在众多复合材料家族里，碳纤维复合材料是使用最多、应用最广的一种纤维增强型树脂基复合材料。碳纤维是很有潜力的增强材料，具有高比强度、高比刚度、良好的导热性、导电性、热稳定性及耐腐蚀性等优点。在CFRP中，碳纤维的体积含量通常为60％～65％ ^［3］ 。碳纤维为CFRP提供强度和刚度保证，承受主要载荷，基本决定复合材料的力学性能。图1-1所示为单根T300碳纤维扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）形貌。由图可见，单根T300碳纤维直径大约为7μm，直径细小的碳纤维外圆柱表面保证了它与树脂基体之间非常大的有效接触面积，充分发挥界面效应，保证了CFRP优异的物理力学性能。碳纤维根据其机械力学性能可分为基准型碳纤维、中模高强型碳纤维和S型碳纤维。其中，基准型碳纤维主要以T300为代表，广泛应用于大型客机上的次承力结构件；中模高强型碳纤维主要以T800H、T800S和IM600为主，由于其相对于基准型碳纤维具有更高的弹性模量和拉伸强度，故主要应用于制造大型客机的主承力结构件；相比之下，S型碳纤维如T700S等，虽然材料的拉伸性能有所提高，但纵横剪切、层间剪切性能相比基准型碳纤维有所降低，故在大型民机上主要以编织增强材料的形式应用在次承力结构件上。表1-2给出了三种类型碳纤维的机械力学性能对比及应用情况 ^［4，5］ 。

当前，航空领域采用的碳纤维主要为12 K以下的小丝束聚丙烯腈基碳纤维，被称为宇航级的高性能碳纤维。日本东丽、东邦、三菱人造丝公司生产的碳纤维几乎垄断了整个碳纤维生产市场。其中东丽公司的T300、T400H、T700S、T800S、T800H、T1000G等高强度系列碳纤维，以及M40、M46、M50J、M55J、M60J、M65J等高模量系列碳纤维都成为宇航级应用的标杆性产品 ^［6-8］ 。

CFRP里的基体相树脂是一种强度低、韧性好的高分子聚合物材料，如环氧树脂、酚醛树脂等。树脂在CFRP中的作用是将纤维粘结在一起，传递载荷并保护纤维，使其避免磨损或腐蚀 ^［9］ 。树脂基体不耐高温，它在一定温度值附近时，会从较硬的玻璃态转变为柔韧的高弹态，物理力学特性出现突变，此种现象称为玻璃化转变，所对应的温度为玻璃化转变温度T _g 。玻璃化转变温度是树脂基复合材料的最高工作温度。不同树脂的玻璃化转变温度不同，环氧树脂的玻璃化转变温度一般为150～250℃。

CFRP常用树脂分为热固性树脂和热塑性树脂。热固性树脂只能一次加热和成型，在加工过程中发生固化，形成不熔合、不溶解的网状交联型高分子化合物（主要包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂和酚醛树脂）；热塑性树脂可以溶解在溶剂中，也可以在加热时软化和熔融变成黏性液体，冷却后又变硬，凡具有热塑性树脂分子结构的都属线型，主要包括全部聚合树脂和部分缩合树脂 ^［2］ 。树脂的性能决定了CFRP的结构强度、结构刚度、使用温度、断裂韧性、耐湿热老化等最终使用性能 ^［10-13］ 。热固性的环氧树脂是CFRP最常用的树脂基体材料，其具有优良的工艺性能、力学性能和物理性能，与碳纤维的黏结性好，化学性质比较稳定，尤其是成型之后的尺寸精度更容易保证其在航空航天领域的应用。但环氧树脂也有缺点，如冲击韧性不够，容易在中等温度（200℃左右）条件下出现材料软化、化学降解与老化。近年来通过环氧树脂增韧技术和改善湿热性能技术，环氧树脂的损伤容限和使用温度不断提升，被称为先进树脂基体材料，已经发展成为飞机主承力CFRP构件的主要树脂基基体。另外在有高温工作要求的飞机复合材料结构件中（如飞机发动机外涵道），双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂等中高温树脂也得到了广泛的应用。

