碳纤维复合材料在国外军工上的应用案例

  碳纤维是一种力学性能优异的新材料,密度不到钢的1/4。碳纤维树脂复合材料的抗拉强度一般都在3500MPa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000-43000MPa,亦高于钢。碳纤维还具有出色的耐热性(可以耐受2000 C以上的高温)、抗热冲击性、低热膨胀系数(变形量小)、优异的抗腐蚀与抗辐射性能。

  碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度、比模量等综合指标,在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、质量、耐疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、高化学稳定性的场合,碳纤维复合材料都颇具有优势。

  1.飞机主承力结构组件

  碳纤维复合材料在国外军Y飞机制造业中占有举足轻重的地位,从迄今为止最昂贵的B- 2战略轰炸机到最新的小型无人战斗机X- 45A(UCAV),碳纤维复合材料被广泛的用来制作飞机壳体、机架、机翼、横梁、阻流板尾翼舵、螺旋桨、起落架、发动机舱门等部件,碳纤维复合材料使飞机结构重量显著减轻,有效地改善了飞机的可靠性和维修性,降低飞机全寿命成本。

  2.结构隐身材料方面的应用

  新型碳纤维复合材料隐身材料对于军Y飞机和导弹屏蔽或衰减雷达波或红外特征,提高自身生存和突防能力,具有至关重要的作用。以碳纤维增强热固性树脂基复合材料(如C/EP、C/PI或C/BMI)和热塑性树脂基复合材料(如C/PEEK、C/PPS)作为结构隐身材料正日益成为新宠,美国通用动力公司研制的AGM-129是一种空中发射的巡航导弹,射程可达3700km,为了达到隐形目的,除了采用了隐形结构设计,还采用大量的碳纤维复合材料制造弹体,两个全动式方向舵面和弹翼等全部用吸波碳纤维复合材料制造,降低了雷达反射截面积,美国第四代战斗机YF-22A中碳纤维复合材料的应用比例超过35%。

  3.碳纤维制成的特殊炸弹一石墨炸弹

  “石墨炸弹”是利用碳纤维导电原理破坏敌方电力设施的武器,将碳纤维制成丝团状,其导电、绝缘性能各异,重量极轻,以电厂、变电站、配电站等能源设施为目标,通过导弹或空投等方式,造成电力短路,破坏其电厂生产、各种输变电功能,从而达到破坏以电为能源的军事指挥、通信联络以及各种武器、装备的目的。在美伊战争中,美军向巴格达发射了多枚石墨炸弹,大量碳纤维密密麻麻地飘向电厂、电站,造成巴格达全市停电,其中,军事领导机关的停电、通信部门的停电以及以电为能源的诸多侦察、瞄准乃至射击武器的停电直接影响了作战。

  4.在野战 工事中的应用

  碳纤维复合材料制作成的野战工事组件具有轻质高强装配迅速的特点,可用于掩蔽部、火力工事和观察工事,适宜于在山地、丘陵、水网稻田地等条件下使用。美国、法国、意大利、德国等国家都有用碳纤维复合材料制成的野战舟桥、掩蔽部、防弹板等,采用蜂窝夹层,实现了构件由粗笨重向轻灵巧的过渡。

  5.碳纤维复合材料高压气瓶

  以橡胶或金属合金材料作气瓶内衬,外面缠绕碳纤维复合材料 ,经固化后得到能够承受10- 200MPa的高压气瓶,作为航天、航空及导弹的能量存储器。碳纤维复合材料层作为高压气瓶的主要承力部分,橡胶或金属合金材料内衬主要起密闭作用,碳纤维复合材料高压气瓶与相同压力和容积的钢瓶相比,可以减少50%的重量。