高模量碳纤维在中国宇航结构产品上的应用现状及实现自我保障的建议

陶积柏，黎 昱，张玉生，梁 龙，陈维强

（北京卫星制造厂，北京 100094）

高模量碳纤维在中国宇航结构产品上的应用现状及实现自我保障的建议

陶积柏，黎 昱，张玉生，梁 龙，陈维强

（北京卫星制造厂，北京 100094）

实现高模量碳纤维复合材料的自我保障对中国国防建设与航天事业发展具有重要的战略与实践意义.重点介绍了高模量碳纤维在中国宇航结构产品上的应用现状及需求，阐述了高模量碳纤维的特点、制备工艺、关键技术及研究现状等，分析了现阶段中国高模量碳纤维发展存在的主要问题，有针对性的提出了实现自我保障的建议.

高模量碳纤维；宇航结构产品；应用现状；自我保障；建议

高模量碳纤维是指弹性模量超过350 GPa的高性能碳纤维，根据原丝来源主要分为聚丙烯腈基和沥青基两种.高模量碳纤维复合材料具有比刚度高、尺寸稳定性好、耐烧蚀性强及可整体设计等优异特性，是现有和未来卫星主体结构、功能结构、防护结构和辅助结构上不可替代的关键材料.中国高模量碳纤维研制起步较晚、水平落后、卫星结构用高模量碳纤维几乎完全依赖进口，陷入航天技术发展受制于人，在复杂国际环境中随时可能被掐断的被动局面，为了保障国家利益，加速自主建设航天强国和强大国防，开展国产高模量碳纤维体系研制实现自我保障，对中国宇航事业有着重要的战略意义.

1 应用优势

中国目前在轨、在研和论证中的宇航结构产品广泛使用高模量碳纤维，是各级主次结构的核心关键材料［1］，也是未来航天材料发展的重点.

1.1 满足结构轻量化的需求

卫星工作在数百到数十万公里的空间轨道上，克服地球引力需要巨大的能量，因此，航天技术对卫星质量有着极其严格的要求.据估算，卫星每节省1 kg的质量，运载火箭就可以减少500 kg的燃料［2］，并降低发射成本2万美元［3］.在整星质量相同的条件下，随着高模量碳纤维应用比例提高，卫星结构质量与总质量之比降到5%以下，减少结构质量意味着增加了有效载荷的比例，也意味着更多的燃料、设备、功能和更长的寿命.

1.2 满足结构高刚度的需求

卫星在发射过程中受到很大的加速过载和剧烈振动载荷.卫星主结构基频高于运载的基频，才能够承受发射过程的过载和振动载荷，保证整星的完整性和功能性.在轨卫星受仪器振动和热应力等因素的影响，结构会受到低频率振动干扰，只有星体结构达到较高的振动基频，才能避免发生共振等灾难性后果［4］.通常要求各级结构具有较高的一阶基频，即很好的刚性.高模量碳纤维复合材料是满足卫星结构刚度要求的最佳材料［5］.

1.3 满足结构尺寸稳定性的需求

卫星上的多个分系统和功能载荷要求星体结构和次级结构在轨道运行和冷热交变过程中，具有非常高的尺寸精度和稳定性，如抛物面天线［6-7］、相机镜筒［8］、对接机构等，其精度直接影响着卫星或有效载荷的功能发挥，决定了遥感［9］、侦察、通信、空间攻防等航天任务的成败.高模量碳纤维热膨胀和吸湿膨胀系数非常小，可设计成零膨胀结构，是制造这类结构的最佳材料.

1.4 满足结构-功能一体化的需求

随着卫星功能的不断增加及复杂航天项目的开展，生理环境保持能力、空间防护能力、热控能力和隐身能力等多功能成为卫星结构的必然发展趋势.高模量碳纤维复合材料作为一种多相复合结构，能够在不损失结构强度的基础上，顺利的引入各种功能，替代大质量复杂的专用功能部件，进一步提高卫星效率和项目的可行性.

