1. 引言
    碳纖維是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構。碳纖維由于具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、導電和導熱等性能，因而使其成為一種兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征的化工新材料，是新一代增強纖維。目前，碳纖維不僅廣泛應用軍事工業，而且在汽車構件、風力發電葉片、核電、油田鉆探、體育用品、碳纖維復合芯電纜以及建筑補強材料領域也存在巨大應用空間， 而其在航空領域的光輝業績尤為引人注目。
2.碳纖維的發展
    碳纖維應宇航工業對耐燒蝕和輕質高強材料的迫切需求發展起來，它主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是繼玻璃纖維之后出現的第二代纖維增強塑料。碳纖維的含碳量在90%以上，具有優異的力學性能，與其它高性能纖維相比具有高比強度和高比模量。在2000℃以上高溫惰性環境中，碳纖維是唯一一種強度不下降的物質。此外，它還兼具其它多種得天獨厚的優良性能，更可貴的是，碳纖維與其它材料具有很高的相容性，兼備紡織纖維的柔軟可加工性，并且容易復合，具有很大的設計自由度。這就使得碳纖維成為纖維增強材料中發展迅速、應用范圍很廣、適于不同領域要求的纖維材料。
    研制大型飛機要突破許多關鍵技術，其中一項是“先進復合材料結構設計技術”， 這項技術離不開碳纖維。碳纖維的需求在各用途領域都不斷增長， 特別是急速增長的航空航天領域拉動了碳纖維全體的增長。
碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成結構材料。自玻璃纖維與有機樹脂復合得到的玻璃鋼問世以來，碳纖維、陶瓷纖維以及硼纖維增強的復合材料相繼研制成功，而且性能不斷得到改進，使復合材料領域呈現出一派勃勃生機。碳纖維復合材料與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為飛機機體的四大先進結構材料。
3. 碳纖維復合材料在航空領域的具體應用
    碳纖維復合材料因其獨特、卓越的性能，在航空領越特別是飛機制造業中應用廣泛。統計顯示，目前，碳纖維復合材料在小型商務飛機和直升飛機上的使用量已占70％~80％，在軍用飛機上占30％~40％，在大型客機上占15％~50％。
（1） 碳纖維樹脂基復合材料
    碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）具有質量輕等一系列突出的性能，在對重量、剛度、疲勞特性等有嚴格要求的領域以及要求高溫、化學穩定性高的場合，碳纖維復合材料都具有很大優勢。
    碳纖維增強樹脂基復合材料已成為生產武器裝備的重要材料。AV―8B 改型“鷂”式飛機是美國軍用飛機中使用復合材料多的機種，其機翼、前機身都用了石墨環氧大型部件，全機所用碳纖維的重量約占飛機結構總重量的26％， 使整機減重9％，有效載荷比AV―8A飛機增加了一倍。數據顯示采用復合材料結構的前機身段，可比金屬結構減輕質量32.24%。用軍機戰術技術性能的重要指標――結構重量系數來衡量， 國外第四代軍機的結構重量系數已達到27～28%。未來以F-22 為目標的背景機復合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機和無人駕駛飛機，已實現了結構的復合材料化。
    直升飛機上碳纖維增強樹脂基復合材料的用量更是與日俱增。武裝了駐港部隊并參加了2007 年上海合作組織在俄羅斯反恐軍演的直-9 型直升飛機，是我國先進的直升飛機。該機復合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生產的OH-1 “忍者” 直升飛機，機身的40％是用CFRP，槳葉等也用CFRP 制造。
    在民用領域，大的飛機A380 由于CFRP 的大量使用， 創造了飛行史上的奇跡。這種飛機25%重量的部件由復合材料制造， 其中22%為碳纖維增強塑料(CFRP)。由于CFRP 的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損，從而大大減少了油耗和排放。燃油的經濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本， 座英里成本比目前效率高飛機的低15%~20%成為個每乘客每百公里耗油少于三升的遠程客機。
（2） 碳/碳復合材料
    碳/碳復合材料是以碳纖維及其制品（碳氈或碳布）作為增強材料的復合材料。因為它的組成元素只有一個（即碳元素），因而碳/碳復合材料具有許多碳和石墨材料的優點，如密度低（石墨的理論密度為2.3g/cm3）和優異的熱性能， 即高的熱導率、低熱膨脹系數，能承受極高的溫度和極大的熱加速率， 有極強的抗熱沖擊，在高溫和超高溫環境下具有高強度、高模量和高化學惰性。憑借著輕質難熔的優良特性，碳纖維增強基體的復合摩擦材料在航空航天工業中得到了廣泛應用。航天飛機軌道的鼻錐和機翼前緣材料，都會選用碳/碳復合材料。另外還大量用作高超音速飛機的剎車片，目前，國際上大多數軍用和民用干線飛機采均用碳纖維增強基體的復合材料剎車副。這種剎車副不僅質量輕、抗熱沖擊性好、摩擦系數穩定、使用壽命長，更為方便的是可設計性強，性能便于調節。還可制作發熱元件和機械緊固件、渦輪發動機葉片和內燃機活塞等。[-page-]
4. 我國碳纖維復合材料發展現狀
    現代的碳纖維是以聚丙烯腈、人造絲或木質素為原絲，將有機纖維跟塑料樹脂結合在一起高溫分解并且碳化后得到的，還不能直接用碳或石墨來制取。
    據了解，目前碳纖維產能約3.5萬噸，我國市場年需求量6500噸左右， 屬于碳纖維消費大國。在以“高性能聚丙烯腈碳纖維制備的基礎科學問題”為主題的第335次香山科學會議上，會議執行主席、自然科學基金委員會師昌緒院士指出，與國外技術相比，我國碳纖維領域還存在較大差距。2007年，我國碳纖維產能僅200噸左右，而且主要是低性能產品。由于缺少具有自主知識產權的技術支撐，目前國內企業尚未掌握完整的碳纖維核心關鍵技術。這就使得我國碳纖維在質量、技術和生產規模等方面均與國外存在很大差距，絕大部分高性能增強材料都長期依賴進口，價格非常昂貴。由于缺乏創新與集成和應用領域的拓展， 極大地制約了我國碳纖維復合材料工業的發展。
基于我國高性能碳纖維復合材料產業尚不能滿足國民經濟快速、健康、持續發展的需求，發展改革委2008~2009 年組織實施高性能纖維復合材料高技術產業化專項，重點支持碳纖維、芳綸纖維、高強聚乙烯纖維及其高性能復合材料的生產技術及關鍵裝備的產業化示范，以滿足國民經濟以及航空航天等高技術產業發展的需求，培育一批具有國際競爭力的龍頭企業。這一舉措將為我國從材料大國轉變為材料強國奠定堅實的基礎。今年5月，由鷹游紡機自主研發的碳纖維生產線和神鷹碳纖維項目通過級驗收，標志著我國碳纖維生產已成功實現國產化和產業化。
5. 結語
    我國對發展碳纖維復合材料所做的努力是有目共睹的， 而且所取得的成績和進步也是令人振奮的， 但是仍然較發達落后，如何提高產品品質、降低成本、減少能耗和污染、開拓新的應用領域， 將是一項重要而長期的任務。
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[6] 張世平.碳纖維/環氧樹脂復合材料的應用開發新動向[J].科技信息，2007，24.

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