先进复合材料在航天动力系统的应用

先进复合材料在航天动力系统的应用（精选3篇）

先进复合材料在航天动力系统的应用 篇1

先进复合材料在航天动力系统的应用

http://www.cnfrp.net 发布日期: 2008-02-22 阅读: 63 字体:大 中 小

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１ 引言

火箭发动机是发射各种弹道导弹和航天飞行器的主要动力，是发展航天产业的基础。“发展航天，动力先行”是航天系统工程的标志之一，无论是固体火箭发动，还 是液体火箭发动机，都是用飞行器自身携带的推进剂作为工质，通过能量转换，把不同形式的能源中释放的能量转化为动能而产生推力[1]。因此，不断提升能源物质的能量和减轻发动机自身的重量成为航天动力系统发展的两条主线，从而带动了高性能复合材料技术的发展和在航

[1,2]天领域的应用，包括高性能树脂基结构复合材料、高温抗烧蚀复合材料等。

固体火箭发动机以其结构简单，机动、可靠、易于维护等一系列优点，广泛应用于武器系统及航天领域。而先进复合材料的应用情况是衡量固体火箭发动机总体水平的重要指标之一。在固体发动机研制及生产中，尽量使用高性能复合材料已成为世界各国的重要发展目标，目前己拓展到液体动力领域。科技发达国家在新材料研制 中坚持需求牵引和技术创新相结合，做到了需求牵引带动材料技术发展；同时，材料技术创新又推动了发动机水平提高的良性发展。目前，航天动力领域先进复合材 料技术总的发展方向是高性能、多功能、高可靠及低成本［2~4］。

作为国内固体动力技术领域专业材料研究所，西安航天复合材料研究所在固体火箭发动机各类结构、功能复合材料研究及成型技术方面具有雄厚的技术实力和研究水平，突破了国内固体火箭发动机用复合材料壳体和喷管等部件研制生产中大量的应用基础技术和工艺技术难关，为国内的固体火箭发动机事业作出了重要的贡献，同 时牵引国内相关复合材料与工程专业总体水平的提高。建所以来，先后承担并完成了通讯卫星东方红二号远地点发动机、气象卫星风云二号远地点发动机、多种战略 战术导弹复合材料部件的研制及生产任务。目前，西安航天复合材料研究所正在研制多种航天动力先进复合材料部件，研制和生产了载人航天工程的逃逸系统发动机 部件。2 国内外技术发展现状分析 2.1 国外技术发展现状分析

SRM发展至今，其壳体和喷管的基本设计原理一直未变[3,4]。固体火箭发动机的壳体作为一个薄壁压力容器，里面装有绝热层和固体推进剂。壳体材料的设计取决于它所承受的载荷、推进剂燃烧产生的内压，及它表面承受的 惯性力和空气动力。而发动机的喷管与壳体联接，把燃烧室中的高温、高压、高速燃气热能转变为动能而产生所需推力。由于发动机的喷管更多的暴露于热环境，喷 管区的设计必须能够承受推进剂燃烧产生的高温。40年前，喷管的温度仅有540 ~1100℃，而今天的喷管温度已高达3300~3700℃以上。与发动机壳体的设计不同，喷管材料的设计更注重材料经受剧烈温度波动的能力，而不是材料 本身的基本强度。由于新材料、新工艺以及新制造技术的发展，SRM的性能及用途取得了飞速进步。ＳＲＭ壳体及喷管材料的研制根据不同的应用向以下两个方向 发展：壳体材料的轻质化和喷管材料的抗烧蚀性能提高。图１简要说明了先进复合材料在国外典型战略武器固体火箭发动机中的应用。

2.1.1 结构复合材料

国外发动机壳体材料采用先进的复合材料，主气要方向是采用炭纤维缠绕壳体，使发动机质量比有较大提高。如美国“侏儒”小型地地洲际弹道导弹三级发动机（SICBM-

1、SICBM-

2、SICBM-3）燃烧室壳体由IM-7炭纤维/HBRF-55A环氧树脂缠绕制作，IM-7炭纤维拉伸强度为5300 MPa，HBRF-55A环氧树脂拉伸强度为84.6 MPa,壳体容器特性系数(pv/Wc)≥39 km;美国的潜射导弹“三叉戟II（D5）”第一级采用炭纤维壳体，质量比达0.944，壳体特性系数43 km，其性能较凯芙拉/环氧提高30％。

国外炭纤维的开发自20世纪８０年代以来，品种、性能有了较大幅度改观，主要体现在以下2个方面：

（１)性能不断提高。在20世纪70 ~80年代，主要以3 000 MPa的炭纤维为主，９０年代初普遍使用的IM7, IM8纤维强度达到5300 MPa，90年代末T1000纤维强度达到7000 MPa,并己开始工程应用。

（２）品种不断增多。以东丽公司为例，1983年生产的炭纤维品种只有4种，到1995年炭纤维品种达21种之多。

不同种类、不同性能的炭纤维满足了不同的需要，为炭纤维复合材料的广泛应用提供了坚实的基础。

芳纶纤维是芳族有机纤维的总称，典型的有美国的Kevlar、俄罗斯的APMOC均已在多个型号上得到应用，如前苏联的SS-

24、SS-25洲际导弹。俄罗斯的APMoC纤维生产及其应用技术相当成熟，APMOC纤维强度比Kevlar高38%、模量高20%,纤维强度转化率己达到75％以上。PBO纤 维是美国空军1970年开始作为飞机结构材料而着手研究的产品，具有刚性极强的线形伸直链结构。美国Bruswick公司用抗拉强度为5.5 GPa级的PBO纤维进行缠绕容器的综合研究，内径为250 mm的球形高压容器，实测平均爆破压强91 MPa,纤维强度转化率86%,容器特性系数65.2 km，与抗拉强度为5.65 GPa的T-40炭纤维缠绕容器相比(pv/W值为45.2 km），PBO性能要高31％。

此外，复合材料以其质轻的优势替代传统的金属材料获得广泛应用，典型的有复合材料发射筒、网格结构及各种压力容器。

国外复合材料导弹发射筒在战略、战术型号上广泛采用，如美国的战略导弹MX导弹、俄罗斯的战略导弹“白杨Ｍ”导弹均采用复合材料发射筒。由于复合材料发射 筒相对于金属材料而言，结构重量大幅度减轻，使战略导弹的机动灵活成为可能。在战术导弹领域，复合材料导弹发射筒的应用更加普遍。

