炭纖維復合材料在航空航天領域中的應用

發(fā)布時間： 2022/6/20

　　一百多年來，材料與航空航天工業(yè)一直在相互推動、不斷發(fā)展，各種宇宙飛行器、探測器、空間站和人造衛(wèi)星等在太空軌道中飛行，航天飛機和戰(zhàn)略武器重返大氣層需經(jīng)苛刻的高溫環(huán)境，研發(fā)大型火箭和人造衛(wèi)星以及全面提升飛機性能，急需新型結(jié)構(gòu)材料及耐燒蝕材料。隨著科學技術的進步和復合技術的不斷提高，炭纖維復合材料的性能El臻完善，成為高新科技發(fā)展的物質(zhì)基礎組成部分。各種飛行器的使用環(huán)境與溫度如表1所示。
　　表1 各種飛行器部件的使用環(huán)境、溫度與壽命對比

部件

熱循環(huán)/次

溫度/℃

總熱壽命/s

環(huán)境

飛機剎車片

固體火箭噴管喉襯

導彈再入飛行器鼻錐

環(huán)地軌道飛行器鼻錐

超音速飛行器控制

宇宙飛船散熱器

航天發(fā)動機接力室

燃氣部件

1500-4000

100

10000

1000

500

825

3200

6600

1500

1650

1035

30-50

0.02

O.01

50-100

25-100

－

2000-4000

空氣

燃氣

離解氣體

空氣

－

燃氣

　　在航天領域，美國的三叉戟——2型導彈、侏儒導彈和大力神-4(直徑為3.2m)采用了高強中模炭纖維復合材料。我國第一顆實用通信衛(wèi)星應用了炭纖維/環(huán)氧復合材料拋物面天線系統(tǒng)，第一顆太陽同步軌道“風云一號"氣象衛(wèi)星采用了多折疊式炭纖維復合材料剛性太陽電池陣結(jié)構(gòu)。炭纖維復合材料還可用來制造航天飛機的機翼、火箭的噴焰El、戰(zhàn)略導彈的末級助推器等。
　　

　　圖1波音787飛機所用結(jié)構(gòu)
　　材料的質(zhì)量分數(shù)
　　炭纖維復合材料可以提高凈載質(zhì)量，縮短航行時間，高速化，節(jié)能降耗等，在航空領域同樣意義重大。早在19世紀70年代初期，美國軍用F14戰(zhàn)斗機就部分采用炭纖維復合材料作為主承力結(jié)構(gòu)。在民用航空領域，如波音767和空中客車A310中，炭纖維復合材料也占到了結(jié)構(gòu)質(zhì)量的3％和5％左右。A380-800飛機中先進纖維復合材料用量高達30～35t，主要是炭纖維/環(huán)氧復合材料，也包括玻璃纖維增強鋁和玻璃纖維/環(huán)氧復合材料。表2列出了炭纖維復合材料在大飛機上用量逐年遞增的情況。顯然，炭纖維復合材料在空客A380和波音787上的用量已占到結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的50%，可稱為復合材料飛機。圖1是波音787所用結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量分數(shù)F383，制造波音飛機通用的鋁合金、鈦合金分別降低到20％和15％，炭纖維復合材料成為制造大飛機的主體材料。
　　表2 炭纖維復合材料在大飛機上的逐年用量對比

年份

飛機機型

結(jié)構(gòu)材料

炭纖維復合材料用量/t

炭纖維用量/t

1982

1995

2006

2008

B767等

B777

A380

B787

二次結(jié)構(gòu)材料

一次結(jié)構(gòu)材料；二次結(jié)構(gòu)材料

1.5

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