向小波，蔣永凡，程 勇

(西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025)

聚丙烯腈基碳纖維及其在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用

向小波，蔣永凡，程 勇

(西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025)

綜述了國(guó)內(nèi)外高性能聚丙烯腈基碳纖維及其在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用現(xiàn)狀。國(guó)外先進(jìn)碳纖維公司均可以生產(chǎn)出相當(dāng)于T800及以上水平的高性能碳纖維，表面光滑的碳纖維在國(guó)外先進(jìn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上得到了成功應(yīng)用；國(guó)內(nèi)碳纖維事業(yè)近年來(lái)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)碳纖維的各項(xiàng)性能基本達(dá)到了進(jìn)口碳纖維的指標(biāo)，但在紡絲工藝、表面截面形貌、表面粗糙度、斷裂延伸率等方面與進(jìn)口碳纖維還是有較大的差異，使得國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)碳纖維在纏繞復(fù)合材料上的應(yīng)用水平與進(jìn)口碳纖維相比有較大差距。對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用提出了幾點(diǎn)建議：國(guó)內(nèi)碳纖維研制生產(chǎn)單位應(yīng)開展適應(yīng)于殼體纏繞工藝的碳纖維研究工作；碳纖維應(yīng)用單位應(yīng)在低粘度樹脂基體、浸漬、纏繞以及固化工藝參數(shù)上進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，提高纖維與樹脂的纏繞匹配性及纏繞復(fù)合材料的性能。

聚丙烯腈基碳纖維；固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；復(fù)合材料殼體；纖維纏繞

1 引 言

聚丙烯腈(PAN)基碳纖維是極重要的新一代軍民兩用新材料，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、飛機(jī)、宇宙飛船等航空航天尖端領(lǐng)域。迄今為止，世界高性能PAN基碳纖維已經(jīng)發(fā)展了多種型號(hào)/規(guī)格，從性能上覆蓋了從通用型、高強(qiáng)型(HS)、高模型(HM)到中強(qiáng)高模型、高強(qiáng)高模型(HP)、超高強(qiáng)型等多個(gè)性能等級(jí)，可適應(yīng)于不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求。本文主要介紹近年來(lái)國(guó)內(nèi)外高性能碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及其在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用情況，并對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用提出了幾點(diǎn)建議。

2 國(guó)外聚丙烯腈基碳纖維及在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外聚丙烯腈基碳纖維的研究現(xiàn)狀

國(guó)外聚丙烯腈基(PAN基)碳纖維的研究和開發(fā)始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)70～80年代的穩(wěn)定期和90年代的飛速發(fā)展，到21世紀(jì)初已基本成熟[1-3]?，F(xiàn)在已分化為以美國(guó)為代表的大絲束碳纖維生產(chǎn)和以日本為代表的小絲束碳纖維生產(chǎn)兩大類[4-5]。一般工業(yè)較多采用價(jià)廉的每束不小于48 000根的碳纖維，通常稱為“工業(yè)級(jí)碳纖維”或“大絲束碳纖維”[6]。大絲束碳纖維的生產(chǎn)對(duì)前驅(qū)體質(zhì)量要求較低，產(chǎn)品成本低，適合一般民用工業(yè)領(lǐng)域。而小絲束碳纖維的生產(chǎn)追求高性能化，代表世界碳纖維發(fā)展的先進(jìn)水平。

碳纖維生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)，技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)多，生產(chǎn)壁壘高，是多學(xué)科、多技術(shù)的集成。目前，世界碳纖維技術(shù)水平最高的公司均位于日本。碳纖維工業(yè)已成為日本十大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。日本東麗、東邦及三菱人造絲三家公司是PAN基碳纖維(小絲束)的著名生產(chǎn)廠家。這三家公司依靠其多年來(lái)對(duì)紡絲工藝?yán)碚摰木ê图徑z新技術(shù)的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和開發(fā)研究方面的豐碩成果，大量生產(chǎn)出高性能碳纖維，使日本迅速成為世界碳纖維強(qiáng)國(guó)，無(wú)論質(zhì)量還是數(shù)量上均處于世界領(lǐng)先地位。美國(guó)的HEXCEL、AMOCO和ZOLTEK(已被日本東麗收購(gòu))等其他碳纖維公司也具有較高的技術(shù)實(shí)力。

