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(wú)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(guò)2 萬(wàn)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(jiàn)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(shù)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(shù)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(guó)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(lái)衡量，國(guó)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(lái)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(guó)外一些輕型飛機(jī)和無(wú)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(guó)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(mén)、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(chē)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(guó)侏儒、民兵、三叉戟等戰(zhàn)略導(dǎo)彈上均已成熟應(yīng)用，美國(guó)、日本、法國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(lái)源一直是美國(guó)及西歐的軍火商們深感棘手的惱頭問(wèn)題。五年前，法國(guó)SAFRAN公司與美國(guó)WaterburyFiberCote Industries公司以有充分來(lái)源的非航天級(jí)粘膠原絲新原料開(kāi)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(guó)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(yáng)能電池板和天線中?，F(xiàn)今的人造衛(wèi)星上的展開(kāi)式太陽(yáng)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(shù)脂基復(fù)合材料被作航天飛機(jī)艙門(mén)、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(lái)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(kāi) 連云港鷹游紡機(jī)集團(tuán)公司