CFRP的增强纤维和基体材料确定之后，需经过一定的成型固化工艺才能得到最终的CFRP结构件。成型固化的方法大致分为两类：一类是纤维预浸成型工艺，这是最常用、简单的一种方法，先通过纤维浸渍得到中间预浸料，再用预浸料经过不同的热压手段（手工、模压、真空罐等）得到设计需要的CFRP结构；另一类是液态成型工艺，直接将纤维制成预制件，再注入树脂，一次性完成加热和加压固化 ^［10］ ，如树脂传递模塑成型工艺（resin transfer molding，RTM）、树脂膜熔渗成型工艺（resin film infusion，RFI）和真空辅助树脂灌注成型技术（vacuum assisted resin infusion，VARI）。成型固化工艺可以直接铺设、缠绕得到各种不同的零件几何结构形式，应用CFRP可节省大量二次机械加工成本，直接得到设计所需的CFRP构件形式。CFRP单向层合板是一种最为常见的成型结构形式，其以单向预浸布料逐层铺叠，以树脂基体作为中间黏结剂，每层预浸布料的铺层方向按照层合板的承力方向进行“剪裁”设计，最后铺叠形成一种最基本的CFRP结构板。由于CFRP单向层合板中每层纤维方向一致，其承力方向的机械强度非常高，这也使得这种结构形式常见于航空构件。此外，当单向预浸料按照规定的纤维方向和次序铺放在一起与树脂加热加压固化处理时可形成具有多个铺层方向的CFRP层合板，满足最终功能结构件的要求（图1-2）。其中各铺层的纤维方向一般不同，采用对称的铺层方式可以消除由铺层不对称所带来的“耦合效应”。图1-3所示为典型多向铺层CFRP层合板微观结构及横截面显微形貌。

当前，CFRP已发展成为继铝、钢、钛之后的第四大航空航天结构材料。早在20世纪70年代，美国F14战斗机就开始使用CFRP作为其主承力结构。随后，F18军机的复合材料使用率占整机重量的25％～50％。美国最新研制的第四代F 35“闪电2”战斗机，有“世界战斗机”之称，复合材料结构占飞机重量的35％，飞机蒙皮、机身隔框、壁板、机翼中间梁和舱门等机身主要部分都采用了CFRP。大型客机空客A380仅CFRP用量就达32 t左右，加上其他各种复合材料，总用量在25％左右，开创了大型民用客机大量使用复合材料的先河。2011年9月，美国波音公司的梦想客机B787交付使用，其复合材料的用量达到了50％，是世界上第一架采用复合材料机翼和机身的大型客机，其应用水平远远超过此前的B777和A380，被世界公认为复合材料发展史上的一个重要里程碑。2013年6月，第50届巴黎航展上，空客A350XWB双发远程宽体客机首飞成功，其整机达到53％的复合材料使用量，进而成为世界上复合材料使用量最大的大型民用客机。

此外，CFRP还常和铝合金或钛合金等组成叠层结构以克服单一复合材料和单一合金材料的性能缺陷，发挥复合材料／金属叠层结构整体性能优势，增强飞行器结构件的可靠性 ^［15］ 。在众多复合材料／合金叠层结构里，碳纤维复合材料／钛合金（CFRP／Ti）因具有较高的比强度、比刚度和较优异的耐腐蚀性能而备受关注。CFRP／Ti的屈服强度可高达830 MPa，而密度仅为4 g／cm ^{3 ［16］} 。与CFRP／Al相比，CFRP／Ti在抗电偶腐蚀、抗热冲击等方面也具有明显优势 ^{［17，18］} ，这些优越的性能使其被更广泛地应用于现代航空航天工业中大型客机的设计制造。由复合材料／合金叠层结构制成的大型飞机结构能够长期承受飞行过程中高应力交变载荷、高温差、强腐蚀等复杂恶劣的环境，因而常被用于制造飞机关键部位的主承力结构件，如机身机翼连接件、平尾对接肋等 ^{［19，20］} 。波音787机翼机身连接件就是CFRP／Ti叠层结构的典型应用，如图1-4所示。

相比之下，我国CFRP的发展水平相对较低，与世界先进水平有较大差距（如图1-5所示）。我国自主研发的大型客机C919中复合材料用量仅达到15％～20％，其中CFRP主要应用于主承力结构中央翼、尾翼等部件。在军机方面则相对较好，我国最早在歼8和强5上开始小规模应用CFRP，最新研制的第4代战机J 20上已经大量应用复合材料。

在民用领域，CFRP也有着重要的应用，尤其是对于有减重、节能、高性能要求的产品，如体育器材、大型风电叶片、汽车车身、建筑结构等 ^{［6，21，22］} 。2012年，我国工信部印发了《新材料产业“十二五”发展规划》，其中明确提出，为满足航空航天等重点行业的迫切需求，将碳纤维材料产业作为重点发展工程之一。面对世界航空领域复合材料化的大趋势以及复合材料在其他民用工业领域应用的快速增长，CFRP的推广应用已被提升到了一个战略高度，关系到我国未来能否在航空航天、风能发电、运输装备等重点发展领域赶超世界先进水平。 o1mLwRqVRyZjmArexLrT47+z+CUB2Q+mdFQDrGRjjyFYuHOsiWL5nWt7j//bvVeN