隨著航空航天飛行器各項(xiàng)性能的不斷提高，對(duì)結(jié)構(gòu)件用材料的性能要求也越來(lái)越高。國(guó)外碳纖維主要生產(chǎn)商都在積極地開發(fā)超高強(qiáng)度、超高模量的碳纖維。東麗公司生產(chǎn)的小絲束碳纖維的產(chǎn)量和質(zhì)量都居世界前列，代表當(dāng)今世界水平。東麗公司采用干濕法紡絲，以DMSO 為溶劑，分別以丙烯腈/丙烯酸甲酯及丙烯腈/衣康酸為單體生產(chǎn)聚丙烯腈原絲，其原絲技術(shù)只轉(zhuǎn)讓給合作的BP-AMOCO 公司，另外銷售給合資法國(guó)東麗SOFICAR公司。東麗公司可生產(chǎn)T300～T1100G，M30S～M70J 系列的碳纖維，其中T1000 碳纖維是目前拉伸強(qiáng)度最高的碳纖維，見圖1。

圖1 東麗公司生產(chǎn)的PAN基碳纖維

東麗公司開發(fā)出的高強(qiáng)型T1000系列碳纖維，其抗拉模量為294 GPa，拉伸強(qiáng)度達(dá)7.06 GPa，而高強(qiáng)高模M65J型抗拉模量達(dá)640 GPa，抗拉強(qiáng)度為3.60 GPa。東麗公司實(shí)驗(yàn)室已研制出拉伸強(qiáng)度為9.13 GPa的碳纖維，比T1000碳纖維的拉伸強(qiáng)度提高了30%。其技術(shù)要點(diǎn)是聚合樹脂氨化，提高親水性；三級(jí)精密過(guò)濾，提高紡絲液純度；干噴濕紡，實(shí)現(xiàn)高倍牽伸；碳纖維細(xì)旦化，直徑僅為3.4 μm。2014年3月10日，東麗公司宣布，其利用碳化技術(shù)，在納米尺度上精確控制纖維結(jié)構(gòu)，開發(fā)出一種新型高強(qiáng)高模碳纖維，稱為TORAYCA T1100G，T1100G碳纖維同時(shí)具有高拉伸強(qiáng)度(6.6 GPa)和高拉伸模量(324 GPa)，與東麗公司現(xiàn)有的應(yīng)用于航空航天中的碳纖維產(chǎn)品如T1000G 和T800S相比，新型的T1100G性能得到了顯著提高。表1為東麗公司官網(wǎng)上展示的部分碳纖維產(chǎn)品的規(guī)格和性能，其中包括了最新研發(fā)的新型高強(qiáng)高模碳纖維T1100G。

表1 東麗公司部分碳纖維產(chǎn)品的規(guī)格和性能[7-9]

日本發(fā)展PAN基碳纖維的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于這些生產(chǎn)碳纖維的公司均起源于腈綸生產(chǎn)廠家，擁有較強(qiáng)的丙烯腈共聚、成纖技術(shù)與基礎(chǔ)研究實(shí)力，這是決定目前日本碳纖維公司的PAN原絲領(lǐng)先于其它國(guó)家的基本因素。盡管所選用的溶劑體系各異，但都可生產(chǎn)出相當(dāng)于T800及以上水平的高性能碳纖維。

當(dāng)前，PAN基碳纖維向兩個(gè)方面發(fā)展：一是提高，二是普及。提高是指小絲束碳纖維(1～24K)的質(zhì)量提高，普及是指大絲束碳纖維(48～540 K)的產(chǎn)量大幅度增加，價(jià)格日趨下降。根據(jù)原子間結(jié)合力模型，可計(jì)算出碳纖維的理論拉伸強(qiáng)度高達(dá)180 GPa，理論模量高達(dá)1 020 GPa，目前實(shí)際生產(chǎn)的碳纖維拉伸模量最高可達(dá)理論值的67.7 %，但世界最高水平碳纖維的拉伸強(qiáng)度(9.13 GPa)僅為理論值的5%。如此大的差距足以表明碳纖維性能的提高尚存在巨大的潛力。

