碳纖維復合材料在航空航天領域的應用

 碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分優異的力學性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強度和最高比模量。特別是在2000℃以上高溫惰性環境中，是唯一強度不下降的物質。此外，其還兼具其他多種得天獨厚的優良性能：低密度、高升華熱、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動衰減性、低熱膨脹系數、導電導熱性、電磁屏蔽性、紡織加工性均優良等。因此，碳纖維復合材料也同樣具有其它復合材料無法比擬的優良性能，被應用于軍事及民用工業的各個領域，在航空航天領域的光輝業績，尤為世人所矚目。2005 年世界碳纖維的耗用量已超過2 萬噸，圖1 為21 世紀前十年碳纖維需求量的統計預測情況。航空航天領域的碳纖維需求情況見表1 所示，約占總消耗量的20％左右。

世界碳纖維需求量(單位:噸)

可以明顯看出，航空航天領域需求量有大幅度增加。2001 年航空航天領域對碳纖維的需求為2690t，2002 年和2003 年對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 年以后航空航天領域對碳纖維的需求出現快速增長，2006 年與2001 年相比將增長約40 %，2008 年將增長約76 %，到2010 年和2001 年相比預計增長超過100%。本文將介紹碳纖維增強樹脂基復合材料（cfrp）在航空航天領域應用的新進展。

世界碳纖維按應用領域需求的統計和預測

航空領域應用的新進展

t300 碳纖維/樹脂基復合材料已經在飛行器上廣泛作為結構材料使用，目前應用較多的為拉伸強度達到5.5gpa，斷裂應變高出t300 碳纖維的30％的高強度中模量碳纖維t800h纖維。

軍品

碳纖維增強樹脂基復合材料是生產武器裝備的重要材料。在戰斗機和直升機上，碳纖維復合材料應用于戰機主結構、次結構件和戰機特殊部位的特種功能部件。國外將碳纖維/環氧和碳纖維/雙馬復合材料應用在戰機機身、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，數據顯示采用復合材料結構的前機身段，可比金屬結構減輕質量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%；復合材料垂直安定面可減輕質量32.24%。用軍機戰術技術性能的重要指標――結構重量系數來衡量，國外第四代軍機的結構重量系數已達到27～28%。未來以f-22為目標的背景機復合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機和無人駕駛飛機，已實現了結構的復合材料化。目前主要使用的是t300級和t700級小絲束碳纖維增強的復合材料。

美國f－22 軍用飛機

民品

在民用領域，555座的世界最大飛機a380由于cfrp的大量使用，創造了飛行史上的奇跡。飛機25%重量的部件由復合材料制造，其中22%為碳纖維增強塑料(cfrp), 3%為首次用于民用飛機的glare纖維－金屬板（鋁合金和玻璃纖維超混雜復合材料的層狀結構）。這些部件包括：減速板、垂直和水平穩定器(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、后機身、水平尾翼和副翼均采用cfrp制造。繼a340對碳纖維龍骨梁和復合材料后密封框――復合材料用于飛機的密封禁區發起挑戰后，a380又一次對連接機翼與機身主體結構中央翼盒新的禁區發起了成功挑戰。僅此一項就比最先進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因疲勞或腐蝕受損。從而大大減少了油耗和排放，燃油的經濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高飛機的低15%--20%，成為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠程客機。

空中客車a-380

航天領域的新進展

火箭、導彈

以高性能碳(石墨)纖維復合材料為典型代表的先進復合材料作為結構、功能或結構/功能一體化構件材料，在導彈、運載火箭和衛星飛行器上也發揮著不可替代的作用。其應用水平和規模已關系到武器裝備的跨越式提升和型號研制的成敗。碳纖維復合材料的發展推動了航天整體技術的發展。碳纖維復合材料主要應用于導彈彈頭、彈體箭體和發動機殼體的結構部件和衛星主體結構承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發動機噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料，在美國侏儒、民兵、三叉戟等戰略導彈上均已成熟應用，美國、日本、法國的固體發動機殼體主要采用碳纖維復合材料，如美國三叉戟-2 導彈、戰斧式巡航導彈、大力神一4 火箭、法國的阿里安一2 火箭改型、日本的m-5火箭等發動機殼體，其中使用量最大的是美國赫克里斯公司生產的抗拉強度為5.3gpa 的im-7 碳纖維，性能最高的是東麗t-800 纖維，抗拉強度5.65gpa、楊氏模量300gpa。由于粘膠基原絲的生產由于財經及環保危機的加劇，航天級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粘膠原絲新原料開發成功名為raycarbc2tm 的新型纖維素碳布，并經受了美軍方包括加工、熱/結構性質及火焰沖刷試驗在內的全部資格測試，在固體發動機的全部靜態試驗中都證明該替代品合格，2004 年十一月，該碳布/酚醛復合材料已用于阿里安娜v flight164上成功飛行。

法國阿里安娜v 型導彈

衛星、航天飛機及載人飛船

高模量碳纖維質輕，剛性，尺寸穩定性和導熱性好，因此很早就應用于人造衛星結構體、太陽能電池板和天線中。現今的人造衛星上的展開式太陽能電池板多采用碳纖維復合材料制作，而太空站和天地往返運輸系統上的一些關鍵部件也往往采用碳纖維復合材料作為主要材

料。

碳纖維增強樹脂基復合材料被作航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等。美國發現號航天飛機的熱瓦，十分關鍵，可以保證其能安全地重復飛行。一共有8 種：低溫重復使用表面絕熱材料lrsi；高溫重復使用表面絕熱材料hrsi；柔性重復使用表面絕熱材料frsi；高級柔性重復使用表面絕熱材料afri；高溫耐熔纖維復合材料fric―hrsi；增強碳/碳材料rcc；金屬；二氧化硅織物。其中增強碳/碳材料rcc，最為要的，它可以使航天飛機承受大氣層所經受的最高溫度1700℃。

隨著科學技術的進步，碳纖維的產量不斷增大，質量逐漸提高，而生產成本穩步下降。各種性能優異的碳纖維復合材料將會越來越多地出現在航空航天領域中，為世界航空航天技術的發展作出更大的貢獻。

在這些行業的應用中往往離不開我們上海依肯機械設備有限公司的設備 研磨分散機，它綜合了均質機、球磨機、三輥機、剪切機、攪拌機等機械的多種性能，具有優越的超微粉碎、分散乳化、均質、混合等功效。物料通過加工后，粒度達2～50微米，均質度達90%以上，是超微粒加工的理想設備。