本文闡述了碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能，重點介紹了其在航空航天、軍工、船舶游艇、風電葉片、汽車工業(yè)和體育器材等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，分析了目前我國發(fā)展碳纖維復(fù)合材料體系的重要性，并對未來復(fù)合材料的發(fā)展趨勢進行了展望。
隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，材料技術(shù)也得到飛速的發(fā)展。由于材料的使用環(huán)境越來越復(fù)雜，人們對材料的要求也越來越高。材料的復(fù)合化是未來新材料的重要發(fā)展方向。復(fù)合材料作為一種新型材料已逐成為21世紀的主導(dǎo)材料之一，與金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料并稱為四大材料體系。
1 概述
復(fù)合材料(Composites)是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)材料組成的多相材料。目前應(yīng)用得最多也是最重要的復(fù)合材料是碳纖維復(fù)合材料。
碳纖維復(fù)合材料因具有低密度、高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)低和生體相容性好等優(yōu)異性能，使其成為制備各種結(jié)構(gòu)和功能性復(fù)合材料的重要原材料。是目前運用最為廣的一種復(fù)合材料。
2 復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
據(jù)法國JEC稱，2015年全球碳纖維總用量約為67000 t，預(yù)計到 2020年，全球碳纖維總用量將達到110000 t。目前，碳纖維復(fù)合材料主要運用于航空航天、軍工、船舶游艇、風電葉片、汽車工業(yè)和體育器材等領(lǐng)域。
2.2復(fù)合材料在通用飛機的應(yīng)用 。“輕質(zhì)化、長壽命、高可靠、高效能和低成本”是未來通用飛機的發(fā)展趨勢。隨著復(fù)合材料及加工技術(shù)的快速發(fā)展，新型通用飛機開始越來越多地使用復(fù)合材料。據(jù)專業(yè)人士估計，2020年通用飛機使用復(fù)合材料的市場將超過 20 億美元。Cessna 350、SR2X、DA40、AG300 和SF50通用飛機中復(fù)合材料的應(yīng)用 。
2.2.1 Cessna 350通用飛機中復(fù)合材料的應(yīng)用。Cessna 350是由賽斯納公司推出的一款帶固定減速器的活塞式飛機。其機身梁、翼梁、操縱面等關(guān)鍵部件均采用碳纖維復(fù)合材料制成，碳纖維復(fù)合材料就占整機重量的15% 。
2.2.2 SR2X 通用飛機中復(fù)合材料的應(yīng)用。SR2X 是美國西銳飛機公司（現(xiàn)已被中航通用飛機有限責任公司收購）的一個產(chǎn)品系列，SR20 和 SR22 就是其中的典型代表。與SR20所不同的是，SR22是全復(fù)合材料單發(fā)活塞飛機。有著“空中寶馬”的美譽。是世界上同級別機型中銷量最大的。
2.2.3 DA40通用飛機中復(fù)合材料的應(yīng)用。DA40是由奧地利鉆石飛機公司推出的一款活塞式飛機，該飛機大量采用了復(fù)合材料制件，組成機身的 2 個半機身均由玻璃纖維復(fù)合材料制造，部分區(qū)域使用碳纖維復(fù)合材料制成，使機身具有足夠的強度和剛度，又最大限度減輕飛機自重。
2.2.4 AG300 通用飛機中復(fù)合材料的應(yīng)用。AG300飛機是由中航通用飛機有限責任公司自主研發(fā)的第一款全復(fù)合材料 5 座單發(fā)渦槳輕型公務(wù)機，也是我國首款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的全復(fù)合材料高端公務(wù)機。正因為AG300采用全復(fù)合材料制造，使其可獲得 600 公里的最高時速，被稱為世界同級別單引擎渦槳飛機中飛得最快的飛機。目前，AG300已于2014年年初實現(xiàn)首飛。
2.2.5 SF50通用飛機中復(fù)合材料的應(yīng)用。2011年6月，中航通用飛機有限責任公司成功收購了美國西銳飛機公司，而 SF50 飛機正是收購西銳公司后研制的第一款 5 座全復(fù)合材料單發(fā)輕型噴氣式公務(wù)機。由于 SF50 采用全復(fù)合材料制造，使該飛機具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、速度快、安全舒適、經(jīng)濟性好等特點。目前，這款飛機已完成首飛取證工作，開始交付訂單。