高純化、致密化、細(xì)晶化、均質(zhì)化和細(xì)旦化將是提高碳纖維質(zhì)量的主要技術(shù)途徑。原絲的直徑愈細(xì)，愈易制得均質(zhì)預(yù)氧絲和碳纖維，使碳纖維強(qiáng)度得到提高，隨著原絲直徑細(xì)旦化，納米碳纖維問(wèn)世，拉伸強(qiáng)度將顯著提高。隨著每一碳纖維新品種的推出，碳纖維的性能都有所提升，碳纖維的高強(qiáng)化是世界碳纖維發(fā)展的趨勢(shì)之一。

2.2 國(guó)外聚丙烯腈基碳纖維在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用

國(guó)外復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的發(fā)展經(jīng)歷了玻璃纖維復(fù)合材料、芳綸纖維復(fù)合材料及碳纖維復(fù)合材料三個(gè)階段，殼體材料不斷更新，性能不斷提高，功能日臻完善。通過(guò)采用復(fù)合材料可以有效減輕固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高有效載荷的運(yùn)載能力，具有重要的經(jīng)濟(jì)及軍事意義，如戰(zhàn)略導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)第三級(jí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少1 kg，可增加射程16 km。高性能PAN基碳纖維復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能，使其成為新型固體導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的首選材料。

高性能碳纖維的應(yīng)用使殼體的強(qiáng)度和剛度大為改觀，而大規(guī)模的生產(chǎn)又使碳纖維價(jià)格有了較大幅度的下降。當(dāng)前先進(jìn)固體發(fā)動(dòng)機(jī)除俄羅斯外均優(yōu)先選用碳纖維研制復(fù)合材料殼體，尤其以拉伸強(qiáng)度≥5.490 GPa、拉伸模量在290 GPa左右的高強(qiáng)中模碳纖維為主。目前已應(yīng)用于飛馬座火箭、侏儒、三叉戟Ⅱ、大力神Ⅳ固體助推器、Hyflyer小運(yùn)載火箭等固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上。美國(guó)STARS靶箭的第二、三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)“奧巴斯(Orbus)-1”采用T-40/HBRF-55A殼體，纖維體積分?jǐn)?shù)60 %，環(huán)向纖維應(yīng)力4.94 GPa，強(qiáng)度發(fā)揮率87.4%，容器特性系數(shù)49.0 km，比同樣條件下的凱夫拉殼體輕37.5 %，比鈦合金殼體輕83 %。由美國(guó)陸軍負(fù)責(zé)開發(fā)的一種新型超高速導(dǎo)彈系統(tǒng)中的小型動(dòng)能導(dǎo)彈(CKEM)直徑165 mm，長(zhǎng)度1 409.7 mm，其殼體采用了T1000碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，由5個(gè)33°螺旋纏繞和3.5個(gè)環(huán)向纏繞層組成，發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量比達(dá)到0．82。

目前處于國(guó)際領(lǐng)先水平的潛射導(dǎo)彈主要有美國(guó)的三叉戟Ⅱ(D5)和法國(guó)的M51，這兩種導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料均采用了高強(qiáng)中模碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料。三叉戟Ⅱ(D5)導(dǎo)彈第一、二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用了IM7碳纖維，第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)直徑2.108 m，長(zhǎng)度7.29 m，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量比達(dá)到0.944，殼體特性系數(shù)43 km，其性能較凱芙拉/環(huán)氧提高30%。M51導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體全部采用了IM7碳纖維復(fù)合材料。

意大利太空總署及歐洲航天局自1998年合作研發(fā)的織女星火箭的三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體均采用了碳纖維纏繞復(fù)合材料殼體技術(shù)，其中Ⅰ級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)(P80)是迄今為止試驗(yàn)過(guò)的最大的整體式高質(zhì)量比、高性能碳纖維復(fù)合材料殼體(圖2)，采用了IM7碳纖維，直徑3 m，長(zhǎng)度10 560 mm，質(zhì)量比0.92?！翱椗恰钡诙?jí)發(fā)動(dòng)機(jī)Zefiro23 長(zhǎng)約7.6 m，直徑約2 m，采用T1000G纖維和UF3325樹脂纏繞殼體，在75 s內(nèi)燃燒24噸固體推進(jìn)劑，能產(chǎn)生100噸的推力?！翱椗恰钡谌?jí)Zefiro9固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝有10噸重的推進(jìn)劑，殼體采用T1000G纖維和UF3325 樹脂系統(tǒng)進(jìn)行纏繞，可提供305 kN的最大推力。Zefiro9發(fā)動(dòng)機(jī)可使其有效載荷上升至低橢圓軌道，使航天器達(dá)到13.3馬赫的速度。

