中国粉体网讯 1月10日和12日，央视CCTV-1《晚间新闻》和CCTV-13《新闻直播间》分别对威海临港区发展碳纤维产业进行报道。报道中提到，在威海临港区碳纤维产业园，一种新型碳纤维产品投入生产，这是威海拓展纤维有限公司与北京化工大学合作攻关的最新成果，具有高强度、高模量的特性。而此前，我国航天用高模量碳纤维，只能依赖进口。
这种碳纤维热膨胀系数小、变形小、热稳定性高。比如说卫星，用这种碳纤维作为结构性材料，即使在昼夜温差几百度的环境内，依然能够保持它的稳定性、不变形。
一、碳纤维复合材料在航空航天领域的优势
碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料，被称为21世纪的“黑色黄金”。数据显示，2017年，全球碳纤维复合材料需求达到8.42万吨，航空航天需求量为1.92万吨，比重22.80%。碳纤维及其复合材料已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用。
1.质量轻
碳纤维的密度只有1.7g/cm3，是传统减重材料铝合金的60%，在对航空航天领域的成品重量进行计算时，发现使用碳纤维复合材料后与同等体积的零件相比较，自重降低了500公斤。飞机等航天设备自重减轻后，能够减少运行期间的油耗，对飞机外部机构也能起到保护作用。
2.耐高温
飞机在行驶期间也会承受空气摩擦带来的压力，因此对外层材料耐高温性能的要求极高。经测试表明，碳素纤维能够在2000℃的高温环境中保持性质不变，结构形状也不会发生改变。碳纤维在使用过程中能够承受高温带来的影响，材料自身性质不会轻易变化，为飞机等航空航天设备的运行提供了稳定保障。
3.高比刚度、高比强度
碳纤维材料具有高比刚度和高比强度，其强度可以达到钢材料的5倍以上，这一点是其他材料很难达到的。如此优异的承载性能，使飞机、火箭、导弹等在飞行中承受较大的空气压力时保持机身不变形，抗压能力显著增强。
4.化学性质稳定
碳纤维化学性质稳定，不容易被氧化，应用在航天设备的外部结构中，也不会被轻易的腐蚀，这种性质也是传统复合材料中不具备的。这样能够保护飞机安全，使用解读阶段外层结构不会变形，制造成本方面也有明显的降低。
二、打破美日技术垄断，新时期国产碳纤维蓬勃发展
新闻报道中的威海拓展纤维有限公司只是国产碳纤维蓬勃发展的一个缩影，近些年来，为了打破国外技术壁垒，走出自主化道路，我国政府、科研机构和企业多方发力，国产碳纤维硕果累出，碳纤维及其复合材料产业取得了快速发展。
1.已实现T700、T800等高性能纤维的千吨级产业化，标志着国产碳纤维产业具备了在下游高端领域如航空航天、军工装备等的应用基础；
2.突破干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术，实现了国产碳纤维的批量供应，填补了国内以干喷湿纺工艺为代表的高性能碳纤维生产技术的空白；
3.大丝束碳纤维的生产近两年也取得了骄人的成绩，吉林化纤2000吨/年生产线试车成功；
4.我国完全自主研发的第一条百吨级T1000碳纤维生产线在江苏连云港开发区中复神鹰碳纤维公司实现投产且运行平稳，标志着我国高性能碳纤维再上一个新台阶；
5.上海石化成功开发出48K大丝束碳纤维的聚合、纺丝、氧化碳化成套工艺技术，为国产碳纤维应用提供了支撑……
我国完全自主研发百吨级T1000碳纤维生产线实现投产
图片来源：中国战略新兴产业
总的来说，我国已实现GQ3522（T300级）、GQ4522（T700级）碳纤维产业化规模生产，QZ5526（T800级）、QZ6026（T1000级）和QM4035（M40J级）碳纤维的工程化生产；GQ4522高性能碳纤维突破了干喷湿纺工艺，产业化生产及应用正在加速。我国企业还创新开发了湿法纺丝GQ4522碳纤维制备工艺，产品已应用于航空领域。另外，在实验室条件下，QZ6526（T1100级）、QM4050（M55J级）碳纤维已经突破关键制备技术，但距离稳定化制备还有一段路要走。