2.3復(fù)合材料在軍用飛機與固體火箭。美國F-22戰(zhàn)斗機上使用復(fù)合材料的用量已達到25% 以上，軍用直升機用量則達到 50%以上。H 360、V-22、BK-117和S-75等直升機均大量采用了復(fù)合材料。法德合作研制的虎式武裝直升機，復(fù)合材料用量更是高達77% 。復(fù)合材料在航天領(lǐng)域也有應(yīng)用。固體火箭發(fā)動機是各種導(dǎo)彈武器的主要動力裝置，如在其殼體應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，則可大大減輕火箭和導(dǎo)彈的發(fā)射質(zhì)量、節(jié)省發(fā)射成本，或攜帶更重的彈頭、或增加有效射程和落點精度。
2.4復(fù)合材料在船舶游艇中的應(yīng)用。燃油成本的增長趨勢對于輕量設(shè)計的需求非常急迫，促進了先進復(fù)合材料在船身和甲板中的應(yīng)用。2000年下水的第一艘 Visby級輕巡洋艦，該艦在其真空灌注的夾層結(jié)構(gòu)中采用了高延展率的碳纖維和具有延展性的高密度芯材，使艦體的整體重量減輕了30% 左右 。重量的減輕可以轉(zhuǎn)化為艦艇性能的提高，即降低油耗來增加運行范圍和降低操作成本。
2.5復(fù)合材料在風電葉片中的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料在風電系統(tǒng)中，主要用于制造風電葉片與貯能用飛輪等。當風電葉片長度超過40m，就需要部分使用碳纖維復(fù)合材料。目前風力發(fā)電機組正朝大型化方向發(fā)展，風輪直徑已突破120m，最長葉片超過60m，全玻璃鋼葉片已無法滿足大型化發(fā)展的要求。以直徑為 120m 的風電葉片為例，使用碳纖維復(fù)合材料可減少其總重量的38% ，降低葉片成本的14% ，降低整個風電裝置成本的 4.5%。
2.6 復(fù)合材料在汽車零部件中的開發(fā)應(yīng)用。發(fā)動機中的活塞部件是極易損壞的部件，為了保證發(fā)動機長期穩(wěn)定的工作，復(fù)合材料的選用是未來發(fā)動機的一個發(fā)展方向。目前，應(yīng)用于活塞的材料主要由低密度金屬和增強陶瓷纖維組成。現(xiàn)在國外又推出了氧化鋁纖維增強的鋁活塞及氧化鋁增強的鎂合金活塞 。復(fù)合材料的應(yīng)用，可提高發(fā)動機的功率，從而達到節(jié)能減排的目的。2.7復(fù)合材料在體育器材中的應(yīng)用。出于對安全、減重的需要，碳纖維復(fù)合材料用于生產(chǎn)自行車、釣魚竿、沖浪板、滑雪板、高爾夫球桿、羽毛球拍和網(wǎng)球拍等，是目前消耗量最大的碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域，每年約消耗5000t碳纖維復(fù)合材料。
2.2.1 Cessna 350通用飛機中復(fù)合材料的應(yīng)用。Cessna 350是由賽斯納公司推出的一款帶固定減速器的活塞式飛機。其機身梁、翼梁、操縱面等關(guān)鍵部件均采用碳纖維復(fù)合材料制成，碳纖維復(fù)合材料就占整機重量的15% 。
2.2.2 SR2X 通用飛機中復(fù)合材料的應(yīng)用。SR2X 是美國西銳飛機公司（現(xiàn)已被中航通用飛機有限責任公司收購）的一個產(chǎn)品系列，SR20 和 SR22 就是其中的典型代表。與SR20所不同的是，SR22是全復(fù)合材料單發(fā)活塞飛機。有著“空中寶馬”的美譽。是世界上同級別機型中銷量最大的。
2.2.3 DA40通用飛機中復(fù)合材料的應(yīng)用。DA40是由奧地利鉆石飛機公司推出的一款活塞式飛機，該飛機大量采用了復(fù)合材料制件，組成機身的 2 個半機身均由玻璃纖維復(fù)合材料制造，部分區(qū)域使用碳纖維復(fù)合材料制成，使機身具有足夠的強度和剛度，又最大限度減輕飛機自重。
2.2.4 AG300 通用飛機中復(fù)合材料的應(yīng)用。AG300飛機是由中航通用飛機有限責任公司自主研發(fā)的第一款全復(fù)合材料 5 座單發(fā)渦槳輕型公務(wù)機，也是我國首款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的全復(fù)合材料高端公務(wù)機。正因為AG300采用全復(fù)合材料制造，使其可獲得 600 公里的最高時速，被稱為世界同級別單引擎渦槳飛機中飛得最快的飛機。目前，AG300已于2014年年初實現(xiàn)首飛。
