碳纤维向航空工业的“浸润”
碳纤维向航空工业的“浸润”
碳纤维复合材料凭借其低密度、高强度、耐久性和耐腐蚀性等优异特性，已成为航空航天、交通运输和风能等领域的重要材料。从最初的次承力结构应用到如今在主承力结构中的广泛应用，碳纤维技术的每一次迭代都推动着航空工业的发展。本文将为您详细介绍碳纤维的发展历程、国内外技术现状以及未来发展趋势。
碳纤维的迭代发展
碳纤维是构成复合材料的关键原材料，承担着复合材料结构件的大部分载荷。其拉伸强度和弹性模量的双重提升是复合材料结构性能提升的关键途径，也是目前新型碳纤维材料研发的重要方向。
第一代碳纤维
第一代碳纤维以20世纪60年代东丽公司生产的通用型T300级碳纤维和赫氏公司生产的AS4低模量低强度碳纤维为代表。1971年，东丽公司建立了12吨碳纤维生产能力并开始生产Torayca®300，产品最初主要用于运动和休闲领域。石油危机的出现导致航空领域迫切需要降低机身重量以减少燃料消耗。波音和空客等飞机制造商提出将碳纤维增强复合材料用于飞机结构制造，但主要应用于不影响飞行安全的次承力结构。1980年，波音提出了商用飞机制造对碳纤维的要求，波音737飞机的扰流板和波音727飞机的方向舵首次实现了T300级复合材料的装机应用，并颁布了BMS相关材料标准。
第二代碳纤维
第二代碳纤维以20世纪80年代东丽公司的T800级碳纤维和赫氏公司IM7的标模量高强碳纤维系列为代表。1981年，波音公司提出高强度、大伸长率碳纤维的需求，促进了高性能碳纤维的研发步伐。1984年，日本东丽公司率先研制成功T800级碳纤维；1986年，T1000级碳纤维研制成功；随后，日本东邦、三菱人造丝公司和美国赫氏公司相继研制出同类高性能碳纤维，为制造大型客机提供了新型复合材料。目前波音787和空客A350等主流机型的主承力结构广泛应用的是第二代碳纤维复合材料，即标模高强复合材料产品。
第二代的T800级碳纤维相比于第一代T300级碳纤维材料强度提高了68%、模量提高了28%，被应用在波音787的机身蒙皮、框、长桁和机翼前后梁等主要结构件中，使得每架飞机复合材料用量达35吨左右，东丽公司也成为波音787飞机主结构复合材料的独家供应商。日本航空共同开发促进促进基金财团法人在《碳纤维作为材料的应用动向》中明确指出：“波音787把外翼、中央翼、机身等关键部位更换成了碳纤维复合材料部件，使用量达到全部重量的50%以上，实现了20%轻量化。”第二代碳纤维在主承力结构大量应用，确立了复合材料在飞机结构应用上的重要地位。
第三代碳纤维
2014年3月，东丽宣布研制成功T1100级高性能碳纤维，标志着新一代的模量和强度双高的高性能碳纤维材料问世。东丽利用传统的PAN溶液纺丝技术，精细控制碳化过程，采用先进的纳米技术，在纳米尺度上改善碳纤维的微结构，从而使强度和模量都得到大幅提升。T1100G碳纤维的拉伸强度为6.6GPa，比T800级碳纤维提高了12%；模量为324GPa，比T800级材料提高了10%。2017年6月其强度又由6.6GPa更新至7GPa。继东丽之后，达到T1100级别产品量产的企业只有日本三菱丽阳的T1100和美国赫氏的HexTowIM10。但IM10的拉伸强度为6895MPa，弹性模量为314GPa，尚不及东丽的T1100。
国内碳纤维技术突破
我国碳纤维行业起步于20世纪60年代，几乎和日美等国家同时起步，但由于存在相关知识储备不足、知识产权归属不明等问题，发展缓慢。同时，日本、美国等国家对碳纤维核心技术形成垄断，我国碳纤维生产技术和装备水平整体落后于国外。但近年来伴随着国家政策的大力扶持，国内高性能碳纤维制备与应用技术取得了重大突破，基本掌握了高性能碳纤维研制和生产的核心技术，产品质量不断提高。但也存在不足之处：一是，T300/T700/T800级碳纤维的规模化、稳定化、成本控制水平与国际水平相比仍有较大差距；二是，高性能T1000/T1100级碳纤维的相关研发和生产仍处于对标国际先进水平跟跑状态。
目前，国内具备高性能碳纤维复合材料生产能力的企业包括光威复材、江苏恒神、中复神鹰、中简科技等。光威复材在2005年生产的GQ3522碳纤维突破T300级碳纤维工程化关键技术，在2013年生产的QM4035级碳纤维指标达到M40J水平。江苏恒神主要生产高性能碳纤维有HF20系列、HF30系列、HF40系列、HF50系列及高强高模HM系列。中复神鹰主要的产品型号以T300和T700（对标日本东丽）为主，产品主要包括SYT45、SYT45S、SYT49S、SYT55S、SYT65和SYM40等。
在T1000和T1100级碳纤维研制方面，目前国内开展相关研究的单位有光威复材、中科院山西煤化所、山东大学、长盛科技、中复神鹰、江苏恒神等，多采用干喷湿纺原丝技术路线，实现碳纤维强度和模量的双提升。
我国T1000级碳纤维研究最先在2014年由江苏航科突破关键技术。2019年，中复神鹰超高强度碳纤维百吨级工程化关键技术顺利通过验证并开始生产。同年，中科院山西煤炭化学研究所T1000级超强碳纤维验收。另外，山东威海拓展、江苏恒神等也实现了国产T1000级碳纤维的研究和生产。
