1、 1 / 7碳/碳复合材料在航空航天领域应用的发展摘要：本文章概述了碳/碳复合材料的发展背景以及现状，系统的介绍了碳/碳复合材料的制造工艺，性能，以及在航空航天领域的应用发展。总结了碳/碳复合材料优越性能和重点发展方向，并在此基础上提出了今后碳/碳复合材料在航空航天领域的发展前景。关键词：碳/碳复合材料、航空航天、应用发展一、引言碳纤维增强碳基复合材料（碳/碳复合材料，C/C）是以碳或石墨纤维为增强体，碳或石墨为基体复合而成的材料。它具有耐高温、导热性好、抗热冲击、烧蚀率低、高温下高强度、一定的化学惰性等特殊性能。碳/碳复合材料的研制工作，可追溯到 20 世纪 60 年代初。1961 年在日本
2、首先用聚丙烯腈（PAN）原丝制成高性能碳纤维。1963 年英国的研究人员发明用牵引法提高纤维结构的取向，进一步提高了碳纤维的强度和弹性模量。到 60年代末，提高碳纤维性能和生产效率的办法日趋完善。高强度、超高强度、高模量和高强中模量的碳纤维形成规模生产并开始商品化。当今，碳/碳复合材料在树脂基复合材料、金属基复合材料、碳/碳复合材料和陶瓷基复合材料四大类复合材料中就其研究与应用水平来说，仅次于树脂基复合材料，优先于其它类复合材料，已全面走向工程应用阶段。多年来，美国、法国、英国、俄罗斯及乌克兰等工业发达国家研制开发了两向、三向、四向、七向、十一向等多维碳/碳复合材料以及正交细编、细编穿刺、抗氧
3、化、混杂和多功能等许多种碳/碳复合材料。从技术发展看，已经从最初的两向碳/碳复合材料发展为三向、四向等多维碳/碳复合材料；从单纯抗烧蚀、防热材料发展成热结构材料；从单一功能材料发展成多功能材料。近年来，随着碳纤维原材料及生产制造成本的降低，碳/碳复合材料的应用正在由航空航天领域逐渐进入工业领域，广泛取代其它材料。碳/碳复合材料制造技术的提高及高科技产业2 / 7的需求使它在工业领域的应用迅速发展。国内外相关研究机构和公司已开发出 100 多种碳/碳复合材料，并研究了40 多种不同的应用。碳/碳复合材料的具体性能取决于若干因素：纤维种类、纤维含量、纤维排列、基体材料、纤维层的构成、致密程度、热处
4、理以及性能改良等。不同知道工艺，应用条件不同，因此，碳/碳复合材料可被用于制造所期望的设计构件。现已制造出各种结构，尺度和厚度，适用于相应条件的碳/碳复合材料构件。已广泛应用于航空航天领域。二、 碳/碳复合材料的制造工艺。碳/碳复合材料的制备过程包括增强纤维及其织物的选择、基体碳先驱体的选择、碳碳复合材料预制坯体的成型、碳基体的致密化以及最终产品的加工检测等。1 、 碳纤维的选择。碳纤维束的选择和纤维织物的结构设计是制造碳碳复合材料的基础，通过合理选择纤维种类和织物的编制参数，如纱束的排列取向、纱束间距、纱束体积含量等，可以决定碳碳复合材料的力学性能和热物理性能。 2 、 碳纤维预制坯体的制备
5、。预制坯体是指按产品形状和性能要求先把纤维成型为所需结构形状的毛坯，以便进行致密化工艺。按增强方式分为单项纤维增强、双向（2D）织物和多向织物增强。连续长纤维增强的预制坯体成型方法有传统的预浸布层压、铺层、缠绕等方法做成层压板、回旋体和异形薄壁结构；另一种方法即多向编制技术，如 3D、4D、6D 编织等。3 、碳碳复合材料的致密化工艺。 碳碳复合材料致密化工艺过程就是基体碳形成过程，是用高质量的碳填满纤维周围空隙，以获得结构、性能优良的碳碳复合材料。常用的有两种工艺：化学气相沉积和液相浸渍法。用化学气相沉积法形成碳基体的先驱体有甲烷、丙烯、天然气等；用于液相浸渍的物质有热固性树脂，酚醛树脂、糠
6、醛树脂等，及热塑性沥青，如煤沥青、石油沥青。化学气相沉积（CVD）工艺是最早采用的一种 C/C 复合技术，把碳纤维织物预制坯体放入专用 CVD 炉中，加热至所需温度，通入碳氢气体，这些气体分解3 / 7并沉积在碳纤维织物周围和空隙中沉积碳。控制的主要参数有碳源气体种类、流量、沉积温度、压力和时间。沉积温度一般为 8001500，沉积压力为0.1MPa 至几百 Pa。沉积方法有等温法、温差法、压差法、脉冲压力法以及等离子体强化法。液相浸渍工艺目前为制造碳碳复合材料的主要工艺，按照形成基体的浸渍物的不同分为树脂浸渍和沥青浸渍；按照浸渍压力分为低压、中压和高压浸渍工艺。树脂浸渍工艺流程是：将预制坯体
