碳纤维复合材料的制备工艺优化及其在航空航天领域的应用

＊杨文国 杨晓鹏 马二克

（平顶山东方碳素股份有限公司 河南 467000）

在现代航空航天工程中，材料的选择至关重要，直接关系到飞行器的性能、经济性及安全性。传统金属材料在提升飞行器性能时受到了诸多限制，如重量较重、抗疲劳性不足等。相比之下，碳纤维复合材料具有极高的比强度和比模量，能够有效减轻结构负荷，提升飞行器的飞行性能。同时，其优异的抗疲劳性能也使飞行器在极端工作环境下具备更强的可靠性。然而，碳纤维复合材料的研究和应用仍然存在一些挑战。其中之一是制造工艺的精细化和自动化，以保证复合材料制品的一致性和稳定性。另外，材料的寿命预测和损伤监测也是当前研究的热点，这对于保障飞行器的安全性至关重要。

1.碳纤维复合材料概述

（1）组成成分。碳纤维复合材料是由高强度的碳纤维和树脂基体相结合构成的一类先进材料，其在航空航天领域具有独特的优势，被广泛应用于飞机、航天器、卫星等领域。

①碳纤维。碳纤维是碳纤维复合材料的主要强化成分，具有极高的强度和刚度。它是由碳原子构成的晶体结构排列而成，使其具备了出色的力学性能。碳纤维可以分为连续纤维和短切纤维两种形式，前者在复合材料中应用广泛，后者通常用于增强特定部位[1]。

②树脂基体。树脂基体充当了将碳纤维固定在一起的黏合剂，并为复合材料提供了一定的韧性和成型性。常用的树脂包括环氧树脂、聚酰亚胺树脂等，它们的选择会影响到复合材料的性能。

（2）结构特征。碳纤维复合材料的独特结构是其优异性能的基础。

①层叠结构。碳纤维复合材料通常以纤维层叠的方式构成，碳纤维在树脂基体中以纵横交错的方式排列，形成了层叠结构。这种结构使材料在多个方向上都具备了出色的强度和刚度。

②各向异性特性。由于碳纤维的排列方式不同，碳纤维复合材料具有各向异性的特性，即其在不同方向上的性能差异明显。使材料能够根据实际工程需求进行定向设计，最大程度地发挥其性能优势。

（3）航空航天领域的独特优势。碳纤维复合材料在航空航天领域的应用可谓是天然的组合，其独特的优势使其成为航空航天工程中不可或缺的材料之一。

①轻质化。航空航天器件需要保证在有限的燃料消耗下实现最大的有效载荷和飞行距离。碳纤维复合材料因其比重轻、强度高，可以显著减轻飞行器的总重量，从而提高燃油效率，延长飞行距离。

②高强度与高刚度。碳纤维复合材料具有极高的强度和刚度，可以有效抵抗在飞行过程中产生的各类应力和载荷，保证飞行器的结构安全性。

③耐腐蚀性。航空航天器件常需要在各种恶劣环境下工作，如高空、高速、海洋等。碳纤维复合材料具有优异的耐腐蚀性，能够保持稳定的性能，延长飞行器的使用寿命。

④高温稳定性。在高速飞行和再入大气层等极端条件下，碳纤维复合材料能够保持良好的性能，不易发生变形或熔化，确保了飞行器的安全运行。碳纤维复合材料以其独特的组成成分和结构特征，在航空航天领域具有不可替代的重要性。其轻质化、高强度、耐腐蚀等优异特性，为航空航天工程的发展提供了坚实的基础，为人类的航空航天事业做出了重要贡献[2]。

2.碳纤维复合材料的制备工艺

（1）原料准备。碳纤维复合材料制备的第一步是准备所需的原料，主要包括聚丙烯纤维、聚丙烯原料、催化剂等。这些原料的质量和性能直接影响最终碳纤维的质量和特性[3]。

（2）纤维拉拔。将聚丙烯原料通过特定的工艺拉拔成细丝，形成初步的纤维结构。拉拔过程中的拉伸速度、温度等参数会影响纤维的结晶度和直径分布。

（3）预氧化。将初步得到的聚丙烯纤维在氧气氛围中进行预氧化处理，将其转变成氧含量较高的聚酰亚胺纤维。预氧化过程中的温度、气氛成分等条件会影响纤维的化学组成和结构。纤维预氧化温度控制到200～300 ℃。这种高温过程迫使碳原子从空气中吸收氧原子，并将分子重新排列成更加稳定的键合模式。

（4）碳化。将预氧化后的纤维置于高温炉内，维热稳定后，将其在无氧的情况下加热至1000～3000 ℃保持几分钟。氧气的缺乏阻止了纤维在如此高的热量下燃烧。在此过程中，重要的是保持炉内的气压高于炉外的气压，并保持纤维的入口和出口密封，以防止氧气进入炉内。在此高温下，纤维排出其非碳原子，而其余的碳原子形成紧密结合的碳晶体。这些碳晶体平行于碳纤维的长轴排列。碳化过程的温度、保温时间等参数会直接影响碳纤维的结晶度和力学性能。

（5）表面处理。为了提高碳纤维的表面粗糙度和活性，通常会对其进行表面处理，如氧化、活化等工艺。

碳纤维制备工艺的优化是确保碳纤维复合材料性能的关键，通过精确控制各个制备步骤的影响因素，可以获得具有优异性能的碳纤维，从而为航空航天领域的应用提供坚实的基础。

3.碳纤维复合材料制备工艺的优化策略

在碳纤维复合材料的制备过程中，优化工艺是提高材料性能的重要手段。综述当前研究中常用的制备工艺优化策略，并分析它们的优缺点，提出建议，以期为航空航天领域的应用提供有力支持。