2021年，中复神鹰取得T1100聚合关键技术突破，聚合物分子量和聚合液性能达到目标，并开发出了干喷湿纺T1100级碳纤维关键制备技术。2022年至2023年，实现百吨级生产线试车生产。光威复材也于2021年在T1100G级产品方面实现关键技术突破。恒神公司在2022年的复合材料工业技术展会上，展示了新一代高性能碳纤维HF60-12K（T1100级）和高强高模碳纤维HM55-6K（M55J级）等产品。2022年，华阳集团与中科院山西煤化所联手建设千吨级高性能碳纤维产线及其下游复合材料产业，包括千吨级T1000、百吨级T1100等。
向低成本进军
在民用飞机领域，结构轻量化一直是民机设计追求的目标之一，而大型客机保持市场竞争力的手段之一就是采用性能更好的材料来提高结构效率，达到结构减重和降低成本的目标。例如，波音787飞机的机身和机翼主要结构件全部采用碳纤维复合材料，空客A380采用碳纤维复合材料生产中央翼盒、机尾组件以及压舱壁等。在通用航空领域，赛斯纳TT整个机身，赛斯纳Cessna350的翼梁、机身梁、水平安定面、操纵面，西锐CirrusSR22飞机主承力结构梁等部件均由碳纤维复合材料制造，美国比奇公司PremierI是第一架通过FAA认证的全复合材料机身喷气公务机，整个机身采用面板为碳纤维的蜂窝夹层结构。
以T1100为代表的最新一代碳纤维同时实现了拉伸强度和弹性模量的双重提升，成为下一代民机的选材新选择。日、美相关企业和机构都明确表示最新一代高性能碳纤维的应用目标是航空航天高端市场，替代目前的T800和IM7等第二代碳纤维产品，从而实现飞机结构部件强度、刚度等综合性能的提升，达到减轻结构重量、提升燃油效率的目标。
众所周知，一种新型号碳纤维产品进入航空等领域会经过漫长的验证期，如以T300和T800级碳纤维为代表的第一代和第二代复合材料从研发成功到应用都大约经历了十几年的时间，而最新一代的T1100级碳纤维复合材料的首次应用也是在高端体育用品领域。2018年10月，全球高尔夫球杆顶级制造商GraphiteDesign公司推出了TourAD系列高尔夫球杆，球杆采用了东丽T1100G碳纤维预浸料和先进的纳米合金技术，尤其是T1100G碳纤维应用，在保证纤维重量不增加前提下，大幅度提高了结构刚度。
在高端体育领域小试牛刀后，东丽T1100级碳纤维继续瞄向更高端空天领域，并逐步完善了该款纤维复合材料的数据库。东丽复合材料美国公司2021年3月16日发布消息，公司最新款结构预浸料CMA3900已上市，具有广泛的公共允许设计数据库，并在CMH17手册的下一版修订版中将发布5批3900个允许的设计数据。
在T1100优异的模量和刚度组合下，已有结构制造商对其开展了应用初步验证，期待在航空领域充分发挥其性能优势。全球最大的一级航空结构制造商SpiritAerosystem公司基于T1100推出创新型复合材料机身壁板，并预计该壁板能够降低未来复合材料机身30%的生产成本。2023年，位于美国加利福尼亚州圣安OverairInc.和Toray Composite Materials AmericaInc.（东丽美国）宣布了一项战略合作，将东丽先进的T1100/3960预浸料系统用于Overair的“蝴蝶”（Butterfly）飞机原型项目。据说在安全性和效率方面无与伦比，蝴蝶飞机是一种低噪声、零排放的电动垂直起降（eVTOL）飞机，将在人口稠密的城市提供可持续的空中共享服务。
复合材料尤其是高性能复合材料在民机结构中的应用，不仅可实现结构减重，还能提升民机的承载能力，从而降低油耗，提升经济性，为民机发展和进步带来了新的机遇，但是机遇往往也伴随着挑战，直接制约了复合材料的广泛应用。其中最突出的挑战之一就是材料成本和制造成本居高不下，如原材料的价格高、生产效率低、生产周期长以及固定设备投入高、能耗大等问题。因此，如何降低成本已成为复材在民机领域广泛应用的热点问题。
为了降低材料成本和生产成本、提高制造效率，欧美等国都制订了多种研发计划，以研制低成本复合材料结构。如美国DMLCC（低成本复合材料设计和制造）计划进行了包括液体成型和自动铺放等技术的批生产飞机低成本制造方法研究，目标是与以往类型的复合材料结构相比降低50%的成本。NASA也提出了ACT（先进复合材料）计划，进行材料开发、分析技术开发、研究新的设计方法和制造方法，以期比原有金属结构降低25%的成本。国内在复合材料低成本研发方面，目前仍处于初级阶段，主要集中应用于风电和汽车等民用产品领域，而航空航天产品对于结构性能要求较高，且验证流程严格，因此，仍需大量针对材料和相关制造技术的验证和系统方法研究。
在航空方面，碳纤维增强复合材料在大飞机上的用量需求直线上升，直接促进了碳纤维工业的发展和先进复合材料技术的日趋完善。我国大飞机产业对于具有自主知识产权的高性能复合材料体系，尤其是具有高强高模和高环境适应性的新一代复合材料，需求极为迫切。尽早跟踪、评价和发展适用于国产民机的高性能碳纤维增强复合材料体系，是保障我国商用飞机结构技术水平和市场竞争能力的关键基础。