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1、絲絲入扣憑誰取，片片出云任我翔 ? 碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用淺析(一).基礎(chǔ)篇 ? 最近一個(gè)時(shí)期，壇子里的不少帖子，技術(shù)性和專業(yè)性有所增強(qiáng)，真是讓人高興。什么是素質(zhì)，哪個(gè)叫水平，這些概念應(yīng)當(dāng)?shù)玫秸_的建立。聳人聽聞的標(biāo)題黨、子虛烏有的意淫貼、極端互罵的撒潑族，無論如何，都跟不上、配不上中國(guó)軍工的高速發(fā)展。 ? 客觀探討、理性分析、觀點(diǎn)多元、相互學(xué)習(xí)的趨勢(shì)，才是中華網(wǎng)軍事頻道的幸事。 ? 看熱鬧，更看門道；知其然，亦知其所以然，也才是咱廣大軍迷們的驕傲。 ? 為了向各位專家型大蝦致敬，這一次，兵器迷試著寫一點(diǎn)專業(yè)性更強(qiáng)的東東，和大家分享。 ? 啥叫專業(yè)性？就是

2、故事性不強(qiáng)，而專業(yè)術(shù)語多。這樣的帖子，沒啥水分，比較干。您吃著，可能有點(diǎn)拉嗓子。呵呵，沒關(guān)系。兵器迷的描述，盡量往通俗方向走，而且咱把大段的干貨，切成幾部分，分次發(fā)貼。一次別招呼太多，怕噎著了，呵呵。 碳纖維復(fù)合材料的基本概念 說起材料，似乎挺復(fù)雜的，其實(shí)不盡然。大家肯定都聽說過石器時(shí)代、銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代。這很通俗、又很清楚的表明了人類歷史發(fā)展與材料的關(guān)系。到今天，全球材料結(jié)構(gòu)中仍然有有大約一半是鋼鐵或其合金，從這個(gè)意義上講，我們現(xiàn)在仍然處于鐵器時(shí)代。 ? 一種用于結(jié)構(gòu)的好材料，一般應(yīng)具有較大的強(qiáng)度，或者外力作用下發(fā)生形變相對(duì)較小，或者重量較輕。而有時(shí)候，我們要求材料必須同時(shí)具備強(qiáng)度

3、高、變形小和重量低這三種特性。因此，材料科學(xué)領(lǐng)域提出了比強(qiáng)度和比模量的概念。 ? 比強(qiáng)度(specific strength)是材料的強(qiáng)度（斷開時(shí)單位面積所受的力）除以其密度。又被稱為強(qiáng)度－重量比。比強(qiáng)度高，簡(jiǎn)單的說，就是材料又要結(jié)實(shí)，又要輕。 ? 舉個(gè)例子來說，比普通鋼強(qiáng)度高7倍的合金鋼，夠結(jié)實(shí)?？墒翘亍Ｒ煤辖痄撛黾咏Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，就必須同時(shí)增加重量，這對(duì)需要高速運(yùn)動(dòng)的物體，意義就不大了。因此我們說，合金鋼的比強(qiáng)度還是不夠高。 ? 比模量(specific modulus)是材料的模量（在受力狀態(tài)下的應(yīng)力與應(yīng)變之比）除以其密度，又稱勁度－質(zhì)量比。比模量高，簡(jiǎn)單的說，就是材料又要變形

4、小，又要輕。 ? 各種工程材料，比如木材、鋁、鋼，它們的比強(qiáng)度差別很大，但比模量其實(shí)都差不多，僅僅從比模量角度，他們之間相互替代的意義也并不大。 ? 強(qiáng)度高、變形小、重量低，什么地方會(huì)用到這樣的材料呢？ ? 對(duì)了，就是航空和航天工業(yè)。飛行器的運(yùn)動(dòng)速度高，過載大，對(duì)材料強(qiáng)度和變形有嚴(yán)格要求。而且，商用飛機(jī)每減重一公斤，一年就能節(jié)約3000美元的燃料。遠(yuǎn)程火箭、太空飛船每減重一公斤，就能節(jié)約10,000美元的燃料。能夠減少重量，就能夠增加有效載荷，降低飛行成本。因此高速飛行領(lǐng)域?qū)Σ牧现亓渴呛苊舾械摹? ? 當(dāng)然，大家可以聯(lián)想到，航空航天領(lǐng)域的材料，還需要一個(gè)特質(zhì)，就是耐高溫。 ?