2.2.5 SF50通用飛機中復(fù)合材料的應(yīng)用。2011年6月，中航通用飛機有限責任公司成功收購了美國西銳飛機公司，而 SF50 飛機正是收購西銳公司后研制的第一款 5 座全復(fù)合材料單發(fā)輕型噴氣式公務(wù)機。由于 SF50 采用全復(fù)合材料制造，使該飛機具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、速度快、安全舒適、經(jīng)濟性好等特點。目前，這款飛機已完成首飛取證工作，開始交付訂單。
2.3復(fù)合材料在軍用飛機與固體火箭。美國F-22戰(zhàn)斗機上使用復(fù)合材料的用量已達到25% 以上，軍用直升機用量則達到 50%以上。H 360、V-22、BK-117和S-75等直升機均大量采用了復(fù)合材料。法德合作研制的虎式武裝直升機，復(fù)合材料用量更是高達77% 。復(fù)合材料在航天領(lǐng)域也有應(yīng)用。固體火箭發(fā)動機是各種導(dǎo)彈武器的主要動力裝置，如在其殼體應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，則可大大減輕火箭和導(dǎo)彈的發(fā)射質(zhì)量、節(jié)省發(fā)射成本，或攜帶更重的彈頭、或增加有效射程和落點精度。
2.4復(fù)合材料在船舶游艇中的應(yīng)用。燃油成本的增長趨勢對于輕量設(shè)計的需求非常急迫，促進了先進復(fù)合材料在船身和甲板中的應(yīng)用。2000年下水的第一艘 Visby級輕巡洋艦，該艦在其真空灌注的夾層結(jié)構(gòu)中采用了高延展率的碳纖維和具有延展性的高密度芯材，使艦體的整體重量減輕了30% 左右 。重量的減輕可以轉(zhuǎn)化為艦艇性能的提高，即降低油耗來增加運行范圍和降低操作成本。
2.5復(fù)合材料在風電葉片中的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料在風電系統(tǒng)中，主要用于制造風電葉片與貯能用飛輪等。當風電葉片長度超過40m，就需要部分使用碳纖維復(fù)合材料。目前風力發(fā)電機組正朝大型化方向發(fā)展，風輪直徑已突破120m，最長葉片超過60m，全玻璃鋼葉片已無法滿足大型化發(fā)展的要求。以直徑為 120m 的風電葉片為例，使用碳纖維復(fù)合材料可減少其總重量的38% ，降低葉片成本的14% ，降低整個風電裝置成本的 4.5%。
2.6 復(fù)合材料在汽車零部件中的開發(fā)應(yīng)用。發(fā)動機中的活塞部件是極易損壞的部件，為了保證發(fā)動機長期穩(wěn)定的工作，復(fù)合材料的選用是未來發(fā)動機的一個發(fā)展方向。目前，應(yīng)用于活塞的材料主要由低密度金屬和增強陶瓷纖維組成。現(xiàn)在國外又推出了氧化鋁纖維增強的鋁活塞及氧化鋁增強的鎂合金活塞 。復(fù)合材料的應(yīng)用，可提高發(fā)動機的功率，從而達到節(jié)能減排的目的。2.7復(fù)合材料在體育器材中的應(yīng)用。出于對安全、減重的需要，碳纖維復(fù)合材料用于生產(chǎn)自行車、釣魚竿、沖浪板、滑雪板、高爾夫球桿、羽毛球拍和網(wǎng)球拍等，是目前消耗量最大的碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域，每年約消耗5000t碳纖維復(fù)合材料。
3 展望與總結(jié)
“低成本、高性能、多功能”是未來復(fù)合材料的發(fā)展方向。其中，低成本制造技術(shù)是未來復(fù)合材料發(fā)展的重點。因過去主要注重復(fù)合材料的性能，較少考慮成本，但是現(xiàn)在越來越多的研究重點放在了降低成本上。未來復(fù)合材料發(fā)展的核心是低成本原材料、快速成形工藝技術(shù)、產(chǎn)品的大型化、整體化和集成化。因此，必須在復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)上進行重點研制和創(chuàng)新，結(jié)合當前實際，通過引進高新技術(shù)，學(xué)習(xí)再創(chuàng)新，盡快由復(fù)合材料大國轉(zhuǎn)型成為復(fù)合材料強國。
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