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干货·详细解密碳纤维复合材料在欧洲国防工业中的应用

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碳纤维复合材料作为航空航天、国防工业等领域关键原材料,会对国防安全产生一定影响。本文依据欧盟发布的欧洲国防工业用原材料体系一文,详细分析了碳纤维复合材料在欧洲不同国防工业中的应用。

碳纤维复合材料在战斗机、海洋巡逻机、武装直升机等领域应用越来越广泛,尤其是军机中碳纤维复合材料逐渐增加。国防工业领域用碳纤维以航空级高性能碳纤维为主,但是欧洲采用高性能碳纤维多由美国和日本企业提供,因此高度依赖国外关键原材料也使欧洲存在一丝隐忧。

1 欧洲国防工业材料体系概述

在欧洲国防工业领域需要专业的高性能加工材料,2016年欧盟对欧洲国防工业中原材料体系进行了梳理,确定了制造国防武器先进材料所需的39种原材料,其中约一半材料100%依赖欧盟以外国家的进口。

在欧洲国防工业所需的关键原材料供应国家中,中国占比高达34%,位列首位(图1)。以稀土材料为例,2010年中国对稀土元素实施出口限制后对欧洲工业冲击巨大,因为当时中国稀土出口量占全球97%。

图1 欧洲国防工业原材料主要供应国家及占比情况

在重量轻和其他性能优势(例如高刚度、高强度)的推动下,碳纤维复合材料有望成为未来几年国防工业尤其是军事航空应用中增长最快的部分。图2为2015年M&M发布的全球军用航空飞机材料体系的市场份额报告,复合材料市场价值占比达到26%。

图2 全球军用航空飞机材料体系份额,左图为市场容量,右图为产值

同样是在M&M发布报告中指出:碳纤维复合材料在军机中应用比例越来越高(图3),报告中欧洲台风战机复合材料使用率可能低于50%(有消息称台风战机70%的外表面是由复合材料制成的,复合材料总结构重量实际约为30%)。

图3 全球不同型号军机中复合材料用量

2 碳纤维复合材料在欧洲国防工业应用

碳纤维复合材料种类较多,如碳-碳复合材料、碳纤维树脂基复合材料、碳-陶复合材料等均在欧洲国防工业中实现应用,不同种类的碳纤维复合材料在国防领域的具体影响如下表1所示。

表1 碳纤维复合材料在欧洲国防工业中的应用

2.1 碳纤维复合材料在国防飞机中的应用

碳纤维复合材料在欧洲战斗机、运输机、海洋巡逻机、无人机等主要应用于机身系统和推进系统(表2)。对于机身系统以碳纤维增强环氧树脂基复合材料为主,而推进系统中大多采用了碳/碳复合材料。

表2 碳纤维复合材料在欧洲国防飞机中的应用

碳纤维/环氧复合材料因轻质高强特性已逐渐取代了以前由铝合金,该复合材料还具有优异的强度重量比、刚性、机械性能、抗疲劳性、耐腐蚀性能。尽管如此,它们仍存在许多缺点,例如有限的耐冲击性、较低的电导率,以及在高湿度环境下对老化的敏感性提高。

图4显示了法国达索航空公司生产的阵风战斗机不同部件所用的部件和原材料,机身、机翼和尾部采用了碳纤维/环氧复合材料,而发动机喷嘴采用了碳碳复合材料。

图4 法国达索航空公司阵风战斗机原材料

碳纤维复合材料在欧洲作战和多用途直升机中应用如表3所示,碳纤维在机身、动态部件和电子系统中均有一定应用。

表3 碳纤维复合材料在欧洲直升机中的应用

2.2 碳纤维复合材料在潜艇中的应用

表4和图5分别显示了碳复合材料在潜艇中领域,以及潜艇中所需原材料体系。

表4 碳纤维复合材料在潜艇中的应用

图5 潜艇中所需原材料体系

除了上述应用以外,碳纤维复合材料在军用坦克、护卫舰、海上巡逻船、导弹、哨塔守卫等欧洲国防领域也有特定应用,在此不一一详述。

3 未来发展分析

表5显示了碳纤维复合材料在欧洲国防飞机中每年的需求量预测,估计用于生产战斗机和重型运输机的碳纤维/环氧复合材料的年需求量约为欧洲航空业复合材料总需求量的6%。

表5 碳纤维复合材料在国防飞机中的需求量估算

此外,军用战斗机应用还需要其他高等级的碳纤维和不同的树脂,而这些产品的生产量很小。根据CEIS预测,欧盟是军用飞机航空材料的主要进口国,考虑到欧盟内部都使用了欧盟所有的航空材料的内部生产,估计这些材料的进口依存度为20-43%。

尽管在民用航空飞机空客A350驱动下,欧洲已经建立了大型复合材料生产公司(如Hexcel Corp.欧洲生产工厂),而且欧洲也有西格里碳素、索尔维等碳纤维企业,但欧盟缺乏航空级碳纤维及其前体的主要制造商,因此,目前为欧洲国防工业提供高性能碳纤维产品的企业只有三家:美国赫氏、日本东丽和日本帝人。

由于欧盟缺乏像美国赫氏、日本东丽等生产航空级碳纤维的制造商,而有关材料类型及其在国防应用的信息有限,而且公开文献较少,影响了关键型号升级换代;比如,当空客A350与波音787飞机存在竞争时,欧盟其实已经意识到关键材料受限将会对未来工业尤其是国防工业产生的重要影响。

