车身轻量化新材料 - 图文(3)

20世纪60年代，美国首先将CFRP用在军机上，用于舱门、口盖、整流罩以及副翼、方向舵等受力较小或非承力部件。80年代初，发展到垂尾、平尾等尾翼一级的次承力部件，如F-15、F-16、F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了复合材料尾翼，此时复合材料用量有限。到80年代末，美国推出的第四代战斗机F-22、F-35JSF上，复合材料开始应用于机翼、机身等主要的承力结构，军机结构的复合材料化进程加速，复合材料用量不断增加，现在复合材料的用量已经占军用飞机结构质量的20%-50%。

有些飞机在发动机结构上也采用了复合材料，这些复合材料采用耐高温树脂（聚酰亚胺）制造，工作温度可达250-350℃，用作发动机冷端部件，主要是在发动机的外涵道机匣、风扇静子叶片、转子叶片、包容机匣以及发动机短舱、反推力装置等部件上得到应用。

民机应用

复合材料的优点不仅仅是轻质，而且给设计带来创新，通过合理设计，还可提供诸如抗疲劳、抗振、耐腐蚀、耐久性和吸/透波等其他传统材料无法实现的优异功能特性，增加未来发展的潜力和空间。尤其与铝合金等传统材料相比，复合材料可明显减少使用维护要求，降低寿命周期成本，特别是当飞机进入老龄化阶段后差别更明显。同时，大部分复合材料飞机构件可以整体成型，大幅度减少零件数目和紧固件数目，从而减小结构质量，降低连接和装配成本，并有效降低总成本。

全球两家航空巨头——美国波音公司和欧洲空客公司多年形成的竞争似乎愈演愈烈，其中一个重要表现就是复合材料的用量不断增加。

相对于军机，民机的安全可靠性要求更高。而复合材料作为一种新型结构材料，在对材料特性认识、保证工艺稳定的措施和有关试验数据尚不十分充分的情况下，其发展经历了较谨慎而又漫长的历程。复合材料在军机上的应用从起步到主结构件的应用，只用了10多年；而在民机上的应用从20世纪80年代开始到大范围的应用，经历了30多年。

民用飞机结构复合材料的使用量上限约为60%。2011-2020年，通用航空领域有望增加12400架飞机，公务机市场将新增13600架。新飞机上的复合材料质量占比约为54%，公务机中占68%左右。随着民机对碳纤维复合材料的需求不断增长，未来20-30年航空复合材料将进入新的发展时期。

三、碳纤维生产流程及主要设备

1碳纤维生产上下游产业链

碳纤维产业链上游为石油化工行业，主要通过原油炼制、裂解、氨氧化等工序获得丙烯腈；碳纤维企业通过对以丙烯腈为主的原材料进行聚合反应生成聚丙烯腈，再以其纺丝获得聚丙烯腈原丝，对原丝进行预氧化、碳化等工艺制得碳纤维，通过对碳纤维和高质量树脂的加工以获得碳纤维复合材料以满足应用需求；产业链下游企业设计并开发碳纤维复合材料的应用并购买碳纤维复合材料结构件。

碳纤维复合材料结构成型与材料成型同时完成，下游产品性能受纤维与树脂匹配性、工艺性等影响较大，因此必须发展由原丝到碳纤维再到复合材料的全产业链。下游产品的开发，要与碳纤维的研发形成一个良性互动的过程。在“生产→应用→改进→扩大应用→提高→稳定”循环中发现问题，解决问题，从不稳定到逐步稳定。

在碳纤维整体产业链中，不同阶段产品价格大幅增值，同一品种原丝的售价约40元/公斤，碳纤维约180元/公斤，预浸料约600元/公斤，民用复合材料约在1,000元以下/公斤，汽车复合材料约3,000元/公斤，航空复合材料约8,000元/公斤，每一级的深加工都有大幅度的增值。

2碳纤维生产上下游产业链

碳纤维的生产流程主要包括：拉丝、牵伸、稳定、碳化、石墨化。

拉丝：这是碳纤维生产过程中的第一个步骤，这个过程是物理变化，主要是将原材料分离成纤过程，在这个过程中，纺丝液细流与凝固液之间的传质、传热、相平衡移动。导致PAN沉析形成凝胶结构的丝条。

牵伸：一般是在100-300度的温度下进行，根据结定向纤维的拉伸效应来实现的，这个过程也是实现PAN纤维的高模量、高强化、致密化和细化的关键步骤。

稳定：也就是常说的预软化。通过400℃加热氧化的方法使热塑性PAN线形大分子链转化为非塑性耐热梯形结构，使其在高温下不熔不燃、保持纤维形态，热力学处于稳定状态。

碳化：在1000-2000度范围内进行，将PAN中非碳元素驱除，最后生成含碳量90%以上具有乱层石墨结构的碳纤维。

石墨化：在2000-3000度的范围内进行，将无定型、乱层结构的碳化材料向三维石墨化结构转化，是提高碳纤维模量的主要技术措施。

由上道原丝生产工艺产出的PAN原丝，经过送丝架湿热预牵伸后，由牵伸机构依次送入预氧化炉，经过数台预氧化炉群的不同梯度温度场后制得预氧化纤维（预氧丝）；预氧丝相继

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