碳纖維材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

《碳纖維材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、碳纖維材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用09材料（1）班陳琳A09120101摘要：闡述了碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)異性能以及應(yīng)用，主要介紹了其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，并分析了目前我國(guó)碳纖維復(fù)合材料的研究進(jìn)展和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：碳纖維材料；應(yīng)用；航空領(lǐng)域1.引言碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維由于具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電和導(dǎo)熱等性能，因而使其成為一種兼具碳材料強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征的化工新材料，是新一代增強(qiáng)纖維。目前，碳纖維不僅廣泛應(yīng)用軍事工業(yè)，而且在汽車構(gòu)件、風(fēng)力發(fā)電葉片、核電、油田

2、鉆探、體育用品、碳纖維復(fù)合芯電纜以及建筑補(bǔ)強(qiáng)材料領(lǐng)域也存在巨大應(yīng)用空間，而其在航空領(lǐng)域的光輝業(yè)績(jī)尤為引人注目。2.碳纖維的發(fā)展碳纖維應(yīng)宇航工業(yè)對(duì)耐燒蝕和輕質(zhì)高強(qiáng)材料的迫切需求發(fā)展起來，它主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是繼玻璃纖維之后出現(xiàn)的第二代纖維增強(qiáng)塑料。碳纖維的含碳量在90%以上，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強(qiáng)度和最高比模量。在2000℃以上高溫惰性環(huán)境中，碳纖維是唯一一種強(qiáng)度不下降的物質(zhì)。此外，它還兼具其它多種得天獨(dú)厚的優(yōu)良性能，更可貴的是，碳纖維與其它材料具有很高的相容性，兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，并且容易復(fù)合，具有很大的設(shè)計(jì)

3、自由度。這就使得碳纖維成為纖維增強(qiáng)材料中發(fā)展最迅速、應(yīng)用范圍很廣、適于不同領(lǐng)域要求的纖維材料。研制大型飛機(jī)要突破許多關(guān)鍵技術(shù)，其中一項(xiàng)是“先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)”，這項(xiàng)技術(shù)離不開碳纖維。世界碳纖維的需求在各用途領(lǐng)域都不斷增長(zhǎng)，特別是急速增長(zhǎng)的航空航天領(lǐng)域拉動(dòng)了碳纖維全體的增長(zhǎng)。碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成結(jié)構(gòu)材料。自玻璃纖維與有機(jī)樹脂復(fù)合得到的玻璃鋼問世以來，碳纖維、陶瓷纖維以及硼纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料相繼研制成功，而且性能不斷得到改進(jìn)，使復(fù)合材料領(lǐng)域呈現(xiàn)出一派勃勃生機(jī)。碳纖維復(fù)合材料與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為飛機(jī)機(jī)體的四大先進(jìn)結(jié)構(gòu)材

4、料。3.碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的具體應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料因其獨(dú)特、卓越的性能，在航空領(lǐng)越特別是飛機(jī)制造業(yè)中應(yīng)用廣泛。統(tǒng)計(jì)顯示，目前，碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量已占70％~80％，在軍用飛機(jī)上占30％~40％，在大型客機(jī)上占15％~50％。（1）碳纖維樹脂基復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）具有質(zhì)量輕等一系列突出的性能，在對(duì)重量、剛度、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域以及要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都具有很大優(yōu)勢(shì)。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料已成為生產(chǎn)武器裝備的重要材料。AV—8B改型“鷂”式飛機(jī)是美國(guó)軍用飛機(jī)中使用復(fù)合材料最

5、多的機(jī)種，其機(jī)翼、前機(jī)身都用了石墨環(huán)氧大型部件，全機(jī)所用碳纖維的重量約占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重量的26％，使整機(jī)減重9％，有效載荷比AV—8A飛機(jī)增加了一倍。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)和無人駕駛飛機(jī)，已實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。直升飛機(jī)上碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的用量更是與日俱增。武裝了駐港部隊(duì)并參加了2007年上海合作組

6、織在俄羅斯反恐軍演的直-9型直升飛機(jī)，是我國(guó)先進(jìn)的直升飛機(jī)。該機(jī)復(fù)合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生產(chǎn)的OH-1“忍者”直升飛機(jī)，機(jī)身的40％是用CFRP，槳葉等也用CFRP制造。在民用領(lǐng)域，世界最大的飛機(jī)A380由于CFRP的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。這種飛機(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)。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最高飛機(jī)的低15%~20%成為第一個(gè)每乘客

7、每百公里耗油少于三升的遠(yuǎn)程客機(jī)。（2）碳/碳復(fù)合材料碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維及其制品（碳?xì)只蛱疾迹┳鳛樵鰪?qiáng)材料的復(fù)合材料。因?yàn)樗慕M成元素只有一個(gè)（即碳元素），因而碳/碳復(fù)合材料具有許多碳和石墨材料的優(yōu)點(diǎn)，如密度低（石墨的理論密度為2.3g/cm3）和優(yōu)異的熱性能，即高的熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)，能承受極高的溫度和極大的熱加速率，有極強(qiáng)的抗熱沖擊，在高溫和超高溫環(huán)境下具有高強(qiáng)度、高模量和高化學(xué)惰性。憑借著輕質(zhì)難熔的優(yōu)良特性，碳纖維增強(qiáng)基體的復(fù)合摩擦材料在航空航天工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。航天飛機(jī)軌道的鼻錐和機(jī)翼前緣材料，都會(huì)選用碳/碳復(fù)合材料。另外還大量用作高超音速飛機(jī)

8、的剎車片，目前，國(guó)際上大