丝丝入扣凭谁取，片片出云任我翔——碳纤维复合材料在航空航天领域的应用浅析

　　兵器迷叹口气，日本在高性能碳纤维和其他诸多领域，能够在基础研究、产品研发、市场占有和行业标准这四方面独占鳌头，成为一个行业的领导者。而放眼望去，中国，能够做到如此地步的，又有几何？军工领域尚在追赶，暂且不谈；就是民用领域，除了袁隆平的杂交水稻，这个GDP规模第二的国家在行业领先方面似乎也是寥若星辰。大而无当，大而不强，实积弊已久，国人自强自精之路，尚在漫漫。

　　书归正传。

　　碳纤维的应用，其实可以分为两个大的分支。即高端军用领域的小丝束碳纤维和低端民用领域的大丝束碳纤维。

　　对不住了，材料领域的术语就是多，兵器迷一样挠头。呵呵，各位耐心点看吧。

　　碳纤维的丝束以K表示，1K表示一个丝束含1000根碳纤维，3K就是3000根。一般来讲，24K以下为小丝束（small tow），24K以上的为大丝束（large tow）。

碳纤维丝束

　　航空航天领域，特别是军用航空领域，在飞机结构上一般采用的是小丝束碳纤维复材，以3K的碳纤维为主。通常小丝束碳纤维的生产必须采用价格昂贵的特种聚丙烯睛PAN原丝，而且这些特种PAN原丝的生产技术是高度保密的，每家公司都有自己的专利技术。原丝制备技术高度保密，不出售，不转让。小丝束碳纤维产品的市场容量相对小，目前主要用于军工产品。

　　而大丝束碳纤维，能够以便宜而且公开出售的民用聚丙烯作为原料，制备碳纤维。因此，价格优势非常明显。举个例子，2012年的国内碳纤维市场，48K的只有一百多人人民币一公斤，24K的二百多，12K的三四百，到3K就要七八百，1K的则高达三四千元一公斤。

　　20世纪90年代中期以后，世界碳纤维发展的最大特点，是大丝束碳纤维获得重大突破。美国Zoltek公司近年来在PAN原丝的研究上取得了突破，成功地采用一般纺织工业用的聚丙烯，生产性能与T300基本相当的PAN－EX33碳纤维。

　　看到这里，那位问了：那能不能用便宜的大丝束产品，替代昂贵的小丝素产品呢？

　　根据网上公开的材料，沈阳飞机设计研究所与北京航空材料研究院，早在“十五”期间，就展开了大丝束碳纤维复合材料在飞机上的应用研究工作。通过美国Zoltek的48K大丝束与东丽T300的3K小丝束的对比试验（见表2），证明了在强度性能上，二者差异不大。但在模量性能上，特别是纵向拉伸和纵向压缩模量上，大丝束比小丝束低15%左右。因此，目前大丝束虽然便宜，却尚难以用到军机的主承力构件或者次承力构件上，但可以在通用航空领域、无人机和其他民用领域大显身手。

　　用于飞机结构的小丝束产品，属于战略性物资，国外对华禁运，所以高层相当重视，现在也是战略重点。此外在工业应用领域内的低成本大丝束碳纤维，过去重视不太够，现在都在往这个方向努力，但是尚未达到产业化的程度。从需求上看，碳纤维从1950年代主要应用在火箭、宇航及航空等尖端科学，到1980年代被广泛应用于纺织、化工机械、建筑、风机叶片及医学领域。比如，在体育领域，碳纤维主要应用于高尔夫棒、网球拍、赛车、弓箭、跳竿、冰球棒、游艇、赛艇、滑翔机、人力飞机、帆船桅杆、摩托车及登山用品，如登山杖、滑雪杖、攀岩头盔等。国内各种应用占碳纤维率需求比例，大致分别为工业60%、体育30%，航空10%，因此从推动产业升级的角度来说，大丝束碳纤维，无疑具有更加广阔的商业前景。