网格结构的研究早在20世纪70年代就己开始，目前己有多种类型网格结构在航空航天领域用作战略导弹级间段，空间飞行器舱体、箭与卫星的对接框等不同部 件，如1997年美国空军菲利普实验室以自动化缠绕技术制作网格结构承力部件应用于飞机改制，加州复合材料中心将复合材料网格应用于航空喷气发动机，日本 研制的炭/环氧复合材料网格结构作为第三级发动机与旋转平台的级间段结构成功地应用在H1火箭上，见图２和图3。

从20世纪６０年代末开始，航天领域中以S玻璃和凯夫拉-49纤维复合的金属内衬轻质压力容器逐渐取代传统的全金属压力容器。美国在1975年开始了轻质 复合材料气瓶研制，采用S-玻纤/环氧、KeVlar/环氧缠绕复合材料气瓶。随着炭纤维性能提高及成本大幅度下降，炭纤维与低成本铝内衬制造技术相结 合，使得费用低、质量轻、性能高、可靠性好的高压容器的生产变为现实。2.1.2 结构/功能一体化材料

在国外动力系统喷管部件已趋向全炭/炭化，入口段与喉衬采用整体式多维炭/炭编织物，出口锥用炭/炭材料或炭布带缠绕制成，延伸喷管技术相当成熟。喉衬材 料方面，国外高性能惯性顶级固体发动机、星系固体发动机、战略导弹固体发动机，几乎全部采用3D、4DC/C复合材料喉衬。炭/炭扩张段主要应用于宇航发 动机及战略导弹上面级发动机。如美国研制的Star系列宇航发动机炭/炭扩张段，及ＭＸ导弹第三级采用炭/炭扩张段和二维延伸的炭/炭延伸锥，三叉戟Ｄ5 潜地战略固体导弹第二级采用了可延伸的炭/炭延伸锥。法国研制的炭/炭扩张段应用于西欧远地点助推发动机MageII号。俄罗斯炭/炭扩张段出口直径达 1.5 m,出口厚度2.8 mm，己应用于“起点一号”运载火箭上面钮等众多型号发动机。８０年代中期，法国SEP公司开发了厚度方向有炭纤维增强的在Novoltex炭/炭扩张 段、延伸锥技术。美国侏儒导弹第三级的炭/炭扩张段和延伸锥、雅典娜(Athena)运载火箭惯性顶级发动机Orbus21 HP、波音公司运载火箭Delta-III的第二级（RL1OB-2)和Ariane４运载火箭上面级液氢/液氧发动机HM7使用了SiC涂层的Novoltex炭/炭扩张段，见图4~图６。

表１列出了国外先进战略导弹武器中C/C复合材料的应用情况[4~12]。

近年来，C/C复合材料在可重复使用再入及高超飞行器、特种发动机的热结构上应用前景广泛，如航空涡轮喷气发动机中的涡轮盘、叶片、燃烧室、喷油杆和尾喷 管调节片等，航天飞机上的鼻锥和机翼前缘，冲压发动机的燃烧室内衬和喷管。当航空发动机推重比达到15~20时，其工作温度高达2000℃，要求材料的比 强度比目前高5倍，而发动机的重量在推重比10的基础上再降50%。在如此苛刻的条件下，目前除了C/C复合材料外的其他材料都己无能为力[13~16]。

美国F22、F100、F119军机和俄罗斯航空发动机上已经采用炭/炭制作航空发动机燃烧室、导向器、内锥体、尾喷管鱼鳞片和密封片及声挡板等。法国幻 影2000飞机发动机上己采用炭/炭制作的喷油管、隔热屏、鱼鳞片。此外，德国、俄罗斯和日本也试制了整体炭/炭涡轮叶片或涡轮盘，但这些航空发动机转动 件尚未进入实际应用阶段。此外，20世纪90年代初，美国已在实施将C/C复合材料用于超高速飞行器的飞机结构材料的计划，以实现飞行器全C/C复合材料 主结构的设计与制造。

高速、高超声速飞行器及可重复使用，运载器(RLV)是当前世界各军事大国的研究热点，从一次性运载火箭到部分重复使用的航天飞机，再到完全重复使用的航天运载器是未来发展的必由之路，军事和商业用途前景显 著。美国、日本、欧空局都制订和陆续实施了各自的发展计划，如美国从20世纪６０年代开始了X系列先进飞行器的验证试验；欧空局1994年开始相继启动了 未来欧洲航天运输研究计划（FESTIP）和未来运载技术计划（FLTP），发展和验证研制新一代欧洲运载器所需的技术；俄罗斯和印度也在积极进行研究和试验来确定未来高超声速飞行器和可重复使用运载器的发展方向。

新型航天器要实现高超声速飞行及可重复使用，结构轻质化及有效的热防护系统（TPS）是必须解决的关键性问题，这些关键技术的突破都与复合材料技术密切相 关。如NASA航天试验验证机X-33的鼻锥、面板等热保护系统采用抗氧化C/C复合材料，在高于2 500℃的条件下试验80s ；X-38飞行器襟翼采用全陶瓷复合材料，在迎风面整体温度达到1650℃,在两个襟翼之间的缝隙处温度峰值可达1830℃，X-38的紧急刹车盘和鼻锥 也采用抗氧化炭/炭材料。欧洲空间组织（ESA）的HERMES、MSTP, ARD、FESTIP、GSTP等空间飞行器项目以及德国超音速技术项目的再入飞行器防热／隔热系统大都采用了抗氧化CIC复合材料。CIC复合材料技术的关键性和先导性已成为美、俄、法等军事大国开展战略武器研制的基本共识，C/C复合材料的发展与现代宇航工业和空间技术的发展息息相 关，由于其军事用途十分明显，又处于材料科学前沿，近四十年来，关于材料、工艺、性能和应用研究的工作从未间断。性能表征和评价方法、工艺控制方法等共性 基础问题一直是CIC复合材料发展的研究重点，美国空军材料实验室的科学家DOnald.L.Schmidt指出，“CIC复合材料点燃了材料科学家和工 程师们把它作为一种未来高性能材料的想象力。然而，要把这种材料作为方案引入各种实际应用仍然是一种尝试性的富有挑战性的土作”。随着C/C复合材料在国 防上的不可替代性日益突出和应角领域日益拓宽，己经成为先进国家在高科技材料领域竞争的焦点之一。