三、碳纤维助力中国航空航天事业
我国在航天领域对碳纤维增强复合材料（CFRP）结构的研究始于70年代，自从1984年我国东方红1号卫星上首次使用碳纤维/环氧复合材料以后，CFRP在我国卫星的结构件、大型运载火箭以及空间相机上获得了广泛的应用。
1.在军机上的应用
碳纤维复合材料的使用比例是衡量军用飞机先进程度的重要标准之一，世界主要战机F35、F22碳纤维材料使用比例为20%左右，目前我国军用航空业碳纤维使用比例仅为3%-5%，较世界平均水平仍有极大的提升空间。
歼11B
我国国产军用碳纤维使用率已出现上升趋势，歼10后续批次机型在雷达罩、前机身、副襟翼、垂尾等次承力结构部分均批量使用了碳纤维复合材料，歼11B、歼11BS及L-15均使用了国产军用碳纤维垂直尾翼部件，未来碳纤维材料在军用航空中的使用比例将继续上升。
2.在国产卫星上的应用
在我国自行研制的卫星结构中，大量采用CFRP结构。因为卫星结构纯属有效载荷，减重的经济效益很大，又因其空间环境恶劣，要求卫星结构的尺寸和性能稳定、变形一致，所以在卫星的主体骨架结构、外壳结构、太阳能电池板组件、桁架结构、天线结构、仪器安装板和支架结构等都在不断扩大使用CFRP。
嫦娥二号探月卫星
我国2011年发射的嫦娥二号探月卫星，其定向天线的重要支撑部分—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，较使用铝合金制材质减轻近300克，但承重能力毫不逊色。
3.在大型运载火箭上的应用
近10多年来，我国已经在多种型号的大型运载火箭，特别是上面级结构中广泛采用CFRP，有效地减轻了上面级结构质量，对提高运载火箭发射有效载荷的能力具有十分明显的效果。CFRP常被用于火箭的排气锥体、发动机、外壳、燃烧室、发动机喷管以及整流罩等部位，对提高运载火箭发射有效载荷的能力具有十分明显的效果。CFRP在大型运载火箭的应用大致经历了由70年代的简单零部件，次承力件转化到80年代以来大型部段复杂结构，主承力结构件。
快舟十一号固体运载火箭
中国航天科工集团四院九部研发的快舟十一号固体运载火箭采用了碳纤维复合壳体，具有轻型化、强度的技术特点，有效提高火箭搭载能力，是国内应用碳纤维复合壳体技术的尺寸最大、装药量最多的固体火箭发动机。
4.在空间相机结构件上的应用
CFRP应用在我国自行研制的空间相机上始于20世纪末21世纪初，最初只是应用在对强度要求较高的结构件中，如空间相机遮光罩、光阑板、空间相机支架等，所用的CFRP的型号为T300或T700。我国在近年发射的某卫星中搭载的高分辨率空间相机，构成该相机光学系统的主镜、次镜、第三反射镜及折叠镜都安置在由M40JBCFRP制成的相机框架上，该相机框架具有较高的尺寸稳定性，能够保证相机在轨获得清晰的图像，这是我国首次在航天领域使用CFRP作为高精度光学元件的精密支撑结构件并获得成功。
四、小结
CFRP作为先进复合材料的首选已经广泛应用于航空航天等领域，而且需求不断增长，发展前景看好。CFRP 的应用已成为衡量一个国家在航天领域发展水平的重要标志之一。随着科学技术的不断进步，碳纤维的产量将不断增大，质量逐渐提高，生产成本稳步下降，各种性能优异的CFRP将会越来越多地出现在航天领域中。我国在航天领域对CFRP的需求会不断增大，但国产碳纤维发展还面临欠缺高性能原丝与先进的碳化炉等技术瓶颈，与欧美日等发达国家差距还很大。我国在碳纤维复合材料的设计、制造、性能测试等方面还有很长的路要走。
参考资料
1.复材应用技术网，《碳纤维复合材料在航天领域的应用》；
2.林德春等，《碳纤维复合材料在航空航天领域的应用》；
3.中国产业经济信息网，《国货发力碳纤维产业 相比发达国家仍然存在差距》。
（中国粉体网编辑整理/青禾）