2 应用需求

中国多个重大专项航天任务中都对高模量碳纤维提出了明确的需求.现有大型通信卫星平台等各种卫星结构上，须全面应用高模量碳纤维才能满足结构效率、强度刚度、耐空间环境、长寿命等方面的要求.这些重大专项工程有着意义重大、科学价值高、性能要求苛刻的特点，高模量碳纤维无法被取代的应用地位和迅速增长的用量需求，迫切需要有稳定可靠的高模量碳纤维供应来源，才能保证项目顺利推进及任务的最终成功.因此.必须建立批量化生产能力，尽快实现高模量碳纤维的自我保障.

3 研制现状

3.1 高模量碳纤维的特点

宇航用高模量碳纤维在24 K以下，以1、3、6 K为主［10-11］，满足复合材料精细化的制造要求.采用专用原丝、独立的质量控制体系和严格的检验标准保证品质的同时带来了成本的升高.某些特殊应用环境对纤维有特别的性能要求，如微成分、质量一致性和稳定性等.宇航用碳纤维产品、关键制备技术和装备被各国严格控制，难以从国外引进，必须依靠自身发展［12］.

3.2 制备工艺

高模量碳纤维制备工艺一般分为原丝制备、氧化、碳化、石墨化以及上浆5个阶段.石墨化是碳纤维经过2 000～3 000℃热处理，在惰性气体保护下非碳元素进一步脱除，碳元素进一步富集，可得到含碳量99%以上的高模量碳纤维.高模量碳纤维石墨层平面进一步沿着纤维轴向排列，由二维乱层石墨结构向三维有序结构转变，石墨微晶沿着纤维轴向的取向性增加，大大提高了碳纤维的弹性模量.石墨化工艺主要为高温石墨化，以及在高温热处理时辅助催化技术、热牵伸技术、外加磁场技术、渗碳技术、高压技术等石墨化工艺.

3.2.1 高温石墨化［13］

高温石墨化分为一步法和二步法.一步法是在碳纤维生产过程的高温碳化后直接进行高温石墨化处理，不需要对碳纤维进行脱胶、钝化等重复工艺环节，流程简单，利于保持纤维强度性能和降低成本.一步法工艺调节余地大，可根据高温石墨化对碳纤维结构的要求对预氧化、碳化工艺进行调整，是高模量碳纤维生产的必然趋势.二步法通常利用成品碳纤维进行高温处理，包括铺丝、脱胶、钝化、石墨化、表面处理、上浆、收卷等工艺环节.优点是不受碳纤维生产工艺限制，工艺灵活，缺点是工艺环节较多，其中的脱胶、钝化等工艺对碳纤维强度性能影响较大，不利于最终碳纤维性能提高，且生产成本较高，是目前国产M40级高模量碳纤维主要生产方式.

3.2.2辅助其他技术的石墨化

催化石墨化是指加入某些无机和有机添加剂使碳纤维在较低的温度下达到一定程度的石墨化.化学镀Ni-P镀层在较低热处理温度下对聚丙烯腈基碳纤维的石墨化具有良好的催化作用［14］.合金中的Ni元素对碳纤维的石墨化起主要催化作用，而P元素却并没有参与催化石墨化过程.电沉积Ni-B合金也能够在较低温度下实现对聚丙烯腈基碳纤维的催化石墨化，Ni和B具有明显的协同催化效果［15］.含Ni-B合金催化剂的碳纤维经1 300℃热处理2 h后石墨化程度相当于空白样碳纤维经2 800℃热处理2 h后石墨化程度. Fe-P镀层也具有明显的催化效果［16］，Fe-P合金实现了较低温度下对碳纤维的催化石墨化，具备节能高效的特点，在低温石墨化方面具有广阔的应用前景.