表２列出了ClC复合材料在航天飞机等先进飞行器上的应用

2.2 国内技术发展现状分析 2.2.1 结构复合材料

国内固体发动机壳体已成功采用玻璃纤维及芳纶纤维。西安航天复合材料研究所还配合有关部门进行了国产芳纶纤维初步性能研究，有待于进一步加强工艺应用研 究，在炭纤维复合材料壳体研究方面进行了大量的预先研究工作，进行了¢1400mm、¢2000 mm炭纤维壳体研制。

在PBO纤维应用研究方面，西安航天复合材料研究所进行了初步的探索性研究，在PBO纤维表面处理、PBO纤维适应的树脂配方研究等工作都已取得了较大的进展，见图7和图8。

国内在轻质复合材料应用上也开展了相关研究。在复合材料发射筒研究方面，西安航天复合材料研究所及哈尔滨玻璃钢制品研究所进行了某型号导弹发射筒的研制，己成功地进行了多种地面试验和实弹发射考核。在飞航导弹复合材料发射筒研制方面，航天科工集团三院研制了长5.45 m，内径5O2 mm的导弹贮运发射筒。西安航天复合材料研究所、哈尔滨玻璃钢制品研究所等单位进行了网格结构材料初步应用研究，西安航天复合材料研究所同时针对网格结构 缠绕成型的特点开发了缠绕软件。上述工作为大型主承力网格结构实际应用奠定了良好的基础。总体来说，目前国内对网格结构的研究主要集中于理论方面，需加强 复合材料主承力网格结构应用技术研究，以提高国内空间飞行器的性能，缩短在该技术上与国外的差距，见图9。

西安航天复合材料研究所多年来一直从事复合材料压力容器研究工作，从早期的玻璃纤维压力容器，Kevlar-49压力容器到F-12芳纶纤维及炭纤维压力 容器，性能一直处于国内先进水平，S-II玻璃纤维压力容器的PV/W值达到20 km，F12芳纶纤维pV/W为38 km，T700炭纤维pV/W为40 km。2.2.2 结构/功能一体化材料

喉衬材料一直是固体火箭发动机材料应用研究的重点和关键。近20年来，ClC复合材料喉衬的研制和应用取得了很大的进展，西安航天复合材料研究所于70年 代末期建立起了X650 mm的毡基炭/炭喉衬研制生产线，80年代初又掌握了4D炭／炭喉衬研制工艺技术，通过工艺攻关，基本具备了大在金属内胆压力容器研制方面打成功地进行了 DFH-4卫星平台用50L炭纤维高压复合材料气瓶缠绕研制工作，己进入正样阶段。此外，西安航天复合材料研究所还成功研制了宇航员生命保障系统用容器和 多种环形及异形容器，在上述研究的基础上，将相关产品已应用到卫星、运载火箭和军用飞机上，具有十分重要的意义，见图10。

型战略导弹SRM各级发动机喉衬预成型体编织，CVD均热法、热梯度法，高压浸渍炭化，高温石墨化工艺的研制条件。西安航天复合材料研究所研制了与国际水平同步发展的各种类型炭/炭喉衬材料，其中4种炭/炭喉衬材料性能已达到

[12]同类材料的国际先进水平。

喷管扩张段、防热环技术是国内SRM技术中与国外差距最大的项目，大约落后20年左右，严重制约着国内战略、战术导弹武器的技术水平。国内大型喷管扩张段 /延伸段结构件材料目前主要采用采用炭/酚醛、高硅氧/酚醛复合缠绕绝热层及玻璃纤维/环氧缠绕结构层，耐温性与刚度比较低，限制了喷管热防护材料的进一 步发展，研制耐高温轻质的喷管结构材料成为必要。西安航天复合材料研究所己开展多项轻质炭/炭延伸段预先研究，先后成功通过固体及液体发动机地面热试车，承担的“863项目”研制的不同规格的炭/炭延伸段已先后多次成功通过液体发动机地面热试车，为航天动力系统的轻质化奠定了一定的技术基础。问题及建议

3.1 进一步加强复合材料的基础研究

复合材料经过了多年的发展历程，现己基本自成体系，无论在原材料、构件成型，还是工程应用等方面，国内外都已形成规模。但是，就国内目前的现状看来，几十 年的发展对于一种高新材料而言，远远不够，随着复合材料应用领域的扩展、使用条件的提高，所产生的高性能、低成本、多功能要求，有待于开展更广泛、更深入 地研究。

建议今后复合材料领域的研究工作计划围绕以下几方面展开：高性能复合材料进一步研制；复合材料低成本化研究；复合材料界面结构和性能的研究与控制；复合材料结构及工艺过程控制研究。3.2 进一步提高制造技术和制造工艺

尽管我国有许多材料的水平己接近甚至达到国际先进水平，但由于材料应用技术水平落后，制造工艺和制造技术差，造成复合材料结构件的性能差。因此，需要重视提高应用技术，开发先进制造工艺和制造技术。4 结束语

在航天动力技术领域，先进复合材料起着重要的作用。当前，复合材料技术的快速发展，使研制和应用高性能结构复合材料、结构/功能一体化的高温烧蚀防热材料 成为可能，先进的复合材料技术将给动力系统的研发提供强有力的技术支持，使发动机性能获得新的飞跃。将对我国武器装备的快速进步、航天事业的飞跃发展具有 举足轻重的作用。

新闻来源:刘勇琼,崔红,孟宇

先进复合材料在航天动力系统的应用 篇2

ACM的发展方向可以用“7化”来概括,即碳纤维低成本规模化;玻璃纤维高性化;高性能纤维杂混改性化;ACM应用领域扩展化;高性能树脂杂混改性化;结构设计实用化和制造装备现代化。

碳纤维在各工业领域的应用量及其份额是工业技术水平和先进技术民用化的标志之一,美国、日本、中国和世界整体碳纤维应用份额见表1。

未来5年中国碳纤维在各应用领域的用量、份额及其增长率变化见表2、表3[1]。

ACM的典型代表是环氧树脂基碳纤维复合材料,经过多年使用验证,环氧树脂基体以其综合性能优异、工艺性良好、价格低等诸多优点,在马赫数1.5以下飞机上的用量远远大于双马来酰胺树脂基体(BMI),以A400M、波音787飞机为例,复合材料分别占飞机结构重量的36%和50%,其中,复合材料结构居主导地位的一直是刚性双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂。如美国“三叉戟-1”、“三叉戟-2”导弹以及“飞马座”火箭采用的HBRF-55A配方就以E-PON826为主。多年来各国都在通过加入柔性单元改进环氧树脂的韧性,通过加入新型刚性链单元结构或使用芴型芳香胺固化剂来提高耐热性,并分别取得了预期的效果[2,3,4]。

