第30卷第4期 PACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 航空航天复合材料发展现状及前景 唐见茂 (中国材料研究学会,北京100048) 摘要:文章通过空客A-350XWB飞机和波音公司B-787飞机复合材料之战的实际案例,介绍了航空航天应 用复合材料,特别是碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)的发展现状、特点以及航空航天复合材料结构一体化 综合等新技术,并对未来发展前景进行讨论, 关键词:航空航天应用:先进复合材料;碳纤维;一体化智能结枸;綜述 中图分类号:TB334;V258:3 文献标志码:A 文章编号:1673-1379(2013)04-0352-08 Dol:10.3969issn.1673-13792013.04.003 0引言 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料,直径 复合化是当代材料技术发展的重要趋势之 范围在6~8μm,是20世纪60年代由美国首先开 而大量采用高性能复合材料是航空航天飞行器发发并形成规模产业的一种具有全新概念的新材料。 展的重要方向。其中在民用飞机领域,应用发展非目前用在复合材料中的碳纤维主要有聚丙烯腈基 常迅速。2013年6月14日,空客研制的新型超宽碳纤维和沥青基碳纤维两大类,前者是用一种高分 体A-350XWB客机成功首飞,这是继波音的B787子合成纤维—聚丙烯腈纤维的原丝,或称之为前 梦想”飞机之后,全球航空业界的又一个亮点 驱体( precursor),通过专门而又复杂的碳化工艺 A350XWB和B787飞机的复合材料用量分别达制备而得。由于高温碳化,使纤维中的氢、氧等元 到52%和50%,这标志着航空航天复合材料发展素得以排出,成为一种含碳量高于90%的纯碳材 新的里程碑,表明新的发展时期已经拉开序幕。 料,而本身质量大为减小:而且由于碳化过程中对 在航天领域,高性能复合材料的用量也在迅速纤维进行沿轴向的预拉伸处理,使得碳分子沿轴向 扩大,各种航天飞行器的重要结构件(如运载火箭进行取向排列,大幅提高了碳纤维的轴向拉伸强 和导弹壳体,航天飞机与宇宙飞船部件,卫星天线 度,成为一种轻质、高强、高模量、化学性能稳定 天文望远镜等)正在越来越多地采用复合材料 的高性能纤维材料 复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异 沥青基碳纤维的制备原理与聚丙烯腈基碳纤 构的材料通过专门成型工艺复合而成的一种高性维的大致相同,沥青基碳纤维还可以继续进行石墨 能的新材料体系,复合的目的是要改善材料的性化处理,使碳含量超过98%,因而具有更高的弹性 能,或使材料能满足某种特殊的物理性能(如光、模量。用它制造的复合材料,具有非常高的尺寸稳 电、热、声、磁等)要求。复合材料按使用要求大定性,例如卫星的复合材料太阳能电池板及反射天 致分为结构复合材料和功能复合材料,在航空航天线,在太空数百摄氏度的高低温温差下,仍能保持 领域,目前和今后20~30年的发展主流是用于制尺寸基本不变 造空天飞行器结构件的碳纤维增强树脂基复合材 CFRP最大的优点是轻质、高强,航空航天高 料(简称CFRP),在此基础上发展结构/功能一体端应用仍是其主要发展方向,用CFRP制造飞机的 化和智能化结构复合材料,以满足越来越先进的空结构件,同铝合金相比,减重效果可达209%~40% 天飞行器的要求。 体现出巨大的节能效益。现在CFRP应用已迅速扩 收稿日期:2013-0709:修回日期:2013-07-29 基金项目:中国工程院重大咨询项目“材料延寿与可持续发展战略研究”(编号:ZD20) 作者简介:唐见茂(1944—),男,教授级高级工程师,从事CFRP研发30多年,中国材料研究学会常务理事、咨询部主任 兼咨询专家,参与我国新材料产业化规划定位研究及有关政府职能部门的决策咨询服务。E-mail:chunrong0625@sina.com。 