碳纤维的十八个主要应用领域及技术进展

1 CFRP作为导弹、空间平台和运载火箭的关键材料 碳纤维是现代宇航工业的物质基础，具有不可替代性。CFRP被广泛应用于导弹武器、空间平台和运载火箭等航天领域。在导弹武器应用方面，CFRP主要用于制造弹体整流罩、复合支架、仪器舱、诱饵舱和发射筒等主次承力结构部件（图1）；在空间平台应用方面，CFRP可确保结构变形小、承载力好、抗辐射、耐老化和空间环境耐受性良好，主要用于制造卫星和空间站的承力筒、蜂窝面板、基板、相机镜筒和抛物面天线等结构部件（图2）；在运载火箭应用方面，CFRP主要用于制造箭体整流罩、仪器舱、壳体、级间段、发动机喉衬和喷管等部件（图3）。目前，CFRP在航天器上的应用已日臻成熟，其是实现航天器轻量化、小型化和高性能化不可或缺的关键材料。 2 CFRP作为航空器的结构材料

在大型先进飞机中，CFRP被广泛用作主承力结构材料。且在近期研制成功的新型飞艇中，CFRP也被用做结构材料。

20世纪70年代中期的石油危机是碳纤维应用于飞机制造的直接原因。为缓解能源危机，当时的美国政府启动了“飞机节能计划（AircraftEnergy Efficiency Program）”。现代飞机机身采用钢、铝、钛等金属和复合材料制成。为节约燃油和提高运营效益，减轻机身质量一直是飞机设计制造技术中的核心挑战之一。而CFRP在飞机机身制造上的成熟应用为减轻飞机机身质量提供了最有效的途径。例如，以金属材料为主制成的波音767飞机（CFRP用量仅占3%）机身质量为60 t，而将CFRP用量提升到50%时，新型波音767飞机机身质量下降到48 t，仅此就极大地提升了该型飞机的能源和环境效益。

正在研制的波音777X型飞机（图4）和最新投产的波音787型飞机，机身复合材料的用量都达到了50%[5]。波音777X型飞机是波音公司以波音777飞机为基型，正在开发的一种大型双引擎客机，计划首架飞机于2020年交付投入运营。波音777X飞机的主翼由CFRP制成，其翼展长约72m（235英尺），是目前客机中翼展最长的机型之一。翼展越长，升力越大，因此，波音777X的单座燃油消耗和运营成本都非常有竞争力。此外，CFRP机翼不仅强度高、柔性好，且末端可折叠，这样多数机场都能满足其宽翼展的停机需求。波音787飞机的主翼和机身等主承力结构都采用日本东丽公司（Toray Industries, Inc.）TORAYCA®品牌的碳纤维预浸料制造。2005年11月，东丽公司与美国波音公司签署了一项为期10年的协议，为波音787梦想号（Boeing 787 Dreamliner）飞机提供碳纤维预浸料。2015年11月9日，东丽公司宣布与美国波音公司达成综合协议，将为波音公司生产的787和777X两型飞机提供价值约110亿美元的碳纤维预浸料。波音公司计划提高787飞机的月产量，将从2015年的10架提高到2016年的12架、2020年的14架；同时，大型模块的比率也将提高，这将极大地促进对CFRP的需求。为保证波音787飞机月产量达12架后的材料供应，位于美国华盛顿州塔科马市（Tacoma，Washington）的东丽复合材料（美国）公司[Toray Composites(America),Inc.]已于2016年1月完成了扩产；同时，日本东丽公司决定投资约4.7亿美元，在其收购的斯帕坦堡县（Spartanburg County,South Carolina）厂区内建设包含原丝、碳纤维和预浸料在内的一体化生产线，设计年产能为2 000 t，这是东丽公司首次在美国建设一体化的碳纤维生产线，以用于研发波音777X飞机和满足月产14架波音787飞机的需求。2016年8月17日，英国最新研制的“空中之恋10号（Airlander 10）”大型飞艇完成了其处女航（图5）。这架飞艇是一种轻于空气的航天器，被设计用来执行侦察、监视、通信、货物与救援物资的运输，以及乘客交通等。该飞艇采用日本可乐丽（Kuraray）公司生产的聚芳酯（Vectran）织物作蒙皮，蒙皮内充满了带压氦气；其形状结构材料采用CFRP，最大化地减轻了飞艇自身质量。无人值守的情况下，该飞艇一次可最长在空中漂浮5天。 3 CFRP作为先进舰船船体结构

CFRP对提高舰船的结构、能耗和机动性能等非常明显。 瑞典在船艇制造技术方面有着传统优势，其夹层复合材料技术居世界一流水平，较早便采用CFRP技术研制军用舰船。2000年6月下水的瑞典海军维斯比号护卫舰（Stealth Visby）是世界第一艘在舰体结构中采用CFRP的海军舰艇（图6）。该舰长73.0 m、宽10.4 m、吃水深度2.4 m、排水量600 t；舰体采用CFRP夹层结构，具有高强度、高硬度、低质量、耐冲击、低雷达和磁场信号，以及吸收电磁波等优异性能。 由于成本原因，虽船舶中大量使用CFRP还有待时日，但其已实际用于制造民用新概念船艇和军用舰船关键部件。2010年，德国Kockums公司为瑞典探险家制造了一条几乎全部采用CFRP的新概念太阳能探险船——TuANor PlanetSolar。该船长31.0 m、宽15.0 m，以太阳能为动力。2010年9月27日，瑞典探险家Raphael Domjan驾驶该船出海，开始环球探险航行（