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在航空航天中的碳纤维,不是金属,胜似金属

发布时间:2020-05-14 09:35


  碳纤维树脂基复合材料以其典型的轻量化特征,卓越的比强度、比模量,独特的耐烧蚀性和隐蔽性、材料性能的可设计性、设计灵活性和易加工性等,受到世界各国的青睐。
 
  采用碳纤维复合材料能够实现武器系统的轻量化,从而提高快速反应能力,并在高威力、大射程、精确打击等方面起到巨大的作用。目前采用复合材料制造的零部件已经成为航空、航天、兵器、船舶等国防产品结构的主要组成部分。尤其在以航空为主的国防工业已经得到普遍的应用。
  1.在军事领域应用
 
  复合材料在飞机结构中的用量多少,是飞机先进性的重要标志。为了满足新一代战斗机高机动性、超音速巡航及隐身的要求,进入20世纪90年代后,美国的战机无一例外的大量采用了碳纤维复合材料结构,占飞机总材料的20%以上,有的甚至高达35%,结构减重效果高达30%。碳纤维复合材料的应用部件几乎遍布飞机的基体,包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。
  数据显示,采用碳纤维复合材料结构的前机身段比金属材质结构减轻质量31.5%,零件数量减少61.5%,紧固件减少61.3%。国外一些轻型飞机和无人机已经实现结构的复合材料化。碳纤维复合材料不仅是质轻高强的结构材料,还具有隐身的重要功能,如CF/PEEK或者cf/pps具有几号的宽峰吸收性能,能有效的吸收雷达波。美国的p-22超音速飞机、幻影III战斗机、B-2隐形轰炸机等机身材质均采用碳纤维复合材料来作为雷达波的吸收件。
 
  2.在民用飞机上的应用
 
  材料的选择将直接影响到飞机的购买费用(原材料费用和加工成本)、燃油费用(飞机重量)和维护费用(检查和维修),所以在民用飞机的设计当中,对材料的选择是十分关键的。下图中可以看出,民用飞机的选材会直接影响民用飞机的运营费用。事实证明,碳纤维树脂基复合材料制造飞机部件比传统航空材料通常减重20%-30%,使用和维护成本比金属材料降低15%-25%。
  除了费用外,安全因素也是民用飞机设计选材时必须考虑的重要因素。任何一种新材料在民用飞机上的应用都是漫长的(常为5-10年)和昂贵的(为常用材料的1-5倍)。但是,航空安全对材料性能的苛刻又促进碳纤维复合材料的发展,迫使工业界采取最先进的制造技术来提高材料的性能和降低成本。目前民用飞机中碳纤维复合材料的使用率在不断的增加。
 
  3.在航空发动机上的应用
 
  随着航空发动机性能不断提高,尤其是质量不断减轻,在依靠整体叶盘、整体叶环、空心叶片和对转涡轮等新颖结构的同时,还将越来越多的依赖与高比强度、低密度、高刚度和耐高温能力强的碳纤维复合材料。经过多年的实验和经验的积累,航空发动机上越来越多的部件采用碳纤维复合材料制作,并且各国都纷纷朝着这个方向努力。
  采用复合材料可以减轻风扇及发动机质量,提高比刚度、疲劳性能、损伤和缺陷容限等,航空发动机采用先进复合材料是同时实现更高涵道比和减重的唯一途径,这也为扩大复合材料在发动机上的使用提供了最大的机遇。与金属钛合金叶片相比较,复合材料叶片具有以下一些明显优势:复合材料叶片数量比钛合金叶片数量减少50%,减轻质量66%;高效率、低噪声;较低燃油消耗率;在抗振特别是抗颤振方面,优于钛合金叶片;抗鸟撞能力得到了适航当局的认可。
 
  4.在卫星结构上的应用
 
  高强高模碳纤维具有优异的高比强度、高比模量,尤其是高比模量特性可显著提高结构的自然频率和稳定性,避免发射过程中产生过大的动态响应载荷,进而保证卫星控制系统的正常运行。
 
  此外,在太空极端环境中如极为显著的昼夜温度变化会导致材料发生翘曲、膨胀或收缩等,高强高模碳纤维复合材料在面对真空、高低温交变、紫外辐照、电子辐照、原子氧等复杂条件具有优异的空间环境稳定性,使其成为航天应用关键材料又一主要因素。
  碳纤维树脂基复合材料在卫星结构中应用部位一般有四类。
 
  (1)卫星本体结构,包括卫星外壳、中心承力筒、各种仪器安装结构板;
 
  (2)太阳能电池阵结构,包括太阳能电池基板和连接架;
 
  (3)天线结构,包括反射器、支撑结构和馈源结构;
 
  (4)桁架结构,包括接头和杆件等。
  碳纤维树脂基复合材料在航空工业中的应用是技术推动和需求牵引双重作用下的结果。随着材料性能提高、工艺的改进、成本的降低等方面取得重要进展,碳纤维复合材料在航空航天工业的应用会更加的广泛。反之,航空航天产品的设计优化与技术发展,又对材料的性能提出了更高的要求,促进了碳纤维复合材料的发展。
 
  (本文由博实碳纤维编辑,如需转载,请先联系作者,谢谢!)

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