引言

近年来，随着材料制备技术的不断成熟与制造成本的逐步降低，碳纤维复合材料在航空航天领域的应用比例持续提升，从最初的非承力结构逐步拓展至主承力结构，成为商用飞机、军用战机、航天器及新型低空飞行器的核心材料。本文系统分析碳纤维复合材料在航空航天领域的应用现状，为推动我国航空航天材料国产化进程与产业升级提供理论参考与实践借鉴。

1CFRP材料的概念

CFRP材料是由碳纤维增强体和基体材料通过特定工艺复合而成的高性能材料。碳纤维作为增强体，通常由聚丙烯腈等有机纤维经高温碳化处理制得，其含碳量超过90%，兼具碳材料的高强度、高模量特性以及纤维材料的柔韧性和可加工性”。在航空航天领域，CFRP材料因其优异的比强度、比刚度和轻量化优势，逐渐取代部分传统金属材料，成为关键结构部件的首选”。与其他增强纤维（如玻璃纤维、芳纶纤维）相比，碳纤维在力学性能、耐热性和减重效果方面表现更为突出，是CFRP材料性能卓越的核心因素。此外，大丝束碳纤维的发展进一步提升了CFRP材料的生产效率，降低了制造成本，使其在航空航天领域的应用更具竞争力。

2碳纤维复合材料在航空航天领域的应用进展

2.1卫星与空间探测器

（1）卫星结构：CFRP是制造卫星承力筒、天线支架、太阳电池阵基板等主体结构的首选材料。其高比模量和近乎零的热膨胀系数，能确保在剧烈的太空温度交变环境下，维持极高的尺寸稳定性，保障通讯天线指向精度和光学载荷的成像质量。（2）空间探测器：深空探测器对减重极为敏感，每公斤减重都意味着巨大的发射成本节约或有效载荷增加。例如，火星车（如“毅力号”）的摇臂悬架、相机桅杆等核心结构均采用CFRP，实现了极致的轻量化与高可靠性。

2.2军用航空器领域：提升机动性能与隐身能力

（1）在军用战机、直升机等装备中，碳纤维复合材料的应用不仅能实现轻量化，还能提升机动性能、隐身性能及战场生存能力。美国F-35战机是军用领域复合材料应用的典型代表，其机身蒙皮、机翼、尾翼等部件大量采用碳纤维复合材料，应用比例达到35%，通过一体化成型技术减少了60%以上的构件数量，既实现了显著减重，又提升了机身隐身性能；俄罗斯苏-57战机的复合材料应用比例约为25%，主要用于机翼、尾翼及机身局部结构，有效提升了战机的超音速巡航能力与机动灵活性。（2）在军用直升机领域，碳纤维复合材料的应用同样广泛。美国“黑鹰”直升机的机身框架、旋翼桨叶等部件采用碳纤维复合材料后，减重效果显著，航程与有效载荷大幅提升；我国直-20直升机也大量应用碳纤维复合材料构件，有效优化了气动布局，提升了高原作战适应性。此外，在无人机领域，全球最大的无人货运飞机W5000采用T700级碳纤维复合材料机身，减重40%，最大载货量提升至5t，航程超2600km，展现出复合材料在提升无人机运载能力方面的显著优势。

2.3运载火箭

（1）箭体结构：以SpaceX“猎鹰9号”火箭的箭体级间段、有效载荷整流罩为代表，采用CFRP制造，实现了大幅减重，直接提升了运载能力。欧洲“织女星”、日本H-IIB等火箭也大量使用CFRP。（2）发动机部件：液氢/液氧发动机的复合材料喷管延伸段、低温贮箱等，充分利用了CFRP在超低温下的优异性能和轻质特点。（3）可重复使用飞行器：如航天飞机的轨道器机身、机翼前缘，需承受再入大气层时的高温，采用了特殊的碳/碳或碳/酚醛复合材料。

3发展趋势分析

3.1材料体系向高性能与多功能化发展

（1）高性能纤维：更高强度、更高模量及兼具强度与模量的中模高强碳纤维是研发重点，以满足未来超高速飞行器、深空探测的需求。（2）树脂基体升级：热塑性树脂基复合材料因其韧性好、可焊接、可回收等优势，成为继热固性树脂后的重要发展方向，尤其适用于需抗冲击和快速制造的场景。（3）多功能一体化：发展结构-隐身、结构-防热、结构-健康监测一体化的智能复合材料，赋予结构感知、诊断甚至自适应功能。

3.2非承力部件向主要承力部件发展

最初由于碳纤维复合材料具有轻质特性，成为航空航天器非承力部件的热门材料，有效降低了航空航天器的整体负荷，用于雷达罩、舱门、整流罩等结构部件，随后逐渐过渡到方向舵、垂直及水平尾翼等非主要承力部件上。在结构设计方法和成型加工技术双重优势推动下，碳纤维复合材料开始用于航空航天器的主要承力部件上，其优良性能为航空航天器提供了可靠的结构支撑，增强了设计的灵活性，显著改善了航空航天器零部件的结构性能和整体质量。由此可见，碳纤维复合材料在航空航天器中的应用实现了从局部到整体，从非承力部件到主承力部件的重要跨越。

3.3制造技术向自动化、数字化与低成本化发展

（1）自动化与数字化：自动铺丝（AFP）、自动铺带（ATL）、纤维自动铺放（FPP）技术与数字化设计、仿真、检测深度融合，实现复杂曲面构件的高质、高效、可重复制造。（2）整体化与集成化：继续发展共固化、共胶接及树脂转移模塑（RTM）等工艺，制造更大尺寸、更高集成度的整体构件，减少装配环节。（3）低成本技术：从原丝制备、中间产物（如大丝束碳纤维应用）到成型工艺（如非热压罐成型），全链条推动成本降低，是拓展CFRP在航空航天领域更广泛应用的关键。

3.4国产化替代：提升产业链自主可控能力

当前，我国碳纤维复合材料产业链仍存在部分关键环节依赖进口的问题，如高端碳纤维原丝、高性能树脂基体、专用设备等。在日趋复杂的国际贸易形势下，国产化替代已成为必然趋势。近年来，国内企业在T700、T800级碳纤维的产业化方面取得突破，产能持续提升；高性能树脂基体、非热压罐成型设备等关键环节的研发也在加速推进。随着C919、C929等重大项目的牵引，我国碳纤维复合材料产业链将逐步实现自主可控，从材料制备、工艺制造到装备应用形成完整的产业生态，提升国际竞争力。

结语

碳纤维复合材料已从航空航天领域的“先进材料”转变为“主流材料”和“基石材料”。其在减重增效、提升性能、实现新构型方面的巨大价值已得到充分验证。当前的应用进展正从追求“用量比例”向追求“效能最优”和“全生命周期价值”深化。未来，随着材料性能的持续突破、制造技术的智能化革新以及成本的不断下探，碳纤维复合材料必将更深层次地融入航空航天装备的“骨骼”与“经脉”，推动飞行器向着更轻、更强、更智能、更绿色的方向持续演进，为人类探索天空与宇宙的边界提供更强大的物质基础。

参考文献

[1]张婧，于今，熊磊，等.车用碳纤维复合材料性能及成型工艺[J].科技导报，2016，34（8）：26-30.

[2]程林，朱烨.航空发动机拆装车结构的轻量化优化及校核[J].安阳工学院学报，2023，22（4）：17-21.

[3]杨文国，杨晓鹏，马二克.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[J].当代化工研究，2024（7）：139-141.