文献·国内外碳纤维复合材料及结构供应与制造现状

本文摘要：（由ai生成）

航空复合材料特别是碳纤维树脂基复合材料因其高比强度、高比模量、良好的耐疲劳和抗腐蚀性能，在航空领域的应用日益广泛。全球碳纤维市场主要由日本东丽、东邦、三菱丽阳，美国赫氏、氰特，德国西格里等企业主导。中国碳纤维产能虽大，但高性能航空用碳纤维发展起步晚，产能有限。

引        言

 

       复合材料不论是纤维还是基体都有繁多的种类，由它们组合而成的复合材料种类更多。而航空复合材料需要拥有比一般复合材料更好、更稳定的性能。如今，碳纤维树脂基复合材料比强度和比模量高，材料性能的可剪裁性好，成型工艺具有多选择性，以及良好的耐疲劳性能和抗腐蚀性能等，能够满足航空工业对于飞行器安全性、经济性、舒适性和环保性的需求，已在航空领域广泛应用。碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升机上的使用量已占70% ～80%，在军用飞机上占30%～45%，在大型客机上占35%～52%，在无人机上占 90% 以上。

       而材料及其结构制造工艺是航空复合材料结构中至关重要的一环，直接决定了产品的质量，也对成本有很大的影响。复合材料的材料形成和结构成型同时完成， 使得复合材料的结构性能对成型工艺比较敏感，材料的性能也是通过成型过程赋予到结构。制造工艺中的问题可能导致产品缺陷、尺寸偏差，进而引起结构力学性能、寿命和装配性下降，甚至报废。此外，复合材料结构的制造成本一般占总成本的 75% 甚至更多，足见复合材料的制造技术对成本的影响。所以，材料与制造工艺是航空复合材料应用的关键。

       本文主要介绍国内外主要航空复合材料的供应商和部分复合材料结构的制造商，分析国内与国外复合材料供应商和制造商之间的差距，并对我国复合材料及其制造技术的发展提出一些建议，供国内复合材料产业部门参考。

1、国内外碳纤维公司分布

 

       碳纤维是由有机纤维经过一系列热处理转化而成的脆性材料。现在只有聚丙烯腈 ( PAN) 基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维可以实现规模生产，其中 PAN 基碳纤维不论是力学性能还是应用范围都优于粘胶基和沥青基碳纤维，其产量也远超后两者，并且研发出了高强度、高模量和高强高模三大系列约 30 个品种。全球范围内拥有 PAN 原丝、PAN 基碳纤维、织物、预浸料、单向预浸带、片材至复合材料制品全套产业链的企业主要有日本东丽 ( Toray) 、东邦 ( Toho Tenax) 、三菱丽阳 ( MＲC ) ，美国赫氏 ( Hexcel) 、氰特( Cytec) 以及德国西格里集团 ( SGL) 等。其中，日本东丽生产的碳纤维，无论品质、产量，还是品种均居世界前列。图1为2017全球碳纤维理论产能的区域分布情况。

图1 2017全球碳纤维理论产能（单位：千吨）

       2017年世界碳纤维版图是：欧美企业主打大丝束与新兴市场，而日本企业主打小丝束与传统市场，所以 2017 年的世界格局是大小丝束与新老市场的混业经营。东丽旗下的匈牙利和墨西哥基地有望超过中国台湾、韩国，成为国际重要碳纤维产地。表 1 给出了 2017 年全球主要公司碳纤维的理论产能。

       我国 2017 年理论生产能力为 26000 t，主要的碳纤维生产企业理论产能见表 2，其中销量大约是 7400 t， 销量 /产能比为 28. 5% 。国际的销量 /产能比为 57. 2% ，去除中国外，其他国家的销量 /产能比为 63. 4% 。所以，对于国产碳纤维企业，提升销量 /产能比，是个重要的任务。

2、碳纤维复合材料供应商与制造商

 

2.1、飞机复合材料供应商与制造商

      B787 是航空复合材料应用的一个新的里程碑，该机投入运营意味着航空复合材料工业进入了全新的发展阶段。B787 取得市场成功，不仅在于它在座级设计上更加符合市场需求，更在于其采用了各种先进技术来降低油耗和减少环境污染，而这一切与该机在复合材料应用方面的技术突破息息相关。该机整个外廓除发动机吊挂等少数构件外，几乎全部采用复合材料制造。B787 复合材料与结构的供应商和制造商见表 3。

       A380 是欧洲空客集团最新研制的超大型客机，碳纤维等复合材料占比约 22%，重量估计约为36t，主要应用于中央翼盒、垂直尾翼和水平尾翼、机身尾段、后承压框和地板梁、机翼后缘的襟翼和副翼、固定机翼前缘和各种大型整流罩 。碳纤维增强复合材料 ( CFＲP) 在A380 的应用情况如图 2 所示。A380 复合材料的供应商见表 4。

图2 复合材料在A380上的应用情况

        复合材料在 F -22 主结构上的应用情况见表 5。从表 5 可以看出，美国军机主结构在选材上采用了由赫氏 ( Hexcel) 提供的 IM7 高强中模碳纤维与高温固化高韧性环氧树脂复合的高韧性复合材料，以满足主结构的设计损伤容限要求。

