【技术干货】详细解密碳纤维复合材料在欧洲国防工业中的应用
摘 要
碳纤维复合材料作为航空航天、国防工业等领域关键原材料，会对国防安全产生一定影响。本文依据欧盟发布的欧洲国防工业用原材料体系一文，详细分析了碳纤维复合材料在欧洲不同国防工业中的应用。
碳纤维复合材料在战斗机、海洋巡逻机、武装直升机等领域应用越来越广泛，尤其是军机中碳纤维复合材料逐渐增加。国防工业领域用碳纤维以航空级高性能碳纤维为主，但是欧洲采用高性能碳纤维多由美国和日本企业提供，因此高度依赖国外关键原材料也使欧洲存在一丝隐忧。
《详细解析碳纤维复合材料在A350中应用》
《赫氏碳纤维在防空飞机中的应用》
《航空航天用碳纤维的发展及未来挑战》
《解析航空级碳纤维及其复合材料的完整链条》
《美国赫氏碳纤维在航空航天领域应用》
《东丽碳纤维在航空领域的应用》
《简述碳纤维在直升机领域中的应用》
在欧洲国防工业领域需要专业的高性能加工材料，2016年欧盟对欧洲国防工业中原材料体系进行了梳理，确定了制造国防武器先进材料所需的39种原材料，其中约一半材料100%依赖欧盟以外国家的进口。
在欧洲国防工业所需的关键原材料供应国家中，中国占比高达34%，位列首位（图1）。以稀土材料为例，2010年中国对稀土元素实施出口限制后对欧洲工业冲击巨大，因为当时中国稀土出口量占全球97%。
图1 欧洲国防工业原材料主要供应国家及占比情况
在重量轻和其他性能优势（例如高刚度、高强度）的推动下，碳纤维复合材料有望成为未来几年国防工业尤其是军事航空应用中增长最快的部分。图2为2015年M&M发布的全球军用航空飞机材料体系的市场份额报告，复合材料市场价值占比达到26%。
同样是在M&M发布报告中指出：碳纤维复合材料在军机中应用比例越来越高（图3），报告中欧洲台风战机复合材料使用率可能低于50％（有消息称台风战机70％的外表面是由复合材料制成的，复合材料总结构重量实际约为30％）。
图3 全球不同型号军机中复合材料用量
碳纤维复合材料种类较多，如碳-碳复合材料、碳纤维树脂基复合材料、碳-陶复合材料等均在欧洲国防工业中实现应用，不同种类的碳纤维复合材料在国防领域的具体影响如下表1所示。
碳纤维复合材料在欧洲战斗机、运输机、海洋巡逻机、无人机等主要应用于机身系统和推进系统（表2）。对于机身系统以碳纤维增强环氧树脂基复合材料为主，而推进系统中大多采用了碳/碳复合材料。
碳纤维/环氧复合材料因轻质高强特性已逐渐取代了以前由铝合金，该复合材料还具有优异的强度重量比、刚性、机械性能、抗疲劳性、耐腐蚀性能。尽管如此，它们仍存在许多缺点，例如有限的耐冲击性、较低的电导率，以及在高湿度环境下对老化的敏感性提高。
图4显示了法国达索航空公司生产的阵风战斗机不同部件所用的部件和原材料，机身、机翼和尾部采用了碳纤维/环氧复合材料，而发动机喷嘴采用了碳碳复合材料。
图4 法国达索航空公司阵风战斗机原材料
碳纤维复合材料在欧洲作战和多用途直升机中应用如表3所示，碳纤维在机身、动态部件和电子系统中均有一定应用。
表4和图5分别显示了碳复合材料在潜艇中领域，以及潜艇中所需原材料体系。
图5 潜艇中所需原材料体系
表5显示了碳纤维复合材料在欧洲国防飞机中每年的需求量预测，估计用于生产战斗机和重型运输机的碳纤维/环氧复合材料的年需求量约为欧洲航空业复合材料总需求量的6％。
此外，军用战斗机应用还需要其他高等级的碳纤维和不同的树脂，而这些产品的生产量很小。根据CEIS预测，欧盟是军用飞机航空材料的主要进口国，考虑到欧盟内部都使用了欧盟所有的航空材料的内部生产，估计这些材料的进口依存度为20-43％。
尽管在民用航空飞机空客A350驱动下，欧洲已经建立了大型复合材料生产公司（如Hexcel Corp.欧洲生产工厂），而且欧洲也有西格里碳素、索尔维等碳纤维企业，但欧盟缺乏航空级碳纤维及其前体的主要制造商，因此，目前为欧洲国防工业提供高性能碳纤维产品的企业只有三家：美国赫氏、日本东丽和日本帝人。
由于欧盟缺乏像美国赫氏、日本东丽等生产航空级碳纤维的制造商，而有关材料类型及其在国防应用的信息有限，而且公开文献较少，影响了关键型号升级换代；比如，当空客A350与波音787飞机存在竞争时，欧盟其实已经意识到关键材料受限将会对未来工业尤其是国防工业产生的重要影响。