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玻璃钢2007年第1期

综述

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

林德春潘鼎高健陈尚开
（上海市复合材料学会）（东华大学）（连云港鹰游纺机集团公司）

碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高
性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯
一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、
耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽
性、纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良
性能，被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。
2005年世界碳纤维的耗用量已超过2万吨，图1为21世纪前十年碳纤维需求量的统计
预测情况。航空航天领域的碳纤维需求情况见表1所示，约占总消耗量的20％左右。

图1世界碳纤维需求量(单位:吨)

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表1世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测

用量按应用领域对碳纤维的需求
年份航空航天运动休闲工业应用总计
2001269046901052017,900
2002214046701149018,300
2003245750121174119,210
2004274150811285820,680
2005321551011360421,920
2006377551351528024,190
2007417050971700326,270
2008474151071789227,740
2009520151041920529,510
2010538951182140831,910
（“2004碳纤维前景会议”会议资料：东丽集团法国Soficar公司报告）

可以明显看出，航空航天领域需求量有大幅度增加。2001年航空航天领域对碳纤维的
需求为2690t，2002年和2003年对碳纤维的需求量有所减少，2002年约减少20%，2003年
则减少约9%。2003年以后航空航天领域对碳纤维的需求出现快速增长，2006年与2001年
相比将增长约40%，2008年将增长约76%，到2010年和2001年相比预计增长超过100%。
本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。

1航空领域应用的新进展

T300碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的
为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H
纤维。
（1）军品
碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维
复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环
氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了
明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身
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%；复合材料垂直安定
面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四
代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求
为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已
实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材
料。

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美国在歼击机和战斗机上大量使
用复合材料：F-22的结构重量系数为
27.8%，先进复合材料的用量已达到
25%以上，军用直升机用量达到50%以
上。八十年代初美国生产的单人驾驶
的“星舟”轻型机，结构质量约1800kg，
其中复合材料用量超过1200kg。1986
年美生产的“旅行者”号轻型飞机，其
90%以上的结构采用了碳纤维复合材
图2美国F－22军用飞机
料，创下了不着陆连续九天进行环球
飞行的世界记录。Boeing公司用GF/PPS制造海军巡航导弹的壳体，DuPont公司用GF、KF/
PA、PPS，制造军机的零部件。
由于碳纤维增强复合材料不但是轻质高强的结构材料，还具有隐身的重要功能，如
CF/PEEK或CF/PPS具有极好的宽峰吸收性能，能有效地吸收雷达波。美国已用来制造最新
型的隐形轰炸机。美国的P－22超音速飞机的主要结构就是采用了中等模量的碳纤维增强的
特种工程塑料。幻影III战斗机的减速降落伞盖和弹射的弹射装置也由这种材料制成。已成功
地用于飞机的肋条、蒙皮及一些连接件、紧固件等雷达波的吸收件。战斧式巡航导弹壳体、
B-2隐型轰炸机的机身基材，F11