表2為國(guó)外部分固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體所用碳纖維材料情況。

表2 國(guó)外部分固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體應(yīng)用碳纖維材料的情況

圖2 歐洲“織女星”(VEGA)運(yùn)載火箭P-80發(fā)動(dòng)機(jī)

美國(guó)在固體推進(jìn)劑助推器研究(SPBD)計(jì)劃中的TX-868 SPBD 速燃發(fā)動(dòng)機(jī)(THAAD導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的前身)采用T1000GB纖維和螺旋切割設(shè)計(jì)。SPBD的T1000GB/LRF-545/螺旋切割殼體的成功

試驗(yàn)代表了復(fù)合材料殼體技術(shù)的重大進(jìn)步。

由表2可以看出，國(guó)外先進(jìn)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體所用碳纖維主要為IM7和T1000G等碳纖維。這些纖維都有一個(gè)特點(diǎn)，那就是纖維表面均比較光滑。IM-7碳纖維和AS4碳纖維一樣雖然是濕法紡絲工藝，但其所用紡絲溶劑為NaSCN，纖維的表面仍然非常光滑。所以，表面光滑的碳纖維在國(guó)外先進(jìn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上得到了成功應(yīng)用。

據(jù)東麗公司網(wǎng)站介紹(表3)，M30S、T700S和T1000G碳纖維均可應(yīng)用于壓力容器領(lǐng)域；T700G和T800H可應(yīng)用于航空器；T800S具有高的拉伸性能。所以，東麗公司推薦的纏繞復(fù)合材料壓力容器用纖維基本為干噴濕紡工藝，而濕法紡絲的T800H碳纖維具有均衡的復(fù)合材料性能，可應(yīng)用于航空領(lǐng)域。

3 國(guó)內(nèi)聚丙烯腈基碳纖維及在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)內(nèi)聚丙烯腈基碳纖維的研究現(xiàn)狀

我國(guó)大陸地區(qū)研制PAN基碳纖維始于20世紀(jì)60年代中期，幾乎與日本同步，起步并不太晚。在20世紀(jì)70年代初期，在實(shí)驗(yàn)室已突破連續(xù)預(yù)氧化和碳化工藝。1974年7月，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所開始設(shè)計(jì)我國(guó)第一條碳纖維生產(chǎn)線，并于1976年建成。該中試生產(chǎn)線通過(guò)國(guó)家鑒定和驗(yàn)收后，榮獲1978年全國(guó)科技大會(huì)獎(jiǎng)。之后，整體搬遷至東北某廠生產(chǎn)碳纖維。

國(guó)內(nèi)從1980年開始研制高強(qiáng)II型碳纖維(相當(dāng)于T300)，先后有上海合成纖維研究所、吉化研究院、吉林炭素廠等建成中試生產(chǎn)線。但存在纖維性能低、毛絲、分散大、質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。此后，國(guó)內(nèi)碳纖維的研制工作緩慢向前，沒(méi)有取得突破性的進(jìn)展，碳纖維強(qiáng)度性能在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)徘徊在3.0 GPa左右的較低水平。

2005年以后，國(guó)家加大了投入力度，強(qiáng)化了應(yīng)用牽引，在國(guó)家的大力支持和有實(shí)力企業(yè)的參與下，近年來(lái)我國(guó)碳纖維事業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。T300產(chǎn)業(yè)化正在進(jìn)行，突破了T300碳纖維工程化批量穩(wěn)定制備技術(shù)和成套裝備自主設(shè)計(jì)制造技術(shù)，碳纖維及其復(fù)合材料性能達(dá)到了東麗公司T300碳纖維水平；目前強(qiáng)度為3.5 GPa、模量為230 GPa左右的T300通用級(jí)碳纖維已基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)，在一些航天部件中實(shí)現(xiàn)了自主保障，國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)建設(shè)完成千噸級(jí)生產(chǎn)線；強(qiáng)度為4.9 GPa、模量為230 GPa左右的T700級(jí)碳纖維及其原絲技術(shù)已經(jīng)完成工程化研究，開始轉(zhuǎn)入應(yīng)用研究階段；強(qiáng)度為5.5 GPa、模量為294 GPa左右的T800級(jí)碳纖維已經(jīng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，正在進(jìn)行工程化研究；強(qiáng)度為6.37 GPa、模量為294 GPa的T1000級(jí)碳纖維也已開展相關(guān)基礎(chǔ)研究工作[10]。