2.2、全球复合材料主要供应商与制造商简介

       当前，国际复合材料产业呈现出蓬勃发展的态势，碳纤维及其复合材料产业将面临前所未有的发展空间和机遇。因此，在目前碳纤维产业快速发展的关键时期，更应该认清国际碳纤维复合材料产业的发展形势，对标国外先进企业找出问题，通过理性思考寻求解决途径，推进国内碳纤维及其复合材料产业的健康快速发展。

         美国、日本、欧洲、加拿大及中国的供应商与制造商简介见表 6 ～ 表 10。

       对比国内外复合材料主要供应商与结构制造商的情况，可以看出在碳纤维复合材料供应方面，我国符合国际适航标准的企业数量较少，与欧美国家还有一定差距; 而且生产的碳纤维一般仅供应国内， 很少出口，加之高品质碳纤维的来源渠道很少， 国内能向市场提供 T800 级碳纤维的企业仅有两三家，且制造的 T800级碳纤维部分力学性能还不稳定，难以在国际市场上形成竞争优势。

       目前，国内外碳纤维主要从提升强度、模量、工艺的角度来发展。强度方面， 日本东丽除了研制T400、T700、T800、T1000、T1100、T1200 等多个系列的高强度碳纤维， 还研发了强度高达 60 GPa的超碳纤维T2000。我国目前尚在研制 T1000 级别( 强度 6. 4 GPa， 模量 294 GPa) 的碳纤维， 今后可以向 T1100 级别 ( 强度 7 GPa， 模量 324 GPa) 的碳纤维发展。模量方面， 东丽已经开发了 M30、M35、M40、M46、M50、M55、M60 和 M70 等多个系列的高模量碳纤维， 我国生产的高模量碳纤维仍在 M40J ( 强度 4. 4 GPa， 模量 377 GPa) 级别， 需要向 M60J ( 强度 3. 82 GPa， 模量 588 GPa) 级别发展。在工艺与成本方面， 东丽与其收购的卓尔泰克每年一共能生产碳纤维 42 000 t， 而我国单家企业的年产量最大也只有 6000 t，普遍在 500 ～ 3500 t；国外碳纤维复合材料供应商普遍采用湿纺工艺， 东丽还使用干喷湿纺工艺， 速度能达到 400 m /min，我国中复神鹰和光威复材则掌握了干喷湿纺碳纤维原丝生产技术， 最大速度能达到 300 m /min。提高产量能够有效降低成本， 但是高产量需要更高的市场占比来支持，所以提高产品质量， 研发强度、模量更高的碳纤维才是正途。

       在复合材料结构制造方面，我国能够制造满足适航要求零部件的民营企业极少， 即使有也只是生产内饰与外饰等一些非关键承重制件。国产飞机的结构基本都由中航工业旗下企业制造， 但即使是国营企业所生产的部分零部件也很难取得适航认证，导致国产商用飞机的复合材料构件仍需要从国外进口。所以，要实现商用飞机复合材料零部件国产化， 国内企业还有很长的路要走。反观国外的大型复合材料制造商， 除了适航认证齐全之外， 往往还有自己的优势产品， 可以应用在一系列飞机甚至多个系列的飞机上，例如 AIM航空公司生产的飞机环控系统管道和 GKN 航空公司制造的丙烯酸驾驶舱窗户。因此，国营企业负责总装制造，同时研究国内的弱势环节，而民营企业着眼于单个或几个零部件，使之成为可以普遍应用于飞机结构的产品，可能是一个可行的提高国内复合材料制造总体水平的方案。

3、结  束  语

 

        当前国内复合材料碳纤维市场很大一部分被日本和欧美的企业占领， 其中日本东丽公司生产的碳纤维，无论品质、产量还是品种均居世界前列，日系产品也在中国复合材料市场上占有最大的比例。国外先进客机和战斗机上的复合材料基本都采用日本东丽、日本东邦、美国赫氏的碳纤维或预浸料。目前我国碳纤维的产能虽已达到世界前列，但适合航空使用的碳纤维产能仍然十分有限。

         国外碳纤维起步早，T800级碳纤维复合材料已经广泛应用于民机、军机上， 而我国国产高性能碳纤维复合材料的发展大约从 2007年起步， 其中 T300 级碳纤维复合材料技术已基本成熟，并在直升机上大量使用，T700 级碳纤维复合材料也在现代先进战斗机应用，而T800级碳纤维复合材料仍然处于典型件验证阶段，国内能向市场提供T800 级碳纤维的企业仅两三家。

        我国符合国际适航标准的复合材料企业较少，远不及欧美国家的企业数量。在航空复合材料的供应和制造方面， 我国拥有巨大的市场和潜在的需求， 而且我国高铁、航天飞行器对高性能复合材料的需求正在快速显现。面对这些难得的机遇，我国仍需要完善自己的高性能碳纤维复合材料发展政策，促进该产业的发展，企业应加速新纤维及其复合材料产品的开发，同时加速复合材料自动制造技术的开发，提高现有产品质量，稳定制造工艺性能，降低产品成本与价格。

来源：高科技纤维与应用/中科院宁波材料所特种纤维事业部，碳纤维生产技术编辑整理。

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