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航空航天碳纖維復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展情況
思瀚 航天環(huán)宇    2023-05-30

碳纖維(carbonfiber,簡稱 CF)是一種含碳量在 95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。碳纖維質(zhì)量比金屬鋁輕,但強(qiáng)度卻高于鋼鐵,并且具有高硬度、高強(qiáng)度、重量輕、高耐化學(xué)性、耐高溫的特性。碳纖維很少直接應(yīng)用,大多是經(jīng)過深加工制成中間產(chǎn)物或復(fù)合材料使用,碳纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)件或功能件現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在航空航天、工業(yè)和體育休閑用品三大領(lǐng)域。

碳纖維以其質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高模量、耐高低溫和耐腐蝕等特點(diǎn)最早應(yīng)用于航天及國防領(lǐng)域,如大型飛機(jī)、軍用飛機(jī)、無人機(jī)及導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星和雷達(dá)罩等,且航空航天領(lǐng)域用碳纖維的性能等級(jí)相對(duì)而言是最高的。

隨著碳纖維的不斷發(fā)展,碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。在航空領(lǐng)域,碳纖維復(fù)合材料是大型整體化結(jié)構(gòu)的理想材料。與常規(guī)材料相比,復(fù)合材料可使飛機(jī)減重 20%-40%。復(fù)合材料還克服了金屬材料容易出現(xiàn)疲勞和被腐蝕的缺點(diǎn),增加了飛機(jī)的耐用性。復(fù)合材料的良好成型性可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本和制造成本大幅度降低。

20 世紀(jì) 70 年代至今,復(fù)合材料在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,目前已廣泛應(yīng)用于機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、尾部整流罩、后掠翼、進(jìn)氣道等多個(gè)部位。以美國軍機(jī)為例,F(xiàn)-14A 戰(zhàn)機(jī)碳纖維復(fù)合材料用量僅有 1%,到 F-22 和 F-35 為代表的第四代戰(zhàn)斗機(jī)上碳纖維復(fù)合材料用量分別達(dá)到 24%和 36%,大型轟炸機(jī)方面 B-2 隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī)的碳纖維復(fù)合材料占比達(dá)到了 38%。

目前我國最先進(jìn)的第四代戰(zhàn)斗機(jī)殲-20 的碳纖維使用比例約為 27%,相比之下第三代戰(zhàn)斗機(jī)殲-10 和殲-11 的碳纖維用量僅為 6%和 10%。隨著我國新型戰(zhàn)機(jī)的換代升級(jí),軍機(jī)碳纖維使用比例也將不斷提升。

資料來源:先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在民航客機(jī)與無人機(jī)上應(yīng)用占比提升明顯。在民航客機(jī)方面,碳纖維復(fù)合材料從 20 世紀(jì) 80 年代開始應(yīng)用在客機(jī)上的非承力構(gòu)件中,在早期的 A310、B757和 B767 上,碳纖維復(fù)合材料的占比僅為 5%-6%。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,碳纖維復(fù)合材料逐漸作為次承力構(gòu)件和主承力構(gòu)件應(yīng)用在客機(jī)上,其質(zhì)量占比也開始逐步提升,到A380 時(shí),復(fù)合材料占比達(dá)到 23%,而最新的 B787 和 A350,復(fù)合材料的用量達(dá)到了 50%以上,有更多部件使用碳纖維,例如機(jī)頭、尾翼、機(jī)翼蒙皮等。在無人機(jī)方面,美國全球鷹(GlobalHawk)高空長航時(shí)無人偵察機(jī)共用復(fù)合材料達(dá) 65%,先進(jìn)無人機(jī)復(fù)合材料的用量更是不斷提升,X-45C、X-47B、“神經(jīng)元”、“雷神”上都運(yùn)用了 90%的復(fù)合材料。

在航天領(lǐng)域,碳纖維復(fù)合材料不僅符合航天技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)材料減輕質(zhì)量的要求,還符合對(duì)結(jié)構(gòu)材料具有高比模量和高比強(qiáng)度的要求,具有性能和功能的可設(shè)計(jì)性,因此復(fù)合材料被大量應(yīng)用。此外,航天飛行器的重量每減少 1 公斤,就可使運(yùn)載火箭減輕 500公斤,因此,在航空航天工業(yè)中普遍采用先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料。

美國、歐洲的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量不到總重量的 10%,原因就在于廣泛使用了高性能復(fù)合材料。目前衛(wèi)星的微波通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和各種支撐結(jié)構(gòu)件等已經(jīng)基本做到了復(fù)合材料化。在運(yùn)載火箭和戰(zhàn)略導(dǎo)彈方面,碳纖維復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能得到了較好的應(yīng)用與發(fā)展,先后成功用于“飛馬座”、“德爾塔”運(yùn)載火箭、“三叉戟”Ⅱ(D5)、“侏儒”導(dǎo)彈等型號(hào);美國的戰(zhàn)略導(dǎo)彈 MX 洲際導(dǎo)彈,俄羅斯戰(zhàn)略導(dǎo)彈“白楊”M 導(dǎo)彈均采用先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)射筒。

2020 年全球碳纖維需求繼 2019 年之后再次突破 10 萬噸級(jí),達(dá)到 10.69 萬噸。航空航天領(lǐng)域中商用飛機(jī)的碳纖維需求量最大,約占航空航天總需求的 52.9%。《2020 全球碳纖維復(fù)合材料市場報(bào)告》預(yù)計(jì)全球?qū)⒃?2024 年恢復(fù)到 2019 年的需求水平,隨著民航業(yè)的逐步復(fù)蘇,航空航天碳纖維需求有望轉(zhuǎn)好。

資料來源:2020 全球碳纖維復(fù)合材料市場報(bào)告

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