(1)常用的制备工艺优化策略

①温度控制优化

在碳纤维的制备过程中，温度是一个至关重要的参数，在制备过程中一般将纤维在空气中加热到200～300 ℃大约30 分钟到2 小时。通过精确控制制备过程中的温度，可以调控纤维的结晶度和热稳定性，从而影响最终碳纤维的性能。

②化学成分调控

通过调整预氧化阶段的化学成分，如气氛气体成分、氧化剂种类等，可以控制纤维的化学组成，从而影响其后续的碳化过程。如不同PAN 原丝中C、H、0、N 等主要元素的含量会略有不同，预氧化初期C、H、N三成分下降，但不如中期急剧，而氧成分上升速度亦不如中期快，这种区别不十分明显，初期时间极其短暂；预氧化中期C、H、N 的含量直线下降，氧含量急剧上升，反应十分激烈，预氧化后期呈现不明显的平缓趋势，反应趋于缓和。

③纤维拉拔速度和拉拔模式优化

在拉拔过程中，合理选择拉拔速度和模式，可以保证纤维的连续性和均匀性，避免纤维断裂或不均匀。

④碳化工艺改进

对碳化工艺进行改进，如采用层状碳化方法、调控碳化反应的气氛气体成分等，可以提高碳纤维的结晶度和力学性能。

(2)不同优化策略的优缺点分析

①温度控制优化

温度控制是制备过程中最直接影响碳纤维性能的因素之一，通过精确控制温度可以有效地调控纤维的结晶度和热稳定性。但是温度过高导致纤维的结晶度过高，从而使其变得脆性增加，过低则影响纤维的力学性能[4]。

②化学成分调控

通过调整预氧化阶段的化学成分，可以精确控制纤维的化学组成，为后续的碳化工艺提供良好的基础。化学成分调控需要在实验过程中进行精确控制，操作难度相对较高。

③纤维拉拔速度和拉拔模式优化

合理的拉拔速度和模式可以保证纤维的连续性和均匀性，避免纤维断裂或不均匀。但是过高的拉拔速度会导致纤维断裂，而过低则使得纤维直径分布不均匀。

④碳化工艺改进

通过改进碳化工艺，如采用层状碳化方法、调控碳化反应的气氛气体成分等，可以提高碳纤维的结晶度和力学性能[5]。但是碳化工艺的改进需要在实验过程中进行反复试验，操作难度相对较高。

4.航空航天领域中的应用案例

碳纤维复合材料在航空航天领域中的应用具有显著的效果，它不仅提升了航空器的性能，还成功降低了整体重量，对于推动航空航天工程的发展起到了积极的推动作用。

碳纤维复合材料在飞机机身结构中的应用是航空工程领域的一大亮点。通过采用碳纤维复合材料取代传统的金属材料，不仅使机身结构更轻，而且提升了飞机的整体性能。

(1)降低整体重量

相比传统的金属结构，碳纤维复合材料的密度更低，因此，在保证强度的情况下，可以显著降低飞机的整体重量。使得飞机在起飞、飞行和降落等阶段的燃料消耗明显减少，大幅提升了燃油效率。波音787梦想飞机的机身结构中，约50%的重量来自碳纤维复合材料。这使得该飞机相对于传统铝合金结构的飞机，可以实现约20%的燃料节省。而碳纤维复合材料被用于飞机翼的结构，可以减轻整体重量并提升飞行性能。例如，空中客车A350XWB 飞机的翼箱结构采用了大量的碳纤维复合材料，使得该飞机相对于传统材料的飞机可以实现30%的燃料节约。

(2)提升结构强度

碳纤维复合材料具有极高的强度与刚度，使飞机的结构更加坚固耐用。这不仅提高了飞机的抗外部冲击和振动的能力，也延长了其使用寿命。

(3)改善飞机性能

由于机身结构的轻量化，飞机的动力系统可以更高效地发挥作用，提升了飞机的机动性和飞行速度，从而改善了整体的飞行性能。而碳纤维材料的使用，也能增加飞机的特殊性能。如隐形战斗机F-22 和F-35，采用了大量的炭素纤维复合材料，以降低雷达反射截面积，提升隐身性能。使得这些战斗机能够在战场上保持相对隐蔽的状态。

(4)提高设计灵活性

碳纤维复合材料的各向异性特性使设计师可以更加灵活地设计飞机的外形和结构，以最大化地发挥其性能优势，实现更先进、更高效的设计。

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用为航空航天工程的发展提供了强大的支持。通过在飞机机身结构、航天器热保护系统和卫星结构中的应用，碳纤维复合材料展现了其在提升性能、降低重量等方面的显著效果，为航空航天工程的发展注入了新的活力，推动了人类对太空的探索与发展。

5.结束语

展望未来，碳纤维复合材料将继续朝着高性能、高强度、高韧性的方向发展。研究人员将不断寻求新的材料组合、改进工艺，以提升复合材料的性能指标，满足航空航天领域对材料的更高要求。而未来的研究方向则更应着重于碳纤维复合材料的改性，通过引入新型纤维、填料或表面修饰等手段，提升材料的性能。同时，研究人员应当注重材料的功能性设计，使其具备更多的实用功能。碳纤维复合材料在航空航天领域的应用前景十分光明，通过持续的研究与创新，我们有信心在未来取得更大的突破，为航空航天工程的发展做出更为重要的贡献。