来源:中科院宁波材料所特种纤维事业部

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来源:碳纤维生产技术
疲劳复合材料航空航天电子海洋材料工厂无人机
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首次发布时间:2024-07-18
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关注·日本碳纤维市场发展模式

本文摘要:(由ai生成)日本碳纤维产业瞄准高技术产业,东丽、帝人东邦和三菱人造丝主导研发,产品系列化且性能领先。东丽公司T系列、M系列及MJ、MX系列碳纤维在航空航天领域广泛应用,帝人东邦和三菱人造丝产品性能逐步提升,但仍与东丽存在差距。日本发展碳纤维产品主要瞄准高技术产业,主攻民用航空航天市场。民机产品类型多样、竞争激烈,更新换代速度快,推动日本碳纤维产品“小步快跑”,系列化发展,其产能、性能、价格等方面都领先于美国。日本碳纤维研发和创新由企业主导,主要厂商是东丽、帝人东邦人造丝和三菱人造丝这三家公司。其中,东丽公司的研发实力、质量和产能都处于世界领先地位,其碳纤维产品的全球市场占有率达30%以上,帝人东邦人造丝公司和三菱人造丝公司两家合计约占全球的40%。 日本东丽 该公司生产的碳纤维主要有T系列(高强型T300到T1100G)、M系列(高模型M30到M70)、MJ系列(高模改进型,M40J到M70J)和MX系列(高模改进型)。其中MJ、MX系列是该公司在高模量碳纤维M系列的基础上,突破技术瓶颈后开发出的新产品。 高强T系列产品:主要用于机翼、机身等对强度有高要求的航空航天结构部件。 发展态势: 一是第二代产品成熟应用。 20世纪80年代开发了第二代T700、T800、T1000高强中模碳纤维系列。 目前, T800(拉伸强度5.88GPa,模量294GPa)是航空航天等领域应用最广的商用碳纤维,大量用于A350和B787客机的机身和机翼等部件,第一代T300已逐渐被淘汰。 二是新研第三代T1100G,全面超越二代产品。 2014年3月,东丽宣布研制成功T1100G碳纤维(拉伸强度7GPa,模量324GPa),标志着日本的碳纤维产品跨入高强高模的第三代。 2017年3月,该公司突破树脂和上浆工艺,推出其配套的T1100G/3940环氧预浸料。 这种最新的预浸料与第二代的T800/3900-2预浸料相比,拉伸强度和抗冲击性能均提升30%。 这种新型的碳纤维复合材料或可使部件减重20%,在机翼、机身、发动机等结构部件上有良好应用前景。 高模M系列产品:主要用于对刚度有高要求的航空航天结构部件,特别是直升机旋翼、卫星和导弹壳体等对于强度要求稍低,变形要求高的部件。 发展态势: 一是扩展到了MJ系列。 20世纪80年代中期,为适应航空航天主承力结构件高强高模并重的需求,在70年代M40、M50等高模型碳纤维系列的基础上,相继开发了M40J-M60J等高强高模型“MJ”系列产品。M65J拉伸强度为3.63GPa,模量可达640GPa,M70J拉伸强度为3.5GPa,模量可达680GPa。 二是MX系列横空出世,强度大幅提高。 2018年11月,东丽新推出MX系列产品。 该系列是通过严格控制石墨化过程的纳米级石墨晶体结构,将拉伸强度和拉伸模量并行提高到新的高度。 首个MX系列产品是M40X,拉伸强度5.7GPa,拉伸模量达377GPa,拉伸强度比M40提高约30%,同时保持了与其相当的拉伸模量。 东丽公司计划推出含有MX系列碳纤维的预浸料,其拉伸强度、抗压强度和抗冲击性能将得到显著改善。 帝人东邦 帝人公司根据碳纤维模量将其产品分为标准模量(在航空航天中已逐步淘汰)、中模量及高模量三大类。 该公司目前性能最好的中模产品是IMS65,其性能与东丽T800相当; 性能最好的高模产品是UMS40、UMS45,其性能与东丽M40J、M50J相当,与东丽M70J、MX系列产品还存在较大差距; 目前仍未推出第三代高强高模产品。 三菱造丝 三菱人造丝公司的碳纤维产品可按模量划分成高强低模、高强中模、高强高模和高模系列。 高强低模代表产品有HT-TR30、HT-TR50,其中HT-TR30相当于T300性能水平,HT-TR50相当于东丽T700性能水平; 高强中模代表产品有IM-MR60(性能介于东丽T700~T800之间,接近T800); 高强高模最新产品是IM-MR70,拉伸强度可达7GPa,模量达324GPa,性能与T1100G相当。 高模系列产品与东丽差距较大,最优产品HM-HS40仅相当于东丽M40J水平。 来源:中国航空研究院特别声明:公 众号部分文章和图片来源于网络,发布的目的在于传递更多信息及分享,并不代表本公 众号赞同其观点和对其真实性负责,也不构成任何其他建议。版权归原作者所有,任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议,请第一时间联系我们,我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公 众号稳定发展,本公众 号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公 众号只提供发布平台,对广告内容的真实性或有效性不做评价,请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公 众号无关,特此声明。来源:碳纤维生产技术

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