单位:t,%

1 航空航天先进复合材料国外现状

先进复合材料的研究应用主要集中于国防工业。高性能树脂基复合材料,主要是碳纤维和芳纶纤维增强环氧树脂,多官能团环氧树脂和BMI。复合材料性能稳定,已大量投入应用,相当于T300/聚酰亚胺PMR-15性能的复合材料已研制成功,一批高性能的热塑性树脂基复合材料,如PEEK、PECK、PPS等正在从实验室走向实用。据介绍,先进复合材料构件正在由次承力件向主承力件过渡。在成型工艺方面,先进复合材料借助玻璃钢成型技术逐步实现由手糊到机械化自动化的转变。但总的水平与国外先进技术还有一定距离。

高性能聚合物基复合材料在航空航天工业的用量占其全部用量的80%。国内外先进复合材料在航空航天领域的应用情况见表4。

鉴于4,4’-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺(TGDDM)的性价比,该材料可能是最实用的高性能环氧树脂。TGDDM具有优良的耐热性,长时高温性能和机械强度保持率,固化收缩低,化学和辐射稳定性好,还可用于高性能结构胶粘剂,结构层压板和耐高能辐射材料。

1.1 A400M运输机[5]

1986年设计的C-17是上世纪先进大型军用运输机的典型代表,限于当时的水平,复合材料主要用于次要结构,如雷达罩、整流罩、操纵面、口盖、翼梢小翼蒙皮等。复合材料重约7258k,占该机结构重量8.1%。树脂基复合材料从非承力结构发展到次承力构件。在复合材料中碳纤维增强复合材料约占结构重量6%,玻璃纤维塑料、Kevlar纤维增强材料占2%。

欧洲EADS正在研究的A400M属于新一代大型军用运输机,在材料应用技术上有了一个新的飞跃,主要表现为先进复合材料占结构重量的35%~40%。与C-17不同的是,在A400M上,碳纤维复合材料用于一些主承力结构,而C-17的复合材料结构重量比仅为8%,且主要用于操纵面及次要结构。A400M的机身仍由传统的铝合金制成,但却开创了采用碳纤维复合材料制造大型运输机机翼的先河,机翼长达19m,令业界颇为瞩目。

在A400M运输机上,特别值得提出的是复合材料机翼,碳纤维复合材料占机翼结构重量比例高达85%,开创了使用复合材料为主要材料制造大型运输机机翼的先例。采用碳纤维制造的机翼,重量是同等强度铝合金机翼的75%至80%,并且不会产生金属疲劳,先进复合材料的广泛应用对于减轻结构重量相当有利。在A400M的复合材料设计和制造中,广泛采用了计算机辅助设计软件,如土耳其航空航天工业公司就使用美国维斯特吉公司的Fiber SlM软件来进行设计。土耳其航空航天工业公司作为空客A400M项目的签约合作方,在CATIAV 5CAD模拟环境中利用该软件为A400M运输机设计了副翼及扰流片等气动控制面。

A400M的机翼除前缘、前后缘支承结构及铰链采用铝合金外,其气动舵面、机翼蒙皮、桁条以及中央翼盒与外翼盒接头的某些部件也均为复合材料。但为了确保强度安全,A400M机翼与机身的接头采用钛合金制造并用螺栓以双钩环固定,以保证在断裂时有双余度保险。该机翼蒙皮与加强筋组成一体固定在碳纤维复合材料翼梁上,翼肋仍采用铝合金制造。因其主要受压应力,此时用复合材料与用铝合金并无大的不同。除机翼外,A400M的尾部货舱门、起落架舱门、整流罩以及螺旋桨也采用高强度复合材料来制造。目前,空客公司正在进行一项更为“大胆”的重要计划—研制全碳纤维复合材料机翼,并已制造出6.2m的翼盒验证件。A400M的T型尾翼设计为加强结构,并大量采用复合材料,碳纤维复合材料占结构重量比例高达97%~98%。垂尾主要由1个三粱主盒段、1个可拆卸的前缘、后缘隔板和一块方向舵组成,垂直尾翼的根部与后机身上一个机械加工的平直翼面连接。除了垂尾前缘和铰链,所有这些结构部件主要由复合材料制造。垂尾前缘是金属/复合材料的复合型部件,可改善抗冲击和防腐蚀性能,在垂尾翼尖装有预警保障措施短舱。方向舵是带铝合金铰链连接肋的碳纤维加强型结构,由两台液压伺服作动筒和一台电动马达驱动。A400M的垂尾面积较大,有着非常不错的航向稳定性。水平尾翼为铝合金中央结构翼盒和两个复合材料的外侧盒段结构,中央盒段为水平尾翼与垂直安定面的连接提供安装固定结构。水平尾翼两侧各有一块升降舵,其主结构也采用了碳纤维复合材料。

A400M运输机所用环氧基体碳纤维复合材其主要用于翼梁、纵梁、机翼箱型梁、升降舵蒙皮、气动舵面、机翼蒙皮、桁条以及中央翼盒与外翼盒接头的某些部件。

1.2 美国第四代战斗机F-22[6]

为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的要求,进入90年代后,西方的战斗机无一例外的大量采用复合材料结构,用量一般都在25%以上,有的甚至达到35%,结构减重效率达30%。应用部位几乎遍布飞机的机体,包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。如美国第4代战斗机F-22复合材料用量已达到24%,而EF2000更高达43%,EF2000除鸭翼外,机身、机翼、腹鳍、方向舵都采用复合材料,结构“湿润”表面的70%为复合材料。阵风也是如此,70%的“湿润”表面为复合材料,约947kg之重。F-35的复合材料几乎覆盖了整个飞机外表面。

1.3 无人战斗机

国外目前研制的无人机以复合材料和传统铝合金的混合结构为主。如“捕食者”“全球鹰”等均是如此。其中“全球鹰”的机翼和尾翼由石墨/环氧复合材料制造,而机身仍采用传统铝合金,复合材料占结构重量的65%。

无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。为满足采购政策、隐身性能、机动性、生存力对材料的特殊需求,为尽可能地降低结构重量、提高燃油装载量,无人战斗机结构的一个显著特点就是大量应用复合材料。以波音公司的X-45A为例,除机身的龙骨、梁和隔框采用高速切削铝合金外,其余的机体结构都是由复合材料制成。诺斯罗普·格鲁门公司的X-47A的机体除一些接头采用铝合金外,整个机体几乎全部采用了复合材料。