热牵伸石墨化在同一温度下可以兼顾抗拉强度和弹性模量两方面性能.碳纤维在热牵伸力作用下高温塑性变形，孔隙沿轴向排列成针形孔，结构由无序变为有序，结构缺陷扩散到晶界，位错线缺陷经蠕变而消失，使晶格排列更为完善，消除应力集中点［17］.

外加磁场石墨化技术是指在石墨化过程中施加高强磁场，可使碳纤维的拉伸强度得到大幅度的提高［18］.在1 172℃下施加平行于纤维轴向的高磁场石墨化，碳纤维拉伸强度比2 000℃下无磁场石墨化提高了14%.

渗炭石墨化技术可以减小纤维中缺陷，有效抑制通过石墨化过程造成的拉伸强度的下降.高压石墨化可以比通常石墨化所需的温度更低时进行石墨化，高压在一定程度上可以抑制纤维表面碳原子的蒸发，减少纤维表面缺陷［19］.

3.3 关键技术

通过国内外碳纤维研究院所及生产厂家实践发现，影响高模量碳纤维性能的三大关键技术主要为原丝技术、石墨化设备及高温石墨化技术.

3.3.1 原丝技术是核心

原丝的品质是提升高模量碳纤维的性能关键之一，人们特别关注聚合物单体、溶剂、环境等净化及聚合纺丝工艺参数的选择和调整，目的是生产出低灰分、细直径、高取向度、柔韧性好、均匀稳定的优质原丝.优质原丝是制备高模量碳纤维的基础，需要突破的关键技术包括研制非硅系新油剂，加强各工序的净化度和设备加工精度，强化工艺参数调控精度，分析测试的准确度和测试方法的统一性等［20-21］.

3.3.2 石墨化设备是保障

目前使用比较多的石墨化设备有电阻炉、感应炉、太阳炉及等离子体技术加热等.其中电阻炉和感应炉都有直接加热法、间接加热法两种模式.国内外工业领域普遍采用高温管式石墨化电阻炉，石墨管的内部形成高温区，碳纤维在惰性气体的保护下在石墨管内被高温热处理而实现石墨化.

3.3.3 高温热处理技术是关键

如何优化石墨化条件，将压力、温度、温度分布、停留时间等影响因素综合考虑创新制造工艺；石墨炉腔材料本身损耗程度不同，实际生产更换频率和成本会有差异，如何在石墨化阶段降低能耗、提高热效率，延长设备使用寿命，从而提高产品性能，是高温石墨化的关键技术.

3.4 国内研制现状

国内1984年高模量碳纤维在卫星天线喇叭支撑筒和消旋支架上首次得到使用［22］.1988年的通讯卫星上广泛应用了高模量碳纤维，如中心承力筒、结构板、太阳翼基板和连接架、天线结构等［23］.随着卫星有效载荷的增加，高模量碳纤维在国内卫星结构的应用逐步扩大，使国内卫星结构质量占整星质量的比例降到10%.

近年来，中国一些高校、科研院所也开始进行高模量碳纤维的应用研究.北京化工大学在石墨化工艺研究中，积累了丰富的理论与实践经验，掌握了PAN基高模量碳纤维及其原丝的实验室制备技术［5，24-25］.北京航空航天大学具有专业成熟的高模量碳纤维检测体系，哈尔滨工业大学在上浆剂方面开展了相关研究［26］.目前国内碳纤维企业有40家，其中研究单位10家，生产单位30余家［27］，如威海拓展、中复神鹰、镇江恒神、江苏航科、中国化工等［28-29］，其中威海拓展M40级实现小批量供应.

3.5 与国外的差距

国外卫星本体主次承力结构［30］、天线结构、太阳翼基板等全面使用高模量碳纤维系列产品，使卫星结构质量仅占卫星总质量的5%～6%［10］.全球领先的有日本东丽、东邦、三菱以及美国氰特和赫氏，中国台湾的台塑等［31-32］.东丽M70J产品代表了该系列的最高水平，模量达到690 GPa，强度3 400 MPa.俄罗斯高模量碳纤维模量在400～600 GPa.美国Hexcel公司是高性能小丝束PAN基碳纤维的代表，其产品大量应用在美国国防工业［10，12］.

