被作航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。美国发现号航天飞机的热瓦，十分关键，可以保证其能安全地重复飞行。一共有8种：低温重复使用表面绝热材料LRSI；高温重复使用表面绝热材料HRSI；柔性重复使用表面绝热材料FRSI；高级柔性重复使用表面绝热材料AFRI；高温耐熔纤维复合材料FRIC—HRSI；增强碳/碳材料RCC；金属；二氧化硅织物。其中增强碳/碳材料RCC，最为要的是它可以使航天飞机承受大气层所经受的最高温度1700℃。

图5.7 碳纤维复合材料在神舟六号飞船上的应用

从神舟一号到神舟九号，从无人到载人，飞船推进分系统的碳纤维复合材料主承力构件均由哈尔滨玻璃钢研究院制造。“神九”关键部件复合材料采用的是高技术含量的特种防止增强材料。