航空航天碳纤维复合材料行业的发展情况
思瀚 航天环宇    2023-05-30

碳纤维（carbonfiber，简称 CF）是一种含碳量在 95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有高硬度、高强度、重量轻、高耐化学性、耐高温的特性。碳纤维很少直接应用，大多是经过深加工制成中间产物或复合材料使用，碳纤维复合材料作为结构件或功能件现已广泛应用在航空航天、工业和体育休闲用品三大领域。

碳纤维以其质量轻、高强度、高模量、耐高低温和耐腐蚀等特点最早应用于航天及国防领域，如大型飞机、军用飞机、无人机及导弹、火箭、人造卫星和雷达罩等，且航空航天领域用碳纤维的性能等级相对而言是最高的。

随着碳纤维的不断发展，碳纤维在航空航天领域的应用范围不断扩大。在航空领域，碳纤维复合材料是大型整体化结构的理想材料。与常规材料相比，复合材料可使飞机减重 20%-40%。复合材料还克服了金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点，增加了飞机的耐用性。复合材料的良好成型性可以使结构设计成本和制造成本大幅度降低。

20 世纪 70 年代至今，复合材料在军用飞机上的应用范围不断扩大，目前已广泛应用于机翼、机身、垂尾、尾部整流罩、后掠翼、进气道等多个部位。以美国军机为例，F-14A 战机碳纤维复合材料用量仅有 1%，到 F-22 和 F-35 为代表的第四代战斗机上碳纤维复合材料用量分别达到 24%和 36%，大型轰炸机方面 B-2 隐身战略轰炸机的碳纤维复合材料占比达到了 38%。

目前我国最先进的第四代战斗机歼-20 的碳纤维使用比例约为 27%，相比之下第三代战斗机歼-10 和歼-11 的碳纤维用量仅为 6%和 10%。随着我国新型战机的换代升级，军机碳纤维使用比例也将不断提升。

资料来源：先进复合材料在飞机结构中的应用

碳纤维复合材料在民航客机与无人机上应用占比提升明显。在民航客机方面，碳纤维复合材料从 20 世纪 80 年代开始应用在客机上的非承力构件中，在早期的 A310、B757和 B767 上，碳纤维复合材料的占比仅为 5%-6%。

随着技术的不断进步，碳纤维复合材料逐渐作为次承力构件和主承力构件应用在客机上，其质量占比也开始逐步提升，到A380 时，复合材料占比达到 23%，而最新的 B787 和 A350，复合材料的用量达到了 50%以上，有更多部件使用碳纤维，例如机头、尾翼、机翼蒙皮等。在无人机方面，美国全球鹰（GlobalHawk）高空长航时无人侦察机共用复合材料达 65%，先进无人机复合材料的用量更是不断提升，X-45C、X-47B、“神经元”、“雷神”上都运用了 90%的复合材料。

在航天领域，碳纤维复合材料不仅符合航天技术对结构材料减轻质量的要求，还符合对结构材料具有高比模量和高比强度的要求，具有性能和功能的可设计性，因此复合材料被大量应用。此外，航天飞行器的重量每减少 1 公斤，就可使运载火箭减轻 500公斤，因此，在航空航天工业中普遍采用先进的碳纤维复合材料。

美国、欧洲的卫星结构质量不到总重量的 10%，原因就在于广泛使用了高性能复合材料。目前卫星的微波通信系统、能源系统和各种支撑结构件等已经基本做到了复合材料化。在运载火箭和战略导弹方面，碳纤维复合材料以其优异的性能得到了较好的应用与发展，先后成功用于“飞马座”、“德尔塔”运载火箭、“三叉戟”Ⅱ（D5）、“侏儒”导弹等型号；美国的战略导弹 MX 洲际导弹，俄罗斯战略导弹“白杨”M 导弹均采用先进复合材料发射筒。

2020 年全球碳纤维需求继 2019 年之后再次突破 10 万吨级，达到 10.69 万吨。航空航天领域中商用飞机的碳纤维需求量最大，约占航空航天总需求的 52.9%。《2020 全球碳纤维复合材料市场报告》预计全球将在 2024 年恢复到 2019 年的需求水平，随着民航业的逐步复苏，航空航天碳纤维需求有望转好。

资料来源：2020 全球碳纤维复合材料市场报告

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