1.4 直升机

直升机采用复合材料不仅可减重,且对于改善直升机抗坠毁性能意义重大,因而复合材料在直升机结构中应用更广、用量更大,不仅机身结构,而且由桨叶和桨毂组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升机均大量采用了复合材料,如顷转旋翼飞机V-22用复合材料近3000kg,占结构总重的45%左右,法德合作研制的“虎”式武装直升机,复合材料用量更高达77%。

1.5 航天飞机

以NASA开发的第2代可重复使用航天飞机为例,油箱内衬为复合材料。在推进系统中将采用陶瓷基复合材料发射斜轨、金属基复合材料机匣以及树脂基复合材料涵道。此外还将采用复合材料电子设备舱。第3代可重复使用航天飞机将为一智能结构,具有自适应热防护系统及智能化无损检测装置,自愈合的飞机结构及表面。发动机材料将可能使用经冷却的复合材料、金属基复合材料加力燃烧室壳体、超高温复合材料。结构材料将包括超高温树脂基复合材料、低成本耐腐蚀热防护系统复合材料液氧油箱。

美国高超声速飞行器X-43是由超燃冲压发动机作动力装置的验证机。其油箱/机身由石墨/环氧框架及蒙皮组成。蒙皮外再覆以热防护系统。飞机上翼面热防护层为可剪裁的先进绝缘毡,下翼面为内多层屏蔽绝缘物。后者是正处于开发中的防热材料,由C/SiC外面板,中介陶瓷屏以及先进聚酰亚胺泡沫内衬。中介陶瓷屏覆以贵金属以降低其热辐射。机翼及垂尾由钛基复合材料制成,并有1个由二硼化锆制成的前缘。

1.6 巡航导弹和固体火箭发动机[7,8,9]

在火箭和导弹上使用碳复合材料减重效果十分显著。因此,采用碳纤维复合材料将大大减轻火箭和导弹的惰性重量,既减轻发射重量又可节省发射费用或携带更重的弹头或增加有效射程和落点精度。

利用纤维缠绕工艺制造的环氧基固体发动机罩耐腐蚀、耐高温、耐辐射、且密度小、刚性好、强度高、尺寸稳定。再如导弹弹头采用了环氧基及环氧酚醛基纤维增强材料。

在树脂基复合材料中,环氧树脂(EP)是巡航导弹弹体结构所用复合材料中最主要的基体材料,在所有树脂基复合材料结构中所占的比例高达90%。但随着飞行速度的提高,超声速巡航导弹研究的日益深入,目前树脂基复合材料的研究重点已由环氧树脂向BMI、聚酰亚胺(PI)树脂、氰酸酯树脂转移。Bryte公司最近开发了一系列氰酸酯树脂基体,玻璃化转变温度达335℃,短时工作温度达300℃,可以代替BMI和聚酰亚胺,氰酸酯树脂已成为未来结构/功能一体化的有力候选材料,可以作为超声速巡航导弹复合材料舵面和弹体通常选用的树脂。

耐高温树脂基复合材料是超声速巡航导弹弹体结构的主选材料,以BMI、PI树脂为主。目前国内的PI树脂存在着性能不稳定、工艺操作性差等诸多问题,难以成型大尺寸、复杂型面的复合材料结构,不宜作为超声速巡航导弹主体结构树脂。从美国雷锡恩导弹系统公司的经验来看,在近10年期间将把高温树脂基复合材料基体的研究集中于BMI,取代以往研究的PI,充分利用BMI的可加工性、低成本、易操作性。BMI树脂的耐温性能能达到300℃左右,完全可以满足低马赫数(≤2Ma)超声速巡航导弹弹体结构的需求。

耐高温有机树脂基透波复合材料体系中,美国研制开发的PI树脂和聚苯并咪唑(PBI)树脂及俄罗斯研制的改性酚醛树脂都具有良好的透波性能和工艺性能,已在宽频天线罩(HARM、ALARM、KP-1)上获得应用,使用温度达到600℃。

1.7 卫星和宇宙飞船[10,11]

宇航工业中除烧蚀复合材料外,高性能复合材料应用也很广泛。如三叉戟导弹仪器舱锥体采用C/EP后减重25%~30%,省工50%左右。还用作仪器支架及三叉戟导弹上的陀螺支架、弹射筒支承环,弹射滚柱支架、惯性装置内支架和电池支架等55个辅助结构件。由于减重,使射程增加342km。德尔塔火箭的保护罩和级间段亦由C/EP制造。美国卫星和飞行器上的天线、天线支架、太阳能电池框架和微波滤波器等均采用C/EP定型生产。国际通讯卫星V上采用C/EP制作天线支撑结构和大型空间结构。宇航器“空中旅行者”的高增益天线次反射器和蜂窝夹层结构的内外蒙皮采用了K-49/EP。航天飞机用Nomex蜂窝C/EP复合材料制成大舱门,C/EP尾舱结构壁板等。人造卫星使用碳复合材料制造卫星整流罩、展开式太阳能电池板,而宇宙飞船使用碳复合材料制造防热材料、太阳能电池阵基板和航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。

1.8 航空发动机

航空发动机使用碳纤维增强树脂基复合材料取代金属材料可以有效减轻发动机重量,降低燃料消耗,增加航程。有资料报道,发动机减轻1磅(0.454kg)重量,飞机则可减轻10~20磅重量。从70年代初,复合材料就成为TF39、F103特别是GE36UDF发动机研制计划的一部分,在这些发动机上积累了经验之后,在GE90的风扇叶片上成功使用了高性能韧化环氧复合材料。此外,在F119风扇机匣、遄达发动机的风扇机匣包容环及反推力装置上也广泛采用了树脂基复合材料。近期开发的波音787的动力装置GEnx的风扇机匣及风扇叶片,将由碳纤维/环氧树脂基复合材料制成。除减重外,复合材料还表现出良好的韧性及耐蚀性。至于陶瓷基复合材料等超高温复合材料,目前已在M88、F119等发动机尾喷管等静止件上获得应用。

随着飞行器向高空、高速、无人化、智能化、低成本化方向发展,复合材料的地位会越来越重要。国外预计,在下一代飞机上,复合材料将扮演主角,目前采用全复合材料飞行器的计划正处于酝酿之中。

