碳纤维复合材料在国内外航空领域的应用展望

  碳纤维一般不是单独使用,而是以复合材料的形式被使用。碳纤维经过树脂固化变成新的材料,受力的是碳纤维,树脂在其中起到粘接的用途。就好比钢筋混凝土,钢筋来承受力量,而混凝土的作用则是传力黏结,起到保护钢筋的效果。在20世纪四五十年代,国外就开始对碳纤维及其复合材料进行探究研究。二战之后,美国、日本和德国对于碳纤维复合材料的研究也非常深入。

  我国对于碳纤维复合材料的研究长达30年。2008年,关于T300级碳纤维工业化生产流程的关键技术得到了突破,已经基本实现了国产化,部分产品能够替代进口产品。如今, T700级的碳纤维还没有大规模投入生产, T800碳纤维也在研究阶段,我国对于碳纤维及其复合材料的研究与国外相比,有着20-30年的差距。碳纤维首先被用于航空航天方面是在20世纪七八十年代,但是运用的范围很小,量也非常小,直到进入20世纪90年代中期,第三代航空装备和载人航天项目开始实施的时候,碳纤维复合材料才得到了更多运用。但由于国内缺少材料,需要依靠国外进口。直到2008年,我国启动大飞机项目,碳纤维复合材料的生产在国内才有了快速发展的趋势。虽然我国对于碳纤维复合材料的研究和利用与国外还有差距,但是我国的追赶速度和发展非常快,预计再过十几年,我国就可以赶上国外的研究和运用程度。

  航空航天可以说是一个对于碳纤维进行运用的国际传统市场,最先得到运用的是航天领域,美国等发达国家依次先后开发出了碳纤维-酚醛防热复合材料、耐高温碳纤维复合材料等一系列的产品,碳纤维复合材料在其中主要运用于受力部分、耐热的部位,比如,火箭发动机的外壳、火箭发动机的喷管、火箭箭体等结构。然后,在航空领域也开始运用碳纤维复合材料,首先主要用于JY飞机的非受力的部分,比如,舵面、整流罩等地方,接着随着发展,碳纤维复合材料被用于大的非承力部位,比如整个舵而、机头、机身以及机翼等部分。

  国外的碳纤维复合材料在战斗机、无人机以及直升机上面也有很多的运用,其用量已经达到或者是超过了机身总质量的50%,在军事飞机上的运量也达到了总质量的30%。波音747“梦幻航线”和空客A350XWB宽体客机上都运用到了碳纤维复合材料,其中此结构件质量也已经达到了总重量的50%。

  我国在航空和航天领域对碳纤维复合材料的运用有不同之处,我国对于碳纤维复合材料的运用在航天领域发展得比较快,我国的航天器,比如火箭、卫星等使用周期短,碳纤维复合材料结构比重比较大,约占到20%,与国外的探究和运用水平达到了齐平的地步。

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