復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

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1、復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用1.碳碳復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用碳/碳復(fù)合材料是一種新型高溫材料,具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優(yōu)異性能。該材料的密度不到2.0g/cm3jy為線基高溫合金的以,陶瓷材料的瓏,尤其是這種材料隨著溫度升高(可達(dá)2200°C)其強(qiáng)度不僅不降低，甚至比室溫還高，這是其它材料所無(wú)法比擬的獨(dú)特的性能。在應(yīng)丿IJ方面，作為抗燒蝕，短時(shí)使用的材料，碳/碳復(fù)合材料已在航天工業(yè)中得到成功的應(yīng)用，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管、喉襯，航天飛機(jī)的機(jī)翼前緣等［1?4］。在航空領(lǐng)域的丿應(yīng)用,最成功的范例當(dāng)數(shù)碳/碳復(fù)

2、合材料剎車(chē)盤(pán)，在這方面已形成了成熟的市場(chǎng)。但作為研究的焦點(diǎn)，目前則主要集小在作為高溫長(zhǎng)時(shí)使用的結(jié)構(gòu)材料方面。將該材料用丁航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件是口前世界上各先進(jìn)國(guó)家研究和發(fā)展的方向，并己取得初步成果。木文主要介紹該材料川于航空領(lǐng)域的悄況,由此町以看到碳/碳復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展前景。碳/碳復(fù)合材料E機(jī)剎車(chē)裝置碳/碳復(fù)合材料剎車(chē)盤(pán)的優(yōu)越性從宏觀上分析，碳/碳復(fù)合材料剎車(chē)盤(pán)的優(yōu)越之處主要源于其本身密度小,耐高溫的特點(diǎn)，由于其密度小、使用碳/碳盤(pán)后可以使每架飛機(jī)垂量大大減輕八如空中客車(chē)A310減重499kg,A300-600減重590kg,A330及A340減重

3、998kg⑸，麥道公司的MD-11減還900kg,僅由于改用碳/碳盤(pán)就可使每架E機(jī)減重如此之多，已足以說(shuō)明其誘人之處。不僅如此,其優(yōu)界的高溫性能也十分引人注冃,一架飛機(jī)剎車(chē)摩擦引起的溫升高達(dá)500°C以上,尤其是垠苛刻的起飛緊急剎車(chē)引起的溫升超過(guò)1000CC,一架波音747-400的剎車(chē)系統(tǒng)在起飛中緊急剎車(chē)時(shí)會(huì)產(chǎn)生1.75X108kgm的功廠?些剎車(chē)元件將達(dá)到熔點(diǎn)⑹，此時(shí)碳/碳材料的耐高溫性能就顯示了極大的優(yōu)越性。就微觀結(jié)構(gòu)而言，石墨晶體屬于層狀結(jié)構(gòu)，碳原子排列于一系列相距較遠(yuǎn)(0.3414nm)的原了面上，在各層而上的碳原了按正六角形排列，原了在同層之內(nèi)的結(jié)

4、合力遠(yuǎn)遠(yuǎn)人于層間結(jié)合力，鄰層Z間的結(jié)合鍵能明顯較低容易滑移，摩擦阻力小，而薄片層內(nèi)的碳原子在滑動(dòng)時(shí)卻不會(huì)潰散，有較人的承載能力。同時(shí)碳/碳材料又不屬于純石墨結(jié)構(gòu)，碳/碳復(fù)合材料中碳纖維和熱解碳的微觀組織屬于亂層石墨結(jié)構(gòu)，因而摩擦系數(shù)比石墨高。碳纖維一方面起著增強(qiáng)基體的作用，使剎午盤(pán)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)由丁其石墨化度不高，提鬲了摩擦系數(shù)，因此通過(guò)調(diào)整碳/碳材料碳纖維的體積含量可以得到既有足夠強(qiáng)度乂有適中摩擦系數(shù)的碳/碳盤(pán),通過(guò)改變基體熱解碳的石墨化度還可以進(jìn)i步改善其摩擦磨損性能。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使碳/碳剎千盤(pán)具有合適的摩擦系數(shù)和很好的耐磨性，導(dǎo)致便用壽命大

5、幅度提高。采用碳/碳盤(pán)后更換周期大幅度延長(zhǎng)，一個(gè)周期可達(dá)到1500?3000個(gè)起落，壽命提高5?6倍.我國(guó)從70年代初開(kāi)始研制碳/碳剎車(chē)裝直，先后參與此項(xiàng)工作的有蘭州碳索廠、524廠、上海碳素廠、朋臺(tái)冶金新材料研究所、西北工業(yè)大學(xué)等單位，采用的工藝方法主要為CVD法。在致密化工藝、增強(qiáng)體準(zhǔn)備、性能控制等方面，取得了一些成績(jī)，研制出了某型飛機(jī)碳/碳盤(pán)樣件、BAel46碳/碳盤(pán)樣件、碳/碳盤(pán)的縮比件。并進(jìn)行了性能及結(jié)構(gòu)方面的研究，尤其在摩擦搟損機(jī)理、石墨化度的影響及提高石墨化度的方法等方面進(jìn)行了綾深入的探討，提出了高摩擦性能碳/碳材料的模型［8］。從總體情況來(lái)講,

6、FI前國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)水平相比盡管仍有差距，但己有能力牛產(chǎn)合格的碳/碳盤(pán)。遺憾的是我國(guó)的碳/碳盤(pán)一直沒(méi)有實(shí)用，主要在于以下幾個(gè)方面:(1)設(shè)備方面比較落后，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，批最小、成木居高不下，有些核算成木比進(jìn)口碳/碳盤(pán)還高，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì);(2)在民機(jī)上應(yīng)用有一個(gè)技術(shù)許可問(wèn)題，沒(méi)有得到波音、麥道、空中客車(chē)等國(guó)外飛機(jī)生產(chǎn)廠家的許可是不能裝備其飛機(jī)的，而要取得許可證則需要一定的財(cái)力支持，同時(shí)由于國(guó)際上碳/碳盤(pán)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)局而已經(jīng)形成，進(jìn)入這一市場(chǎng)有一定困難，必須冇民航等各方面的配合支持;(3)資金投入不足，在新型致密化工藝、摩擦性能等關(guān)鍵性技術(shù)方面的研究進(jìn)

7、展較小，落后于國(guó)外先進(jìn)水平，落后則打不入市場(chǎng)，進(jìn)不了市場(chǎng)，則沒(méi)有財(cái)力提高水平，實(shí)際是沒(méi)有進(jìn)入良性循環(huán)狀態(tài).發(fā)動(dòng)機(jī)熱端使用碳/碳復(fù)合材料的必要性隨航空事業(yè)的發(fā)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比有越來(lái)越高的要求，而提高新型發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的關(guān)鍵是提高熱效率，其實(shí)現(xiàn)辦法是提高空氣壓縮比和提高渦輪進(jìn)氣溫度。從壓氣機(jī)增壓比和渦輪進(jìn)氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的關(guān)系可以看出，渦輪進(jìn)氣溫度和空氣壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的影響很大。因此，航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)氣溫度將會(huì)啟更人的提高［12］,這就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的材料提出了越來(lái)越高的要求,能夠在1600?2000°C高溫下正常工作的材料只有

8、碳/碳復(fù)合材料，同時(shí)，它述具有以下特殊