1.9 民用大飞机

民用航空材料方面由于采用环氧基碳纤维增强材料,带来非常明显的性价比,欧洲空中客车公司提出更多地用轻质高强材料使机身减重30%,整个飞行成本可降低40%。空客的储备技术还说明,机身达到减重15%,成本可下降15%的目标。空客在使用复合材料方面一直走在业界前头,A380飞机约25%由复合材料制造,其中22%为环氧基体碳纤维复合材料,工程塑料基碳纤维增强塑料比重>1%。A380在后压力舱后部的后机身首次采用了复合材料和先进金属材料,使用这些复合材料减轻了机身重量,大大减少了油耗和排放,并降低了运营成本。再如波音B777飞机上采用碳纤维增强工程塑料量达9.9t,占结构总质量的11%。而波音B787飞机上采用环氧树脂基、双马来酰亚胺基体碳纤维复合材料和热塑性工程塑料,其用量达机重的50%。环氧树脂基、双马来酰亚胺基碳纤维复合材料主要用来制造机翼、机身、地楞横梁等部位的结构材料,内部装饰上也大面积使用了热塑性工程塑料。

2 中国航空航天的先进复合材料

2.1 先进复合材料的基体树脂

我国高性能复合材料应用于航空业已有20多年历史,目前军用歼击机用量达25%,直升机最高用量可达50%,民用客机也达到10%~20%,主要用于起落架舱门、内外侧副翼、方向舵、升降舵、扰流板等。

国内许多学者从事TGDDM环氧体系的研究与开发工作,并取得了较大成绩。特别值得指出的是,我国科技工作者经多年研究,开发了商品名为TDE-85的三官能团环氧树脂,其化学名为4,5-环氧己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯,其分子中含有2个反应活性高的缩水甘油酯基和一个反应活性与前者差别很大的脂环环氧基。该树脂是一种工艺性、耐热性均很优异的高性能环氧树脂。西北工业大学、哈尔滨玻璃钢研究所等单位用TDE-85环氧树脂为基体材料制作的复合材料,应用在某些有特殊需要的产品上已获得令人满意的结果。

2.2 韧性环氧树脂基体及其预浸料[12]

THC-400,THC-800系列,TH-30系列,THH系列,THF等是陕西太航阻火聚合物有限公司开发的专用于复合材料的耐烧蚀耐高温洁净阻燃韧性环氧树脂基体的特种树脂溶液,有一系列不同的分子量和独特的分子量分布。黏度低,易于浸润碳纤维,有特别优异的粘接性。同时对芳伦纤维,高硅氧纤维等玻璃纤维同样有优良的粘接性能,其复合材料耐温可达350℃左右,甚至更高。同时不燃,无烟,有优异的烧蚀性能和透波性能。碳纤维复合材料火箭发动机壳体用耐烧蚀耐高温洁净阻燃韧性环氧树脂基体及其预浸料可存放3~6个月。预浸料适用于模压、层压、热压罐多种工艺,也可缠绕,已成功用于航天产品的碳/碳材料的制造,火箭发动机的喷管、扩散段、天线罩、飞机部件的制造。汽车工业的新型碳纤维离合器,其使用寿命可达30万次,比发达国家高一倍,其模压复合材料力学性能见表5。所制造的碳纤维刹车片各种指标达到或超过德国标准。其玻璃纤维模压复合材料在不同频率下的介电性能和不同温度的机械性能见表6。

近年来,针对环氧树脂基体韧性不足、耐湿热性较差的问题,国内相关单位开展了多方面的改性研究,使复合材料冲击后的压缩强度达到了250MPa以上,复合材料饱和吸湿后120℃下的综合性能的保持率均与国外同类树脂体系相当。其多墙式复合材料层压板共固化、共胶接结构,全高度蜂窝夹层结构已在马赫数1.5以下的飞机上得到了工程化应用,并且有的复合材料结构经过了近20年的使用考核,质量情况仍然良好。

疲劳试验的结果表明,在给定的设计载荷下,复合材料结构件30年的飞行寿命是可靠的。使用经验表明,这类复合材料是一种性能优异的材料,它已逐渐开始走向成熟。环氧树脂体系对碳纤维品种适应性研究在国内也取得了成果,特别是国产碳纤维增强的环氧树脂基复合材料已通过了一系列性能考核。以NY9200环氧树脂体系为例,与纤维界面有关的复合材料0°压缩和面内剪切性能与国外同类纤维增强的环氧树脂基复合材料相当,界面破坏形貌基本相似,并开始进入飞机结构上的应用。

2.3 新型低黏度的二官能环氧基化合物[13]

在“九五”国家科技攻关项目“碳纤维复合材料火箭发动机壳体用高性能树脂基体的研究”项目支持下,针对“KN-1”型固体航天器和武器型号发展急需,针对碳纤维先进复合材料应用很广的芳香胺类固化的环氧树脂体系,设计合成了一种中间含有“柔性可旋转”链段的低黏度的二官能环氧基化合物,通过配方设计筛选,结合热、力学性能测试,开发了一种集韧性、耐热性及工艺都很好的环氧树脂基体。韧性环氧树脂基体配方在室温下黏度低,贮存适用期长,浇铸体热变形温度较高,断裂延伸率高达5.3%,其湿法缠绕成型的T-700碳复合材料具有界面粘接好,纤维强度转化率高达89.4%。<150mm压力容器水压爆破试验结果表明,该树脂基体工艺性能优良,压力容器特性系数pvw值高达40.1km。该种纤维复合材料发动机壳体(压力容器)主要性能指标达到了以美国国家宇航局NASA为代表的国际先进水平。可以用该改性树脂基体制造高性能碳复合材料发动机壳体。98-28A-01-17鉴定专家一致认为该改性树脂基体的研制成功,为我国航天航空用先进复合材料的发展起到了开拓性的作用[14]。

2.4 中国的第4代、第5飞机

中国第4代飞机J-14开始全比例模型风洞实验,见图1。中国第4代重型歼击机歼14“鹰隼”是一种全新的高性能、多用途、全天候的空中优势的战斗机。中国第5代飞机J-15、J-20和舰载战斗机正在研制,见图2和图3。

歼14“鹰隼”是单座双发、双V、总体布局形垂尾翼、菱形进气道的纵向一体化三翼面的气动布局。主要技术采用前掠式机翼,翼身融合的隐身设计,武器装载在机身的武器舱和推力矢量控制技术。机体的36%由碳纤维复合材料制成,钛64约占24%,钛62222占3%,钢占16%,铝合金占16%,热塑性复合材料大于1%,其他材料(包括涂漆、座藏盖、机头雷达整流罩、轮胎、刹车片、密封材料、黏合剂、气体、润滑油和冷却剂等)占15%。传统的钢和铝合金占的比重很小,而大量使用了钛合金和复合材料。