4 现阶段中国高模量碳纤维发展存在的主要问题

4.1 对自我保障紧迫性认识不足

中国5～10年内对高模量碳纤维有着迫切的需求.随着卫星和航天器的大量研制任务陆续展开，轻质大载荷宇航器对高模量碳纤维的需求量将达到年均10～100 t，如果考虑火箭/导弹领域［33］，需求量更大.不尽快上马高模量碳纤维生产线，实现战略关键材料的自我保障，未来部分航天器制造可能面临“无米下炊”的尴尬局面，直接影响后续型号任务的开展，非常被动.

4.2 宇航高端应用牵引不足，产品匹配能力弱

宇航用户在高端碳纤维研发方面的技术优势没有与碳纤维生产企业结合起来，导致尽管高端碳纤维需求很紧迫，而民营企业碳纤维却难以满足宇航使用.目前国内碳纤维产业化属于低水平重复建设［34］，产品定位趋同化，2014年理论产能30 000 t，低端产品产能过剩，产品性能稳定性差［35］，实际产量只有3 000 t，而面向宇航结构产品的高模量碳纤维生产线却严重不足.

4.3 技术瓶颈未完全突破，设备与工艺协同性差

原丝技术、石墨化设备及高温热处理三大关键技术未完全突破.优质原丝是制备高模量碳纤维的基础，高模量碳纤维对装备的依赖程度较高，国内碳纤维设备研发起步较晚，自主设计或者国内采购的设备，在加工精度、设计方面的不足，导致设备与生产工艺适应性差，不能满足工艺的需求.国内仍不具备成熟的高温蒸汽牵伸机、大型预氧化炉、宽口径高温碳化炉、高温石墨化炉、卷绕机等关键设备的研发和制造能力［22，36］.大部分厂家采用的是进口设备，造成设备对工艺的保障能力不足，在一定程度上阻碍了工艺的进步［21］.需要好的设备来保障高温热处理及其辅助技术的进一步研究.高模量碳纤维国产化必须提高装备的系统可靠性和控制水平，提高装备与工艺的协同性［37］.

5 实现中国高模量碳纤维自我保障的建议

5.1 提高自我保障的重要性认识

高模量碳纤维属于关系国家安全和利益的战略关键材料，长期依赖进口不仅使中国发展受制于人，而且有着巨大的潜在风险.实现高模量碳纤维的自我保障，使中国高模量碳纤维产业快速健康发展，符合国家材料重大专项中重点攻克碳纤维及其复合材料的战略需求.

5.1.1 保障专项工程对高模量碳纤维的迫切需求

重大航天项目对高模量碳纤维复合材料要求迫切.如某计划航天器质量超过40 t，载重超过现有卫星结构，结构强度要求大大增加.如果继续完全依靠进口，无论是材料性能还是需求用量都有着越来越大的缺口.

5.1.2 保障国产高模量碳纤维的可持续发展能力

国产高模量碳纤维在中国航天技术的发展中有着重要的作用，开展规模化生产形势非常紧迫，且高模量碳纤维生产线的建设和研究，对中国高模量碳纤维的工程技术水平的发展有着重要的促进作用.高模量碳纤维技术的突破为高模高强型碳纤维的研究生产，提供了技术积累和设备能力积累.

5.2 加强高端应用牵引，建立新型研制模式

打造高模量碳纤维纤维用户、有核心技术的高校和纤维生产企业三者结合的新型研制模式.以宇航产品为牵引保证基本的纤维需求，带动高模量纤维制造技术的提升，通过在宇航产品内应用比例的提升和宇航外领域国产高模量纤维应用的拓展，拉动纤维产量的提升；以高性能纤维的生产为推动，稳定提升国产纤维的性能、提升产量、降低成本，推动国产高模量纤维的应用，提升关键材料的自主保障能力.