o1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net航 天 器 环 境 工 程 第 30 卷第 4 期 352 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2013 年 8 月 航空航天复合材料发展现状及前景 唐见茂 （中国材料研究学会，北京 100048） 摘要：文章通过空客 A-350XWB 飞机和波音公司 B-787 飞机复合材料之战的实际案例，介绍了航空航天应 用复合材料，特别是碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）的发展现状、特点以及航空航天复合材料结构一体化 综合等新技术，并对未来发展前景进行讨论。 关键词：航空航天应用；先进复合材料；碳纤维；一体化智能结构；综述 中图分类号：TB334; V258+ .3 文献标志码：A 文章编号：1673-1379(2013)04-0352-08 DOI: 10.3969/j.issn.1673-1379.2013.04.003 0 引言 复合化是当代材料技术发展的重要趋势之一， 而大量采用高性能复合材料是航空航天飞行器发 展的重要方向。其中在民用飞机领域，应用发展非 常迅速。2013 年 6 月 14 日，空客研制的新型超宽 体 A-350 XWB 客机成功首飞，这是继波音的 B-787 “梦想”飞机之后，全球航空业界的又一个亮点。 A-350 XWB 和 B-787 飞机的复合材料用量分别达 到 52%和 50%，这标志着航空航天复合材料发展 新的里程碑，表明新的发展时期已经拉开序幕。 在航天领域，高性能复合材料的用量也在迅速 扩大，各种航天飞行器的重要结构件（如运载火箭 和导弹壳体，航天飞机与宇宙飞船部件，卫星天线， 天文望远镜等）正在越来越多地采用复合材料[1]。 复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异 构的材料通过专门成型工艺复合而成的一种高性 能的新材料体系，复合的目的是要改善材料的性 能，或使材料能满足某种特殊的物理性能（如光、 电、热、声、磁等）要求。复合材料按使用要求大 致分为结构复合材料和功能复合材料，在航空航天 领域，目前和今后 20～30 年的发展主流是用于制 造空天飞行器结构件的碳纤维增强树脂基复合材 料（简称 CFRP），在此基础上发展结构/功能一体 化和智能化结构复合材料，以满足越来越先进的空 天飞行器的要求[2]。 碳纤维是一种直径极细的连续细丝材料，直径 范围在 6～8 μm，是 20 世纪 60 年代由美国首先开 发并形成规模产业的一种具有全新概念的新材料。 目前用在复合材料中的碳纤维主要有聚丙烯腈基 碳纤维和沥青基碳纤维两大类，前者是用一种高分 子合成纤维——聚丙烯腈纤维的原丝，或称之为前 驱体（precursor），通过专门而又复杂的碳化工艺 制备而得。由于高温碳化，使纤维中的氢、氧等元 素得以排出，成为一种含碳量高于 90%的纯碳材 料，而本身质量大为减小；而且由于碳化过程中对 纤维进行沿轴向的预拉伸处理，使得碳分子沿轴向 进行取向排列，大幅提高了碳纤维的轴向拉伸强 度，成为一种轻质、高强、高模量、化学性能稳定 的高性能纤维材料。 沥青基碳纤维的制备原理与聚丙烯腈基碳纤 维的大致相同，沥青基碳纤维还可以继续进行石墨 化处理，使碳含量超过 98%，因而具有更高的弹性 模量。用它制造的复合材料，具有非常高的尺寸稳 定性，例如卫星的复合材料太阳能电池板及反射天 线，在太空数百摄氏度的高低温温差下，仍能保持 尺寸基本不变。 CFRP 最大的优点是轻质、高强，航空航天高 端应用仍是其主要发展方向，用 CFRP 制造飞机的 结构件，同铝合金相比，减重效果可达 20%～40%， 体现出巨大的节能效益。现在 CFRP 应用已迅速扩 ———————————— 收稿日期：2013-07-09；修回日期：2013-07-29 基金项目：中国工程院重大咨询项目“材料延寿与可持续发展战略研究”（编号：ZD20） 作者简介：唐见茂（1944—），男，教授级高级工程师，从事CFRP研发30多年，中国材料研究学会常务理事、咨询部主任 兼咨询专家，参与我国新材料产业化规划定位研究及有关政府职能部门的决策咨询服务。E-mail: chunrong0625@sina.com