7、置于浸渍炉中，在真空下用树脂浸渍预制坯体，再充气加压使树脂浸透预制坯体。浸渍压力逐渐增加至 35MPa，首次浸渍压力不易过高，以免纤维织物变形受损。浸渍树脂后的样品放入固化罐中进行加压固化。树脂固化后将样品放入碳化炉中，在氩气或氮气的保护下进行炭化，在炭化过程中树脂热解形成碳残留物，发生质量损失和变形，同时在样品中留下空隙。故此需要重新进行树脂浸渍和炭化，以减少空隙达到致密化的要求。沥青浸渍工艺常采用石油沥青或煤沥青为浸渍物，先进行真空浸渍，而后加压浸渍。先将盛有碳纤维预制坯体的容器放入真空炉中，同时将沥青放入熔化罐中抽真空并加热到沥青熔化，然后将熔化沥青注入到盛有预制坯体的容器中，使沥青浸没
8、预制坯体。之后移入加压罐中，升温至 250进行加压浸渍，使沥青进一步浸入预制坯体的内部空隙中，随后升温至 600700进行加压炭化。一般把浸渍、炭化压力为 1MPa 左右的为低压浸渍炭化，压力几到几十兆帕称为中压浸渍炭化，而压力达到几十到上百兆帕称为高压浸渍炭化工艺。4 、石墨化。根据使用要求，常对致密化的碳碳复合材料进行高温热处理，常用温度为24002800，在这一温度下 N、H、O、K、Na、Ca 等元素逸出，碳发生晶格结构转变，转化为石墨结构。石墨化处理对 C/C 复合材料性能有明显影响。经过石墨化处理后，其强度和热膨胀系数均降低，热导率、热稳定性、抗氧化性及纯度都有所提高。 三、碳/碳
9、复合材料的性能1 、碳碳复合材料的化学和物理性能4 / 7碳碳复合材料与石墨一样具有化学稳定性，它与一般的酸、碱、盐溶液不起反应，不溶于有机溶剂，只与浓氧化性酸其反应。碳碳复合材料常温下不与氧作用，其开始氧化温度为 400，温度高于 600时即发生严重氧化。碳碳复合材料耐高温、热膨胀系数小、抗热冲击性能好，常压下加热到 3000时才开始升华。碳碳复合材料的体积密度和气孔率随制造工艺的不同变化较大，沥青基体的碳碳复合材料密度一般为 1.75g/cm3 左右，树脂基的碳碳复合材料密度约为 1.5 g/cm3 左右。 2 、碳碳复合材料的力学性能碳碳复合材料属于脆性材料，断裂破坏时应变很小（0.12
10、%2.4%） 。由于复合材料依赖纤维/基体间的界面传递载荷，如果界面结合强度适当，裂纹将在界面偏转，碳碳复合材料应力-应变曲线表现为“假塑性变形”现象。碳碳复合材料的性能与碳纤维的品种、预制坯体的编制结构、基体的先驱体及制备工艺有关。四 、碳/碳复合材料的应用发展1、航空领域应用的发展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
11、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 2728%。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
12、5 / 7T300 级和 T700 级小丝束碳纤维增强的复合材料。2）民品在民用领域，555 座的世界最大飞机 A380 由于 CFRP 的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。飞机 25%重量的部件由复合材料制造，其中 22%为碳纤维增强塑料(CFRP), 3%为首次用于民用飞机的 GLARE 纤维金属板（铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构） 。这些部件包括：减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用 CFRP 制造。继 A340 对碳纤维龙骨梁和复合
13、材料后密封框复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后，A380 又一次对连接机翼与机身主体结构中央翼盒新的禁区发起了成功挑战。仅此一项就比最先进的铝合金材料减轻重量 1.5 吨。由于 CFRP 的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。从而大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直接竞争机型要低 13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低 15%-20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。2、航天领域应用的进展1）火箭、导弹以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代
