碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，與其它高性能纖維相比具有*高比強(qiáng)度和*高比模量。特別是在2000℃以上高溫惰性環(huán)境中，是**強(qiáng)度不下降的物質(zhì)。此外，其還兼具其他多種得天獨(dú)厚的優(yōu)良性能：低密度、高升華熱、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動(dòng)衰減性、低熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、電磁屏蔽性、紡織加工性均優(yōu)良等。因此，碳纖維復(fù)合材料也同樣具有其它復(fù)合材料無法比擬的優(yōu)良性能，被應(yīng)用于**及民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，在航空航天領(lǐng)域的光輝業(yè)績(jī)，尤為世人所矚目。2005年**碳纖維的耗用量已超過2 萬噸，圖1 為21 世紀(jì)前十年碳纖維需求量的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)情況。航空航天領(lǐng)域的碳纖維需求情況見表1所示，約占總消耗量的20%左右。
圖 1: **碳纖維需求量(單位:噸)
可以明顯看出，航空航天領(lǐng)域需求量有大幅度增加。2001年航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求為2690t，2002 年和2003 年對(duì)碳纖維的需求量有所減少，2002 年約減少20%，2003年則減少約9 %。2003 年以后航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，2006 年與2001 年相比
表 1: **碳纖維按應(yīng)用領(lǐng)域需求的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)
1 航空領(lǐng)域應(yīng)用的新進(jìn)展
T300碳纖維/樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)在飛行器上廣泛作為結(jié)構(gòu)材料使用，目前應(yīng)用較多的為拉伸強(qiáng)度達(dá)到5.5GPa，斷裂應(yīng)變高出T300碳纖維的30%的高強(qiáng)度中模量碳纖維T800H纖維。
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碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是生產(chǎn)武器裝備的重要材料。在戰(zhàn)斗機(jī)和直升機(jī)上，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于戰(zhàn)機(jī)主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)件和戰(zhàn)機(jī)特殊部位的特種功能部件。國外將碳纖維/環(huán)氧和碳纖維/雙馬復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)機(jī)機(jī)身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能，數(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機(jī)身段，可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%;復(fù)合材料垂直安定面可減輕質(zhì)量32.24%。用軍機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要指標(biāo)――結(jié)構(gòu)重量系數(shù)來衡量，國外第四代軍機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)已達(dá)到27～28%。未來以F-22為目標(biāo)的背景機(jī)復(fù)合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復(fù)合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機(jī)和無人駕駛飛機(jī)，已實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。目前主要使用的是T300級(jí)和T700級(jí)小絲束碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料?！ ?/span>
圖 2: 美國F-22 **飛機(jī)
民品
在民用領(lǐng)域，555座的***大飛機(jī)A380由于CFRP的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。飛機(jī)25%重量的部件由復(fù)合材料制造，其中22%為碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP),3%為**用于民用飛機(jī)的GLARE纖維-金屬板(鋁合金和玻璃纖維超混雜復(fù)合材料的層狀結(jié)構(gòu))。這些部件包括：減速板、垂直和水平穩(wěn)定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機(jī)身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。繼A340對(duì)碳纖維龍骨梁和復(fù)合材料后密封框――復(fù)合材料用于飛機(jī)的密封禁區(qū)發(fā)起挑戰(zhàn)后，A380又一次對(duì)連接機(jī)翼與機(jī)身主體結(jié)構(gòu)中央翼盒新的禁區(qū)發(fā)起了成功挑戰(zhàn)。僅此一項(xiàng)就比***的鋁合金材料減輕重量1.5噸。由于CFRP的明顯減重以及在使用中不會(huì)因疲勞或腐蝕受損。從而大大減少了油耗和排放，燃油的經(jīng)濟(jì)性比其直接競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型要低13%左右，并降低了運(yùn)營(yíng)成本，座英里成本比目前效率*高飛機(jī)的低15%--20%，成為**個(gè)每乘客每百公里耗油少于三升的遠(yuǎn)程客機(jī)?！ ?/span>
圖 3: 空中客車A-380
2 航天領(lǐng)域的新進(jìn)展
火箭、導(dǎo)彈
以高性能碳(石墨)纖維復(fù)合材料為典型代表的**復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)構(gòu)/功能一體化構(gòu)件材料，在導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和衛(wèi)星飛行器上也發(fā)揮著不可替代的作用。其應(yīng)用水平和規(guī)模已關(guān)系到武器裝備的跨越式提升和型號(hào)研制的成敗。碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展推動(dòng)了航天整體技術(shù)的發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)部件和衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料，在美國侏儒、民兵、三叉戟等戰(zhàn)略導(dǎo)彈上均已成熟應(yīng)用，美國、日本、法國的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體主要采用碳纖維復(fù)合材料，如美國三叉戟-2導(dǎo)彈、戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈、大力神一4 火箭、法國的阿里安一2火箭改型、日本的M-5火箭等發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，其中使用量*大的是美國赫克里斯公司生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度為5.3GPa 的IM-7碳纖維，性能*高的是東麗T-800纖維，抗拉強(qiáng)度5.65Gpa、楊氏模量300GPa。由于粘膠基原絲的生產(chǎn)由于財(cái)經(jīng)及*危機(jī)的加劇，航天級(jí)粘膠碳絲原料的來源一直是美國及西歐的軍火商們深感棘手的惱頭問題。五年前，法國SAFRAN公司與美國WaterburyFiberCote Industries公司以有充分來源的非航天級(jí)粘膠原絲新原料開發(fā)成功名為RaycarbC2TM的新型纖維素碳布，并經(jīng)受了美軍方包括加工、熱/結(jié)構(gòu)性質(zhì)及火焰沖刷試驗(yàn)在內(nèi)的全部資格測(cè)試，在固體發(fā)動(dòng)機(jī)的全部靜態(tài)試驗(yàn)中都證明該替代品合格，2004年十一月，該碳布/酚醛復(fù)合材料已用于阿里安娜V Flight164上成功飛行?！ ?/span>
圖 4: 法國阿里安娜V 型導(dǎo)彈
衛(wèi)星、航天飛機(jī)及載人飛船
高模量碳纖維質(zhì)輕，剛性，尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性好，因此很早就應(yīng)用于人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線中。現(xiàn)今的人造衛(wèi)星上的展開式太陽能電池板多采用碳纖維復(fù)合材料制作，而太空站和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)上的一些關(guān)鍵部件也往往采用碳纖維復(fù)合材料作為主要材料。
碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料被作航天飛機(jī)艙門、機(jī)械臂和壓力容
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維的產(chǎn)量不斷增大，質(zhì)量逐漸提高，而生產(chǎn)成本穩(wěn)步下降。各種性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料將會(huì)越來越多地出現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域中，為**航空航天技術(shù)的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。
作者信息：林德春 上海市復(fù)合材料學(xué)會(huì);潘鼎高健 東華大學(xué);陳尚開 連云港鷹游紡機(jī)集團(tuán)公司