5.2.1 借鉴国外成功模式的经验

从国外的经验来看，宇航高端用户与碳纤维生产企业相结合的寓军于民的研制模式，将高端碳纤维生产线建立在中、低端生产线上，既能够保证宇航结构产品的需求，又能使生产线工作量饱满无闲置，稳定纤维原材料性能，提高生产线利润率.国外大型高模量碳纤维企业都是完整的生产线，环环相扣，避免相互推诿的现象，便于解决问题和质量管理［34］.

5.2.2 推动在宇航领域的工程化应用

宇航用户发挥工程应用经验，根据国产高模量碳纤维在卫星结构上使用部位、结构特点和工艺特点，选取卫星典型结构单元、缩比结构等开展更换材料的结构分析和优化设计，建立国产高模量碳纤维复合材料成型工艺规范，促进其在卫星结构上的工程化应用［12］.

5.2.3 加强生产集中度，突显规模化效应

国家控制高模量碳纤维生产企业数量，有利于提高集中度，能充分保证资金、技术等方面的持续性投入，避免产能盲目扩大和企业之间的恶性竞争［22］.进行高模碳纤维生产工艺的稳定性研究，建立高模量碳纤维石墨化工艺、表面处理工艺及上浆工艺技术的标准化，形成高模碳纤维稳定规模化生产和供货的能力，降低生产成本.通过在宇航产品上批量应用，有力牵引更高性能国产高模量碳纤维的研制，形成研制、生产、应用和再研制的良性循环体系.

5.2.4 提高产品差别化，拓展应用市场

在保障宇航领域供应的前提下，提高产品的差别化兼顾民用市场，通过技术研发与生产应用的无缝对接，开发品种多样中游产品［21］，如预浸料、织物等，发挥产品种类互补的优势，提高产能，实现中低端产品低成本化，提高产品质量和稳定性，占领重点工业领域、能源、体育休闲领域巨大市场［32］.

6 结 语

鉴于高模量碳纤维在宇航制造业中的重要地位及中国高端领域对其迫切需求，加速自主建设航天强国和强大国防，摆脱被发达国家限制和监控、欧洲对华全面禁运的紧迫现状，推动产学研用进一步融合，开展国产高模量碳纤维的研制，以及进一步扩展在宇航结构产品上的应用，实现国家战略关键材料国产化自我保障，具有非常重要的战略意义与实践意义.

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（编辑 吕雪梅）

Application-status of high modulus carbon fiber in domestic aerospace structural products and suggestions for self-supply

TAO Jibai，LI Yu，ZHANG Yusheng，LIANG Long，CHEN Weiqiang

（Beijing Spacecrafts，Beijing 100094，China）

High modulus carbon fiber composite is widely used in aerospace structural products due to its excellent properties，such as high specific stiffness，good dimension stability，ablation endurance and integrated design.The proportion of application is increased quickly.As one of critical materials，technology and strategic materials are strictly exported from developed countries.Ensuring self-supply of high modulus carbon fiber composite materials is very important for national defense and aerospace industry.In this paper，application-status and the demand of high modulus carbon fiber in domestic aerospace structural products are introduced firstly.Characteristics，preparation process，key technologies and research status are overviewed secondly.Main problems of high modulus carbon fiber development at the present stage are addressed thirdly. Suggestions to ensure self-supply are made pertinently in the final part.

high modulus carbon fiber；aerospace structural products；application-status；self-supply；suggestions

TB332

A

1005-0299（2015）06-0098-06

10.11951/j.issn.1005-0299.20150618

2015-05-23.

陶积柏（1984—）男，硕士.

黎 昱，E-mail：13381093283@189.cn.