2.5 中国的巡航导弹和固体火箭发动机[6]

材料与工艺是导弹研制、生产的基础,对提高导弹武器的性能、降低其成本起着重要作用,当前的研究重点是高性能合金、复合材料、隐身材料及特殊结构和功能材料。其中,复合材料及其制造工艺特别重要。用高性能纤维及其编织物、采用增强基体,可以批量生产强度大、比重小的高级复合材料,而且应用部位已由次承力部件发展到主承力部件。战略导弹的固体发动机、仪器舱、弹头防热与突防结构、机动发射筒、各类战术导弹的防热结构等,都是典型的复合材料构件。

国内的巡航导弹结构复合材料发展水平与国外差距较大,但针对巡航导弹弹体结构特点近期发展了一系列树脂基复合材料新技术、新结构,牵引出以下3种树脂基结构复合材料新技术的发展:低成本整体成型复合材料、耐高温多结构特性复合材料、耐高温透波/结构复合材料。以上3种复合材料结构及技术具备显著的不同于航空结构的特点,集中了巡航导弹弹体结构的主要典型特征。

(1)低成本整体成型复合材料

在新一代亚声速巡航导弹的研究中,大胆采用了多种以整体成型为核心的先进复合材料成型技术,包括RTM共固化技术、RTM整体成型技术、整体模压技术等。巡航导弹复合材料舱段、复合材料整体弹翼、复合材料进气道油箱舱体一体化结构3种典型复合材料结构已成为主要发展方向。

(2)耐高温多结构特性复合材料

从该技术本身而言,国内无论是传统的热压罐、模压技术,还是新开展的RTM技术,相应的BMI树脂和成型工艺均很成熟,具备了工程应用的条件。在高马赫数飞行的巡航导弹弹体结构上,双马树脂基复合材料可以通过与外层热防护层相结合的方式组成耐高温多结构特性复合材料。其中的典型代表是双马-酚醛一体化复合材料,它在未来弹道-巡航组合式导弹结构上将发挥独特的作用。这种弹道-巡航组合式导弹的飞行状态包含了“再入”和“巡航”,打破了传统意义上战略和战术导弹的界限,要求弹体结构材料需要同时具备承载和耐热双重作用,双马-酚醛一体化复合材料中内层的双马复合材料作为结构部分,外层的酚醛复合材料作为烧蚀型热防护材料,整个结构一次RTM成型、共固化,避免了二者界面结合问题,是一种耐高温多结构特性复合材料,能充分实现结构耐热与承载的高效统一。是未来巡航导弹弹体结构的一个很有前景的研究方向。

(3)耐高温透波/结构复合材料

天线罩兼具透波和结构的双重功效,是重要的巡航导弹弹体结构部分。亚声速巡航导弹的天线罩已发展较为成熟,以环氧树脂为主。新的技术竞争点集中在以超声速巡航导弹为代表的高性能耐热、宽频透波天线罩。

中国的巡航导弹采用环氧树脂、双马-酚醛一体化[15]基体碳纤维复合材料制作巡航导弹的弹头、巡航导弹复合材料弹翼、舱段、进气道油箱舱体一体化结构、天线罩、头舱、前设备舱、后设备舱、尾舱等。

3 中国的民用大飞机C919

中国研发的碳纤维织物增强5224环氧树脂基复合材料结构已经在直升机上得到了大量的使用,单向碳纤维增强的NY9200环氧树脂基复合材料结构在近400架飞机上应用,另外,在飞机结构上开始采用的BA9916和5228环氧树脂基体系,这些应用所沉淀的工程经验均可以为国内大型飞机复合材料结构选材提供有益的参考和借鉴。

3.1 C919的进程和基本现状

C919和空客A320、波音737外形相似,与C919竞争的机型是占据中国航空市场半壁江山的波音737和空客A320,然而,如果要论承载旅客的数量和载重的真正之“大”,波音787飞机和空客A350才是与C919持续竞争的两款双通道飞机机型。

而由中航承担中国民用航空大飞机80t级的C919飞机零部件也在加紧生产中,将如期交付中国商飞集团。C919与空客A320、波音737最大的区别在机头,传统的机头是由正面两块以及侧面4块挡风玻璃组成,而C919少了侧面两块挡风玻璃,国产大飞机的机头更具流线型,能减少阻力,同时驾驶员在驾驶舱的视野也比传统的机头更加宽阔。从这一点就可看出,国产大客机将更强调省油和经济性。C919的确拥有很多优势。C919从机头、机翼到机尾、发动机,在设计上都费尽心思,尽量减小阻力,有效降低油耗。在使用材料上,C919将采用大量的先进复合材料,如铝锂合金、钛合金等,其中复合材料使用量将达到20%,再通过飞机内部结构的细节设计,把飞机重量往下压缩。

C919大型客机2014年首飞,2016年完成适航取证并投放市场。2010年底的珠海航展上,中国商飞与中国国际航空股份有限公司等签署了C919客机启动用户协议,总共获得了100架C919大型客机启动订单,标志着C919客机已被主流市场所接受。100架C919飞机使用的复合材料将超过1600t。

3.2 中国大飞机C919及其复合材料市场预测

我国军用飞机、支线飞机ARJ21以及大型商用客机项目的开展和我国航天事业的发展,CF复合材料的用量会不断增加。2010年总需求300t碳纤维,到2015年将需求碳纤维800t。航空航天碳纤维复合材料将达到1600t。配套环氧树脂或乙烯基树脂800t。我国的航空航天和民用大飞机复合材料占碳纤维复合材料总需求量的3.7%。未来5年发展趋势预测见图4。图4预测,只是与100架C919订单完成交付相符,并没有包括未来5年我国军用飞机和航天复合材的发展预测。

C919市场前景看好。中国未来还需要2000~3000架的单通道飞机。到2029年,全球共需要30230架干线和支线飞机,其中双通道飞机6916架,单通道飞机19921架,涡扇支线飞机3396架,总价值近3.4万亿美元。预计到2029年中国市场需要3750多架大型客机。20年内将售出超过2000架C919,复合材料需求量将超过3.2万t。

2008~2017年需要通用飞机近5000架,约占全球总需求量的12%,其中有21%是公务机,其余79%是通勤、作业、培训和运动等用途的飞机。复合材料需求量将超过8万t。

4 结语

我国现在开始抓飞机复合材料的预研,当然有利于缩小与世界先进水平的差距。但是从长远来看,要从根本上解决我国民机技术上的差距,还得从解决我国民机技术长期落后的3个原因做起,即要加大民机研制的频度、成立专门的民机研究所、建立科技转化生产力体制机制的航空工业最佳模式。