表4列出了我國(guó)大陸地區(qū)碳纖維的部分研究和生產(chǎn)單位[11-12]。

表4 我國(guó)大陸地區(qū)研究生產(chǎn)碳纖維的部分高校和企業(yè)

從表4可以看出，我國(guó)大陸地區(qū)開展碳纖維研制生產(chǎn)工作的單位和企業(yè)至少達(dá)到了十幾家之多，說(shuō)明國(guó)內(nèi)碳纖維市場(chǎng)還處于競(jìng)爭(zhēng)的初級(jí)階段。

目前國(guó)產(chǎn)T700碳纖維的性能數(shù)據(jù)已十分接近東麗公司T700碳纖維的水平，而國(guó)產(chǎn)T800碳纖維的整體水平與東麗公司T800碳纖維還有一定的差距。從實(shí)際評(píng)價(jià)應(yīng)用的效果看，國(guó)產(chǎn)T700和T800碳纖維的紡絲工藝主要為濕法紡絲，纖維尚未系列化，而且上漿劑類型單一，同時(shí)纖維性能、批次性能穩(wěn)定性及在復(fù)合材料中的性能發(fā)揮難以滿足固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體應(yīng)用對(duì)纖維的具體需求。

3.2 國(guó)內(nèi)聚丙烯腈基碳纖維在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)定型戰(zhàn)略型號(hào)上的殼體材料均采用高強(qiáng)鋼材料及玻璃纖維、芳綸纖維復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體基本處于研制階段。

航天科工集團(tuán)六院四十一所和哈爾濱玻璃鋼研究院合作研制了某規(guī)格碳纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體(直徑650 mm)，在充分繼承碳纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體國(guó)家“八·五”、“九·五”科技攻關(guān)課題研究成果的同時(shí)，在工程研制中先后解決了碳纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)、補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)及工藝、樹脂基體配方選擇、大極孔差殼體纏繞、殼體精度和可靠性控制等關(guān)鍵技術(shù)，先后通過(guò)了水壓爆破試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)熱試車和飛行試驗(yàn)考核獲得圓滿成功[13]。

四十三所碳纖維復(fù)合材料殼體預(yù)先研究起始于“七·五”，此后在“八·五”至“十一·五”期間，開展了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維復(fù)合材料殼體技術(shù)研究，突破了高性能環(huán)氧樹脂配方、濕法纏繞及殼體補(bǔ)強(qiáng)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，完成了不同尺寸碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的研制及地面熱試車，均取得圓滿成功。

“十一·五”末期以來(lái)，四十三所開展了國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)碳纖維在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用研究，通過(guò)大量的研究工作，提高了國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料NOL環(huán)和容器性能。但與進(jìn)口碳纖維相比，仍然有很大的差距，存在較大的問(wèn)題和困難需要進(jìn)一步研究攻克。國(guó)產(chǎn)碳纖維在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的初步應(yīng)用研究結(jié)果表明，雖然國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)碳纖維的各項(xiàng)性能基本達(dá)到了進(jìn)口碳纖維的指標(biāo)，但在紡絲工藝、表面截面形貌、表面粗糙度、斷裂延伸率等方面進(jìn)口碳纖維還是有較大的差異。正是這些差異導(dǎo)致高強(qiáng)碳纖維在纏繞復(fù)合材料上的應(yīng)用水平與進(jìn)口碳纖維相比有較大的差距。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)國(guó)外先進(jìn)碳纖維公司均可以生產(chǎn)出相當(dāng)于T800及以上水平的高性能碳纖維，小絲束碳纖維(1～24 K)的性能逐步提高，大絲束碳纖維(48～540 K)的產(chǎn)量大幅度增加，價(jià)格日趨下降。