5、 有朋友說：那鈦合金呢？沒錯(cuò)，鈦合金確實(shí)比鋼鐵更加符合飛行器的要求。但問題是鈦資源很少，開采、提煉和加工又很麻煩，因此鈦合金的價(jià)格相當(dāng)昂貴。這部分的限制了鈦的大規(guī)模商用，甚至是大規(guī)模軍用。對(duì)于鈦合金，兵器迷將來另有專貼分析，這里就不贅述了。 ? 強(qiáng)度高、變形小、重量低、耐高溫、不太貴。這五個(gè)要求像是密集的交叉火力，把絕大部分已知材料封殺殆盡。就在這個(gè)時(shí)候，咱們故事的主角，碳纖維復(fù)合材料，終于登場(chǎng)了。 ? 碳纖維，指碳的重量占 90%以上的纖維狀碳材料。碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成的材料，就是碳纖維復(fù)合材料(CFRP)。 ? 碳纖維復(fù)材中最重要的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

6、，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。其比模量比鋼和鋁合金高5倍，比強(qiáng)度要高3倍。而碳纖維的比重，一般在1.6左右，是鋁的二分之一，鋼的五分之一。碳在各種溶劑中不溶解，在隔絕空氣的惰性環(huán)境中(常壓下)，在高溫時(shí)也不會(huì)熔融，而且是在2000攝氏度以上唯一強(qiáng)度不下降的已知材料。只有在10Mpa壓力和3000K 以上高溫條件下，才不經(jīng)液相直接升華。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，CFRP都具有很高的優(yōu)勢(shì)。 ? 東西是好東西?？稍诂F(xiàn)代化學(xué)工業(yè)誕生之前，人們卻一直以為，碳產(chǎn)品的脆性非常大，碳纖維也很難做出來。就是好不容易做出來了，力學(xué)性

7、能又極差。因此并沒有認(rèn)識(shí)到這是個(gè)寶貝。碳纖維的利用，可以追溯到1880年，那個(gè)以發(fā)明燈泡而著名的愛迪生，申請(qǐng)專利，提出利用碳纖維作為電燈的燈絲，后來因?yàn)殒u絲的替代而不了了之。此后關(guān)于碳纖維及其復(fù)合材料的研發(fā)，在很長(zhǎng)時(shí)間處于停滯狀態(tài)。直至二戰(zhàn)之后，美國(guó)和日本為主的研發(fā)工作陸續(xù)獲得突破，才終于迎來了碳纖維的春天。 ? 1950年，美國(guó)Wright-Patterson空軍基地開始研究用人造絲制造碳纖維，并得到了力學(xué)性能優(yōu)良的碳纖維。1967年，美國(guó)Uninon Carbide公司已經(jīng)能夠供應(yīng)彈性模量為2.8-3.5×106公斤/厘米2的石墨紗。1969年，日本東麗公司研制成功特殊的聚丙烯腈共聚P

8、AN纖維，并結(jié)合Uninon Carbide公司的碳化技術(shù)，生產(chǎn)出了比強(qiáng)度和比模量都很高的碳纖維。此后至今，東麗公司一直是首屈一指的高性能碳纖維供應(yīng)商，產(chǎn)量居世界首位。其與日本東邦和三菱人造絲三家日本公司，生產(chǎn)世界70%以上的軍用碳纖維，代表著當(dāng)今高性能碳纖維的最高水平。而以Akzo和Zoltek為代表的美國(guó)公司，則把持著低端碳纖維市場(chǎng)的主要份額。 ? 對(duì)了。在此，順便解釋一個(gè)有朋友問過兵器迷的問題，就是大家經(jīng)常聽說的T300,T800這些碳纖維究竟是什么意思。其實(shí)，就是以日本東麗公司TORYA的首字母命名的碳纖維原絲的品級(jí)。 表1 東麗公司碳纖維品級(jí)性能表 東麗公司碳纖維品級(jí) 最高

9、抗拉強(qiáng)度 T300 3.50Gpa T700 4.90Gpa T800 5.49GPa T1000 7.00Gpa ? 補(bǔ)充一句：在理論上，碳纖維的抗拉強(qiáng)度可能達(dá)到180Gpa,實(shí)驗(yàn)室碳纖維最高抗拉強(qiáng)度已達(dá)到9.03 Gpa，未來有可能做到20Gpa。 ? 兵器迷嘆口氣，日本在高性能碳纖維和其他諸多領(lǐng)域，能夠在基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品研發(fā)、市場(chǎng)占有和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)這四方面獨(dú)占鰲頭，成為一個(gè)行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。而放眼望去，中國(guó)，能夠做到如此地步的，又有幾何？軍工領(lǐng)域尚在追趕，暫且不談；就是民用領(lǐng)域，除了袁隆平的雜交水稻，這個(gè)GDP規(guī)模第二的國(guó)家在行業(yè)領(lǐng)先方面似乎也是寥若星辰。大而無當(dāng)，大而不強(qiáng)