随着国际经济环境发生深刻变化,国内外企业都比以往更加注重中国内地市场的开发,更多的海外企业希望拓展中国市场。先进复合材料技术不断发展更新,其应用领域不断扩展,并在能源、电子、汽车、建筑、桥梁、环境和船舶等领域扮演着越发重要的角色,同样给建造者带来越来越多的好处。

先进复合材料在航天动力系统的应用 篇3

一、碳纤维复合材料的优势

碳纤维与其他复合型材料相比较，自身重量更小，并且可以根据不同的使用需求对材料进行成型处理。在对航空航天领域的成品重量进行计算时，发现使用碳纤维复合材料后与同等体积的零件相比较，自重降低了500公斤。这更加验证了碳纤维材料的发展优势，飞机等航天设备自重减轻后，能够减少运行期间的油耗，对飞机外部机构也能起到保护作用。虽然碳纤维自身重量很小，但在使用过程中能够承受高温带来的影响，材料自身性质不会轻易变化，为飞机等航空航天设备的运行提供了稳定保障。

除上述优点外，碳纤维材料还具有优异的承载性能，其强度可以达到钢材料的5倍以上。这一点是其他材料很难达到的。飞机在起飞期间，需要较大的初始速度，达到一定速度后才能够顺利起飞。飞机在行驶期间也会承受空气摩擦带来的压力，因此对外层材料耐高温性能的要求极高。经过测试了解到，碳素纤维能够在2000℃的高温环境中保持性质不变，结构形状也不会发生改变。并且碳纤维化学性质稳定，不容易被氧化，应用在航天设备的外部结构中，也不会被轻易的腐蚀，这种性质也是传统复合材料中不具备的。这样能够保护飞机安全，使用解读阶段外层结构不会变形，制造成本方面也有明显的降低。

二、碳纤维的发展

大型飞行设备的自重问题一直是航空航天领域研究的重点内容，减轻飞机的自重能够更准确的控制制造成本，飞机飞行的速度也会有明显提升。因此在大型飞机制造领域中最先提出了碳纤维复合材料的理念。但此类材料技术最早研发的领域并不是航空航天，随着技术逐渐进步完善才被应用到高科技生产环节中。

制作碳纤维混合材料时，要考虑材料使用后复合的部分。最常见的是将碳纤维与树脂材料进行符合，这样成本的化学性质更稳定，并且在优点上能够互相结合，在航天飞行设备中应用广泛。碳纤维只是应用在飞机制造的部分结构中，完整的制造流程还需要金属复合材料的应用，如果的碳纤维复合材料已经能够实现与金属材料完美衔接，不对使用阶段造成影响。

三、碳纤维复合材料在航空领域的具体应用

作为一种新型的复合材料，碳纤维强度高自重小，在航空领域中以不同种形式被应用。大型客机与直升机应用最广泛，根据调查结果显示，目前应用在民用飞机中的碳纤维复合材料已经得到了80%。即使是在军事领域中也高达40%。这一数据结果表示新型材料已经得到了很好的落实，下面将针对材料应用过程中存在的不同形式进行分析。

1、碳纤维复合材料

首先是纤维复合型。自重非常小，火箭制造方面常常会使用到，能够满足高速运行状态下对材料耐高温的需求。用碳纤维复合材料制作的火箭，可以将推动力转化为运用动力，并且不会产生过大噪音。与同体积的复合材料相比较，能够减少大量的动能损耗。在飞机制造过程中应用这一技术，材料密度最大能够提升23%，对飞行速度的促进作用也不容小视。速度得到了提升，但对油品的消耗量并没有因此而增大，甚至还有明显的减少。在飞机的最外层结构中应用广泛，军用飞行设备要求体积小，飞行速度快，并且外层材料要牢固耐用。针对这一需求，碳纤维复合材料在高温成型技术帮助下完成了目标，设计制造的设备应用成本更少，整体体积也有明显的减少，能够在短时间内提升速度，外形材料在高温状态下不会受到影响。

2、碳/碳复合材料

碳/碳复合材料中加入了纤维物质，属于碳纤维材料的增强版，继承了石墨材料的优点，化学性质更稳定，使用过程中也不会受到其他物质的污染，根据不同使用方向，可以在原料中添加一些化学成分。将其制作成需要的部件形式，通常也是在热处理条件下来实现的，具有极强的可控性，一次成型后坚固耐用。机翼部分在使用中需要承受大量摩擦，一旦材料耐高温性能差便会发生形变，飞机不能正常行驶在空中，引发严重的安全事故。因此在制造过程中都会对材料高温环境中的变化进行观察，选定自重合理的材料。经过多次测试实验，发现碳/碳复合材料能够符合这一要求，并且制造成本也不会有明显的增多。

四、我国碳纤维复合材料发展现状

航空航天领域是世界碳纤维的传统市场，航空器中碳纤维复合材料的使用量未来几年将以年均12%的速度继续增长，估计将从2008年的8200吨增加至2010年的1万吨以上，2012年可达1.3万吨。碳纤维复合材料约占空客A380飞机35吨结构材料中的20%以上，包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁。波音787中结构材料有近50%需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料，包括主机翼和机身。金属结构材料采用碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量，而且还可以保证不损失强度或刚度，大大提高了燃油经济性。新一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。

现阶段我国的国际竞争力在不断地增强，但是现实中存在的问题是，我国的碳纤维复合材料的发展并不能满足现实生活中的需求，作为航天航空领域的重要支柱，碳纤维复合材料的生产和研究直接关系到我国高新技术产业尤其是航天航空产业能否占领世界的科技技术前沿，因此国家的大力扶持起着相当重要的作用，不仅仅是要在资金上给予帮助，更要创造良好的环境来促进发展。在政策上给予支持，在资金上给予帮助，培育一批具有超强竞争力的企业，只有这样我国的碳纤维复合材料才能在国际上占有重要地位，才能在日后的国际竞争中处于优势。这对于我国航天航空事业的发展有着重要的作用。

小结：在全球化经济不断加速的今天，国与国之间的联系Et益紧密，相互之间的技术交流和技术竞争也在不断加强。我国在碳纤维复合材料上的发展确定了举世瞩目的成就，但是在发展中也存在着一些问题，产品质量处于低层次，生产成本过高，能耗较大，环境污染大等，因此在Et后的发展中一定要高瞻远瞩，制定好长期的发展规划，才能更好促进产业的更新研究。