碳纤维复合材料为飞机插上神奇之翼

作为一项新兴的材料技术，复合材料首先在军用飞机上得到广泛应用。

60年代，玻璃纤维增强复合材料首先开始应用于飞机的整流罩、襟副翼中。此时，复合材料力学性能还相对较低，应用复合材料制造的飞机零部件尺寸小、受力水平小。

60年代后期，硼纤维/环氧树脂复合材料开始应用于飞机结构上。例如，F-14于1971年开始将硼纤维增强环氧树脂复合材料应用在平尾上。

70年代中期，诞生了以碳纤维为增强体的高性能复合材料，开启了复合材料在飞机上的大规模应用。具有卓越高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳性能的碳纤维增强复合材料非常适合航空装备需求。军机的垂尾、平尾等受力较大、尺寸较大的部件开始逐步使用碳纤维增强复合材料，如F-15、F-16、Mig-29、幻影 2000、F/A-18等飞机的复合材料尾翼、垂尾。从70年代至今，国外军机尾翼已经全部采用复合材料。采用复合材料的平尾、垂尾一般占飞机全部结构重量的 5%-7%。

在尾翼进入复合材料时代后，复合材料的应用开始向军机的机翼、机身等结构受力大、尺寸大的主要构件发展。1976年，麦道公司率先研制了F/A-18复合材料机翼，并于1982年正式进入服役，把复合材料用量提高到13%。此后各国所研制的军机的机翼也几乎全部采用了复合材料。例如美国的AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35，法国的“阵风”，瑞典的 JAS-39，欧洲四国联合研制的“台风”，俄罗斯的S-37等。

目前世界先进军机中复合材料用量占全机结构重量的20%-50%不等，主要应用复合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、机翼、中前机身等。如果复合材料占飞机总重量的50%左右，则全机绝大部分结构件由复合材料制成，如B-2隐形轰炸机。

2020年航天领域的碳纤维需求量占航空航天领域碳纤维需求的比例为1.80%，需求基数不大但高性能需求强，应用广泛，同时随着我国远程战略武器的快速发展，有望扩大碳纤维复材的应用占比。

吸波隐身：普通碳纤维对电磁波是反射体，不具备吸波功能，通过对碳纤维进行表面改性（如镀镍、涂覆碳化硅涂层等）、研制新型碳纤维（如异形截面碳纤维、螺旋碳纤维、多孔碳纤维、碳纳米管等），能显著改善其电磁性能。

特种碳纤维用于制造隐身飞机，如B-2隐身轰炸机，其整体机身除了主梁和发动机机舱采用钛复合材料外，其余部分均采用碳纤维复合材料。美国隐身战机F-22，CFRP用量达到24%，英国Typhoon战机复合材料用量高达40%。结构型碳纤维吸波复合材料结合了复合材料轻质高强的结构优势和吸波特性，是雷达隐身材料的重要发展方向。碳纤维吸波材料属于功能和结构一体化的优良吸波材料，随着隐身结构材料的完善和提高，碳纤维复合材料的需求还将持续增长。

我国四代机之前，复合材料的应用范围仅限于尾翼、鸭翼等次承力结构上，用量占比不到10%，四代机复合材料用量有了明显突破，复材用量达到整机结构件的 20%左右。

军用飞机用先进树脂基复合材料经过近40年的发展，已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件，可获得减重20%~30%的显著效果。从用量来讲，当前先进军用飞机的复合材料用量已超过30%，今后在用量上的比例将趋于稳定。在军机制造中，树脂基复合材料可用于制造作战飞机的雷达罩、机翼、机身、鸭翼、平尾和发动机外涵道等。

美国F-35本身制造上大量使用了高强度碳纤维纤维复合材料。尤其是在蒙皮和机翼结构和机体结构部件上，大量创造性地使用了碳纤维复合材料。它所用的碳纤维复合材料已占全机总重量的1/4，占机翼重量的1/3。可以说F-35减重上，碳纤维的功劳首屈一指。

隐形喷气式飞机机身覆盖着一种雷达吸收材料（RAM），如B-2“精灵”或F117“夜鹰”，目的是将接受电磁波转化为热量。RAM在高温、潮湿和摩擦下会失去完整性。

北卡罗来纳州立大学的研发团队开发了一种碳纤维增强复合聚合物（CFRP）蒙皮，以解决RAM限制引起的问题，并被用于B-21隐形轰炸机。该复合材料由碳纳米管(CNTs) 进行了增强，碳纳米管强度高、重量轻，能够承受超过1800°C 的温度，并有助于传导传入的电磁能。

试验证明，新的复合材料拥有极低的发射率，几乎无法被检测到，与目前隐形飞机上使用的仅能吸收70-80%的RAM相比，对电磁波的吸收率可达90%以上。这种新材料将喷涂到飞机上，厚度为3毫米。

歼11系列和成飞的歼-10、歼-20系列，机翼都大量采用碳纤维复合材料，中国航空工业最近20年，具有大量采用碳纤维铺层零件制造的成功经验。

对于我国而言，在20世纪90年代末才着手研制歼-20飞机，2010年底才开始试飞工作，技术上有后发优势。歼-20的前一代歼-10飞机的鸭翼就整体采用了碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基体的高性能复合材料，这类材料的雷达信号特征比金属材料小得多，而通过在树脂基体之内掺杂其他隐身材料，这类复合材料的隐身特性可有更大提高。歼-20的鸭翼同样会采用后续的研究成果，与之相比，F-22的水平尾翼还采用部分金属材料，其隐身特性未必更好。此外，歼-20的鸭翼上反，机翼下反，被鸭翼前缘反射的雷达波一般不会继续照射到主机翼前缘而形成二次反射，这也是隐身的有利因素。

• 玻璃钢(含玻璃纤维)的基本性能和应用	• 新突破！实现碳纤维复材的闭环化学回收
• 光伏边框调研：头部公司、市占率、发展趋势！	• 一文了解复合材料层间拉伸强度的常见测试方法与
• 航空用特种高性能玻璃纤维介绍	• 防护领域的新兴强者
• 高超音速飞行器研发中的高温材料挑战	• 感应焊接助力热塑性复合材料创新，开启广泛应用
• 碳纤维复合材料在不同工况下的力学性能有哪些特	• 基于不同工况的碳纤维复合材料力学性能研究取得

水性聚氨酯树脂在玻纤	光伏石英坩埚的重要性
树脂的储存与预处理操	复合材料的无限可能—