10、，實(shí)積弊已久，國(guó)人自強(qiáng)自精之路，尚在漫漫。 ? 書歸正傳。 ? 碳纖維的應(yīng)用，其實(shí)可以分為兩個(gè)大的分支。即高端軍用領(lǐng)域的小絲束碳纖維和低端民用領(lǐng)域的大絲束碳纖維。 ? 對(duì)不住了，材料領(lǐng)域的術(shù)語就是多，兵器迷一樣撓頭。呵呵，各位耐心點(diǎn)看吧。 ? 碳纖維的絲束以K表示，1K表示一個(gè)絲束含1000根碳纖維，3K就是3000根。一般來講，24K以下為小絲束（small tow）, 24K以上的為大絲束（large tow）。 ? 航空航天領(lǐng)域，特別是軍用航空領(lǐng)域，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上一般采用的是小絲束碳纖維復(fù)材，以3K的碳纖維為主。通常小絲束碳纖維的生產(chǎn)必須采用價(jià)格昂貴的特種聚丙烯睛PAN

11、原絲，而且這些特種PAN原絲的生產(chǎn)技術(shù)是高度保密的，每家公司都有自己的專利技術(shù)。原絲制備技術(shù)高度保密，不出售，不轉(zhuǎn)讓。小絲束碳纖維產(chǎn)品的市場(chǎng)容量相對(duì)小，目前主要用于軍工產(chǎn)品。 ? 而大絲束碳纖維，能夠以便宜而且公開出售的民用聚丙烯作為原料，制備碳纖維。因此，價(jià)格優(yōu)勢(shì)非常明顯。舉個(gè)例子，2012年的國(guó)內(nèi)碳纖維市場(chǎng)，48K的只有一百多人人民幣一公斤，24K的二百多，12K的三四百，到3K就要七八百，1K的則高達(dá)三四千元一公斤。 ? 20世紀(jì)90年代中期以后，世界碳纖維發(fā)展的最大特點(diǎn)，是大絲束碳纖維獲得重大突破。美國(guó)Zoltek公司近年來在PAN原絲的研究上取得了突破，成功地采用一般紡織工業(yè)

12、用的聚丙烯，生產(chǎn)性能與T300基本相當(dāng)?shù)腜AN－EX33碳纖維。 ? 看到這里，那位問了：那能不能用便宜的大絲束產(chǎn)品，替代昂貴的小絲素產(chǎn)品呢？ ? 根據(jù)網(wǎng)上公開的材料，沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所與北京航空材料研究院，早在“十五”期間，就展開了大絲束碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用研究工作。通過美國(guó)Zoltek的48K大絲束與東麗T300的3K小絲束的對(duì)比試驗(yàn)（見表2），證明了在強(qiáng)度性能上，二者差異不大。但在模量性能上，特別是縱向拉伸和縱向壓縮模量上，大絲束比小絲束低15%左右。因此，目前大絲束雖然便宜，卻尚難以用到軍機(jī)的主承力構(gòu)件或者次承力構(gòu)件上，但可以在通用航空領(lǐng)域、無人機(jī)和其他民用領(lǐng)域大顯身手

13、。 ? 表2 48K大絲束與3K小絲素性能對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù) 性能 A 美國(guó)Zoltek 48K大絲束 PANEX-48K B 日本東麗T300 3K小絲束T300-3K/QY8911 （A-B)/B 縱向拉伸強(qiáng)度MPa 1490 1548 -3.75% 縱向拉伸模量GPa 118 135 -12.59% 縱向壓縮強(qiáng)度MPa 1150 1226 -6.20% 縱向壓縮模量GPa 107 126 -15.08% 橫向壓縮強(qiáng)度MPa 240 218 10.09% 橫向壓縮模量GPa 9.85 10.7 -7.94% 面內(nèi)剪切

14、強(qiáng)度MPa 116 89.9 29.03% 面內(nèi)剪切模量GPa 4.63 4.47 3.58% 曾經(jīng)剪切強(qiáng)度MPa 119 110.5 7.69% ? ? 用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的小絲束產(chǎn)品,屬于戰(zhàn)略性物資，國(guó)外對(duì)華禁運(yùn)，所以高層相當(dāng)重視，現(xiàn)在也是戰(zhàn)略重點(diǎn)。此外在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的低成本大絲束碳纖維,過去重視不太夠，現(xiàn)在都在往這個(gè)方向努力，但是尚未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的程度。從需求上看，碳纖維從1950年代主要應(yīng)用在火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)，到1980年代被廣泛應(yīng)用于紡織、化工機(jī)械、建筑、風(fēng)機(jī)葉片及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。比如，在體育領(lǐng)域，碳纖維主要應(yīng)用于高爾夫棒、網(wǎng)球拍、賽車、弓箭、跳竿、冰球棒、游艇、賽艇、滑翔機(jī)、人力飛機(jī)、帆船桅桿、摩托車及登山用品，如登山杖、滑雪杖、攀巖頭盔等。國(guó)內(nèi)各種應(yīng)用占碳纖維率需求比例，大致分別為工業(yè)60%、體育30%，航空10%，因此從推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的角度來說，大絲束碳纖維，無疑具有更加廣闊的商業(yè)前景。 ? 既然碳纖維的應(yīng)用這么廣，那咱中國(guó)人，能生產(chǎn)出什么樣的碳纖維和碳纖維復(fù)合材料呢？ ? 欲知后事如何，且聽下回——《工藝篇》分解。