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摘 要 碳纤维在航空领域应用已经有将近50年历史，对于业内人士而言，民机、军机用碳纤维型号或许略知一二，如最早用于航空领域东丽T300碳纤维，后来逐渐被更高强度、更高模量的T800代替。 近期也读到一篇文章介绍国外民机采用了T800/3900，即碳纤维选择了东丽T800、基体为3900牌号环氧树脂。其实T800/3900在国外民机军机的确均有应用，但却已经属于过去时，因为新一代航空用碳纤维复合材料已经出现。 为了使国内业内人士掌握国外航空领域用材料体系的发展，本文以美国Boeing公司发布信息为蓝本，深度解密国外民机、军机领域用碳纤维的具体型号以及基体树脂的牌号，以期为国内航空发展提供一定参考。 碳纤维出现之前，玻璃纤维、硼纤维曾短暂用于航空用复合材料，但由于玻璃纤维性能有限，硼纤维成本高、难度大等限制其应用。 1970年代，PAN基碳纤维出现后，以日本东丽T300、美国Hexcel赫氏AS4为代表的碳纤维，以934、3501-6型环氧树脂为基体的复合材料最早用于军机F-14、F-15（第三代战斗机）上。 随后在1980年代，该型材料开始应用波音737、757等民机，以及美国麦克唐纳.道格拉斯公司和诺斯罗普公司生产的F/A-18A-D“大黄蜂”战斗机上。 整体而言由于碳纤维性能有限，如拉伸强度低于4500GPa、拉伸模量仅为230GPa，而且树脂体系也呈现脆性，因此主要用在飞机的次级结构部件领域，如整流罩、天线罩等。 1990年代，日本东丽T800H碳纤维广泛进入航空领域市场，其拉伸强度与T300相比，拉伸强度提升了近2000MPa、拉伸模量也提高了60GPa。 与之相比，虽然赫氏IM7型碳纤维模量略低为276GPa，但是强度优势也比较明显，达到5654GPa。 日本东丽公司除了T800H产品外，还生产一款拉伸强度5880MPa的T800S型产品，性能更高、成本更低，因此后期部分型号上采用东丽T800S碳纤维逐渐替代T800H。 对于树脂体系，依然以热固性环氧树脂为主，但是经过增韧改性，从而使性能获得显著提升，与东丽T800、赫氏IM7搭配使用环氧树脂包括：8552、3900、977-3等。 2000年前后，大量热塑性树脂基复合材料获得应用，如PPS、PEI、PEEK、PEKK等树脂均实现了航空领域结构件应用。 环氧树脂体系则有了进一步发展，以5215、5250-4、5320-1等为代表的高性能环氧树脂获得型号应用。 1990年代，高强中模碳纤维增韧环氧树脂复合材料首先在F-22、F/A-18E-F等战斗机上获得应用；2000年后开始广泛应用在A380、B787民机上。 2010年前后美国赫氏公司推出了IM8、IM10等超高强中模碳纤维，使其成为了新一代航空碳纤维首选。 赫氏IM8、IM10型碳纤维拉伸强度分别高达6067、6964MPa，而拉伸模量也达到310GPa；而日本东丽直到最近两年才实现T1100G碳纤维商业化，该纤维拉伸强度7000MPa、拉伸模量324GPa。 由于新一代航空碳纤维性能已经达到前所未有的高度，对于增强基体，则出现了可定制聚合物基体，即可根据产品性能要求设计基体性能；而关于下一代环氧树脂尚未有明确性能指标。 从上述民机军机用碳纤维复合材料发展不难看出，只有当碳纤维复合材料在军机领域先获得应用之后，才逐渐大量推广到民机领域；也就意味着以IM8、IM10以及T1100G为代表的新一代碳纤维，势必会成为下一代民机军机最重要的增强材料。 航空领域用碳纤维复合材料中碳纤维型号、树脂牌号、成型工艺、主要应用民机军机型号等详细参数信息如下图所示。 航空领域用碳纤维型号及树脂牌号的发展 纵览国外民机军机碳纤维及树脂材料发展历程后，再反观国内，目前国内航空领域已定型使用的碳纤维性能仅仅相当于国外第一代碳纤维水平，即高强度标准模量级碳纤维，因此，与国外碳纤维在航空领域应用技术仍然存在30多年差距。 但事实上国内在第三代航空用碳纤维性能已经实现关键技术突破，如目前中科院宁波材料所在中试平台已经实现第三代航空用碳纤维连续化稳定制备，经专业机构检测拉伸强度6.0GPa、拉伸模量321GPa（相当于赫氏IM8），而第三代航空用碳纤维规模产业化技术在加速推进中。 如何加速国产第三代航空用碳纤维在航空领域应用技术，有效缩短与国外水平差距？国外航空领域用碳纤维发展已经给我们提供很好的模板，如可以在新一代航空飞机的结构设计中，选择纤维用量较少的典型结构件、关键结构件，利用国产化的碳纤维与树脂材料体系提前开展技术和典型验证，最终碳纤维实现产业化后再进行大规模替代；除了碳纤维必须国产化，国产树脂材料和复合材料成型技术也尤为重要，因此，开展小批量国产纤维验证的同时也会有力带到国产树脂材料和第三代航空复合材料成型技术发展。 近期本公众号针对碳纤维在航空航天、轻量化汽车、高压储气瓶等领域的应用及关键技术进行了详细阐述，但众所周知，碳纤维已经进入到我们生活中的方方面面，如桥梁工程中获得应用。 作为高端产品的碳纤维是如何进入民用工业的，围绕碳纤维索具材料（如碳纤维钢索、碳纤维电缆等）的发展史，本公众号将详细揭晓，碳纤维钢索、电缆等材料如何在土木工程、海洋工程等领域发挥作用，明晚22:00，文章更精彩，敬请期待…… （欢迎分享，转载请注明出处） |
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