碳纖維材料在航空領域的應用

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

2、鉆探、體育用品、碳纖維復合芯電纜以及建筑補強材料領域也存在巨大應用空間，而其在航空領域的光輝業(yè)績尤為引人注目。2.碳纖維的發(fā)展碳纖維應宇航工業(yè)對耐燒蝕和輕質(zhì)高強材料的迫切需求發(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)的第二代纖維增強塑料。碳纖維的含碳量在90%以上，具有優(yōu)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。在2000℃以上高溫惰性環(huán)境中，碳纖維是唯一一種強度不下降的物質(zhì)。此外，它還兼具其它多種得天獨厚的優(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，并且容易復合，具有很大的設計

3、自由度。這就使得碳纖維成為纖維增強材料中發(fā)展最迅速、應用范圍很廣、適于不同領域要求的纖維材料。研制大型飛機要突破許多關鍵技術，其中一項是“先進復合材料結構設計技術”，這項技術離不開碳纖維。世界碳纖維的需求在各用途領域都不斷增長，特別是急速增長的航空航天領域拉動了碳纖維全體的增長。碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成結構材料。自玻璃纖維與有機樹脂復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的復合材料相繼研制成功，而且性能不斷得到改進，使復合材料領域呈現(xiàn)出一派勃勃生機。碳纖維復合材料與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為飛機機體的四大先進結構材

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

5、多的機種，其機翼、前機身都用了石墨環(huán)氧大型部件，全機所用碳纖維的重量約占飛機結構總重量的26％，使整機減重9％，有效載荷比AV—8A飛機增加了一倍。數(shù)據(jù)顯示采用復合材料結構的前機身段，可比金屬結構減輕質(zhì)量32.24%。用軍機戰(zhàn)術技術性能的重要指標——結構重量系數(shù)來衡量，國外第四代軍機的結構重量系數(shù)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(xiàn)了結構的復合材料化。直升飛機上碳纖維增強樹脂基復合材料的用量更是與日俱增。武裝了駐港部隊并參加了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，是我國先進的直升飛機。該機復合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生產(chǎn)的OH-1“忍者”直升飛機，機身的40％是用CFRP，槳葉等也用CFRP制造。在民用領域，世界最大的飛機A380由于CFRP的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。這種飛機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)。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(jīng)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

7、每百公里耗油少于三升的遠程客機。（2）碳/碳復合材料碳/碳復合材料是以碳纖維及其制品（碳氈或碳布）作為增強材料的復合材料。因為它的組成元素只有一個（即碳元素），因而碳/碳復合材料具有許多碳和石墨材料的優(yōu)點，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，有極強的抗熱沖擊，在高溫和超高溫環(huán)境下具有高強度、高模量和高化學惰性。憑借著輕質(zhì)難熔的優(yōu)良特性，碳纖維增強基體的復合摩擦材料在航空航天工業(yè)中得到了廣泛應用。航天飛機軌道的鼻錐和機翼前緣材料，都會選用碳/碳復合材料。另外還大量用作高超音速飛機

8、的剎車片，目前，國際上大