(2)2005年以后，國(guó)內(nèi)碳纖維事業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。T300通用級(jí)碳纖維我國(guó)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)；T700級(jí)碳纖維及其原絲技術(shù)已基本完成工程化研究，開始轉(zhuǎn)入應(yīng)用研究階段；T800級(jí)碳纖維已經(jīng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，正在進(jìn)行工程化研究；T1000級(jí)碳纖維已開展相關(guān)基礎(chǔ)研究工作。

從評(píng)價(jià)應(yīng)用的效果看，國(guó)產(chǎn)T700和T800碳纖維的紡絲工藝多數(shù)為濕法紡絲，纖維尚未系列化，而且上漿劑類型單一，難以滿足航空、航天等不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)w維的具體需求，同時(shí)纖維性能、批次性能穩(wěn)定性及在復(fù)合材料中的性能發(fā)揮距離應(yīng)用部門的要求還有一定的差距。

(3)國(guó)外先進(jìn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)碳纖維殼體均采用了T800及T1000級(jí)碳纖維，表面光滑的碳纖維在國(guó)外先進(jìn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上得到了成功應(yīng)用，殼體性能優(yōu)良，應(yīng)用成熟度高。

(4)雖然國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)碳纖維的各項(xiàng)性能基本達(dá)到了進(jìn)口碳纖維的指標(biāo)，但在紡絲工藝、表面截面形貌、表面粗糙度、斷裂延伸率等方面與進(jìn)口碳纖維還是有較大的差異。正是這些差異導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)碳纖維在纏繞復(fù)合材料上的應(yīng)用水平與進(jìn)口碳纖維相比有較大的差距。

因此，對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上的應(yīng)用提出如下建議：

(1)國(guó)內(nèi)碳纖維研制生產(chǎn)單位應(yīng)針對(duì)纏繞制品對(duì)纖維的特殊需求，開展適應(yīng)于殼體纏繞工藝的碳纖維研究工作，形成碳纖維系列化，從源頭上解決目前濕法紡絲工藝的碳纖維在承內(nèi)壓的復(fù)合材料殼體上發(fā)揮不佳的影響因素；

(2)碳纖維應(yīng)用單位應(yīng)針對(duì)目前國(guó)產(chǎn)濕法紡絲碳纖維溝槽明顯，在纏繞制品上發(fā)揮不佳的現(xiàn)狀，研究低粘度樹脂基體(例如采用液體固化劑酸酐)，在浸漬、纏繞以及固化工藝參數(shù)上進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，提高纖維與樹脂的纏繞匹配性及纏繞復(fù)合材料的性能。

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Review of the Application of Polyacrylonitrile-baced Carbon Fiber in Solid Rocket Motor Cases

XIANG Xiaobo，JIANG Yongfan，CHENG Yong

(Xi'an Aerospace Composites Research Institute，Xi’an 710025，China)

The applications of polyacrylonitrile-baced carbon fiber in solid rocket motor cases were reviewed. High performance carbon fiber corresponding to level T800 and above was produced by foreign advanced carbon fiber company. The carbon fiber with smooth surface has been successfully applied in foreign advanced solid rocket motor shell. The domestic carbon fiber industry has made considerable progress in recent years. The performance of the domestic high-strength carbon fiber has basically achieved the imported carbon fiber target, but there were large differences between the imported carbon fiber and the domestic carbon fiber in the spinning process, surface topography, surface roughness and elongation-to-break. So there were also large gaps between the imported carbon fiber and the domestic carbon fiber in the application level of fiber winding composite material. Some suggestions of the applications of domestic carbon fiber in solid rocket motor cases were proposed: domestic carbon fiber manufacturing units should carry out research work on the carbon fiber adapted to winding process．

polyacrylonitrile-baced carbon fiber; solid rocket motor; case; spinning process；fiber winding

郭濤(1989-)，男，四川人，學(xué)士，助理工程師。研究方向：復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用。 E-mail：guotao@ydam.com.cn.

高性能碳纖維項(xiàng)目(JPPT-CHTXW-1-2)

2015-01-12)