14、的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上，碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料，在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用，美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，如美国三叉戟-2 导弹、战斧式巡航导弹、大力神一 4 火箭、法国的阿里安一 2 火箭改型、日本的 M-5 火箭等发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为5.3GPa 的 IM-7 碳纤维，性能最高的
15、是东丽 T-800 纤维，抗拉强度 5.65Gpa、杨氏模量 300GPa。由于粘胶基原丝的生产由于财经及环保危机的加剧，航天级6 / 7粘胶碳丝原料的来源一直是美国及西欧的军火商们深感棘手的恼头问题。五年前，法国 SAFRAN 公司与美国 WaterburyFiberCote Industries 公司以有充分来源的非航天级粘胶原丝新原料开发成功名为 RaycarbC2TM 的新型纤维素碳布，并经受了美军方包括加工、热/结构性质及火焰冲刷试验在内的全部资格测试，在固体发动机的全部静态试验中都证明该替代品合格，2004 年十一月，该碳布/酚醛复合材料已用于阿里安娜 V Flight164 上成
16、功飞行。2）卫星、航天飞机及载人飞船高模量碳纤维质轻，刚性，尺寸稳定性和导热性好，因此很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作，而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。碳纤维增强树脂基复合材料被作航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。美国发现号航天飞机的热瓦，十分关键，可以保证其能安全地重复飞行。一共有8 种：低温重复使用表面绝热材料 LRSI；高温重复使用表面绝热材料 HRSI；柔性重复使用表面绝热材料 FRSI；高级柔性重复使用表面绝热材料 AFRI；高温耐熔纤维复合材料 FRICHR
17、SI；增强碳/碳材料 RCC；金属；二氧化硅织物。其中增强碳/碳材料 RCC，最为要的，它可以使航天飞机承受大气层所经受的最高温度 1700。五、结语与展望航空航天工业普遍利用了复合材料的重量轻、耐腐蚀、耐高温和耐摩擦性好等特点，大量用于飞机的减速板和刹车装置、宇宙飞船控制舱的光学仪器热防护罩、内燃机活塞，X-20 飞行器的鼻锥、喷嘴材料和机翼等，如飞机采用碳/碳复合材料刹车片，可减重 600 kg。复合材料在现代飞行器的材料中占了较大的比重，1997 年 7 月 1 日香港回归时，中国驻港空军驾驶的直-9 型直升飞机，其使用的复合材料超过了 60%。碳/碳复合材料的使用温度可达 2200，是
18、火箭基体的理想材料，现已用于火箭发动机的喷管和烧蚀层。随着科学技术的进步，碳纤维的产量不断增大，质量逐渐提高，而生产成本稳步下降。各种性能优异的碳/碳复合材料将会越来越多地出现在航空航天领域中，为世界航空航天技术的发展作出更大的贡献。7 / 7参考文献：1碳纤维复合材料在航空航天领域的开发与应用顾超英，2009；2碳纤维复合材料新动向罗益峰，2009；3 炭/ 炭复合材料的力学性能及其断裂机理的研究吴凤秋， 中南大学, 2002；4 碳/ 碳复合材料的应用研究进展李翠云，李辅安，2006；5Actuality and Prospect in Research of Oxidation-ResistantProperties for Carbon-Carbon Composites王海军，王齐华， 顾秀娟，2003；6碳/ 碳复合材料的研究进展周振中，2005；7碳纤维复合材料在航空领域的应用王春净，代云霏， 2010；
