碳纤维复合材料的性能分析及其在航空领域的应用_徐悦.pdf
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1、 化学工程与装备 2023 年 第 5 期 200 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 5 月 碳纤维复合材料的性能分析 及其在航空领域的应用 碳纤维复合材料的性能分析 及其在航空领域的应用 徐 悦(连云港中复连众复合材料集团有限公司,江苏 连云港 222006)摘 要:摘 要:在科学技术大爆发的特殊时代,许多优秀成果应用于我国的航空领域,与此同时,国家殷切希望提高航空材料的性能。在此国家发展的关键时刻,需要科研人员在材料领域进行实验,制造研发出更加优秀的碳纤维复合材料。航天航空制造采用新型材料,必能全面提升我国航空领域的科学技术水平,也为更加新型的科学
2、研究打下坚实基础。本篇文章浅述了航空领域碳纤维复合材料在制备、结构性能以及产业化等方面的应用/发展现状情况,并展望其未来发展趋势。关键词:关键词:碳纤维复合材料;航空领域;性能;应用分析 引 言 引 言 当今时代,碳纤维复合材料因性能优异,且其制成品重量低,有极高的应用价值,逐渐取代铝合金等复合材料成为航空领域、风力发电领域等部件生产的首选材料,扮演着“材料主力军”的角色。碳纤维复合材料是通过物理和化学手段,将碳纤维与金属、树脂、水泥、陶瓷等不同性质的特殊材料融合,改善原材料脆性大、抗氧性能差等缺点,进而拥有与众不同的协同优点和全新特性,最大限度地发挥不同材料的性能优势。此外,碳纤维复合材料流
3、动性能好,能够根据需求灵活设计及加工,所以在科学研究中,调节和应用不同组成成分可以满足多种不同的制造要求及使用标准,应用范围非常广阔。1 碳纤维复合材料的性能分析 1 碳纤维复合材料的性能分析 1.1 重量优势 与其他复合材料相比,碳纤维复合材料性能优异,具体见下表:材料种类 弹性模量 Gpa 抗拉强度 M Gpa 密度 g/cm3 比刚度 Gpa/(g/cm3)比强度 Mpa/(g/cm3)高强钢 210 1.08 7.8 27 0.14 铝合金 75 0.47 2.8 26 0.17 钛合金 114 0.96 4.5 25 0.21 玻纤 89 3.2 2.53 34 1.28 碳维 23
4、0 3.53 1.76 130 2 碳纤维复合材料出彩点表现在其高水平的弹性模量、高比强度,具备良好的机械性能,相关数据显示:在其他条件相同的情况下,基于碳纤维复合材料制成的航空航天工业成品重量与其他材料的工业成品重量相比大概轻 500kg。使用碳纤维材料不仅能够大幅降低航空航天设备的结构质量,实现轻量化,提高运送物资能力,而且能显著提高航空燃料的转换率,有效减少动力损耗,节约大量燃料。据资料显示,选用碳纤维复合材料制成的飞机噪音也较小。1.2 材料耐性 一般而言,碳纤维复合材料制品具有优良的耐性。碳纤维具有稳定的化学特性,能经受住盐碱及有机试剂的腐蚀,几乎无生锈或腐蚀问题出现。使用碳纤维复合
5、材料制造外层构造能够有效抵抗雨水的腐蚀及空气氧化作用,这也是成为航空航天设备外层材料的一加分项。除此之外,考虑到飞机起飞对初始速度的要求很高,故飞机达到该速度飞行时不可避免的会与周身气流发生摩擦产生大量的热,这就对飞机外层材料的耐摩擦及耐高温能力提出了要求。实验结果指明,碳纤维复合材料具有超高的抗摩擦能力及耐高温性能,其在温度高达 2000的环境中仍然可以很好地保证自身性能及稳定的形态。碳纤维复合材料耐疲劳性能强,连续长时间使用对性能几乎无影响,不仅能提高飞机的寿命,还能保障飞机外部结构的完整稳定,助力航空安全。2 碳纤维复合材料在航空领域的具体应用 2 碳纤维复合材料在航空领域的具体应用 2
6、.1 碳纤维复合材料的总体应用分析 有关资料显示:当前碳纤维复合材料在直升机及小型飞机中的使用量已达到 70%-80%,使用碳纤维复合材料制作关键部件可有效提高制品的强度和刚度,但在进行飞机材料的运用与制造的设计中,材料损伤容限性能以及抗损伤性能是DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.05.099 徐 悦:碳纤维复合材料的性能分析及其在航空领域的应用 201 科研人员和设计师不得不慎重考虑的筛选条件,甚至同一种材料在飞机不同的部位的机械性能也各不相同,也需要进行专业评估。碳纤维复合材料部件按照受力情况可以分为承重件及非承重件,详细信息见下表:部件功能 部件示例 承重件 中央
7、翼盒、机身、机翼等 非承重件 发动机整流罩、刹车盘、机门,口盖,舵面等 按照不同的加工技术要求同样可以划分不同部件,详细信息见下表:加工技术 优点 缺点 应用 机械加工技术 设备简单 成本低 尺寸精度差 表面质量差 易出现毛边、材料分层等缺陷 机门等 高压磨料水射流加工技术 加工效率高 尺寸精度高 表面质量好 工艺复杂 成本较高 发动机叶盘、机翼、传动轴等 激光加工技术 灵活性高 尺寸精度高 表面质量好 工艺复杂 成本较高 航空发动机、飞机机翼、飞机机身等 碳纤维复合材料的优点十分显著。重量非常轻,拥有耐高温的特性,常受火箭工程师所青睐。火箭用复合材料还可在燃料燃烧推动火箭发射的过程中减少噪音
8、的产生。飞机制造采用碳纤维复合材料可以提高 23%的材料密度,无须牺牲空速。其能量转化损失小,能源消耗也较其他复合材料低。碳纤维复合材料制作的飞机螺旋桨可以节省燃料,提升飞机飞行时间。飞机外壳材料的强度及拉伸性能要求高,而碳纤维复合材料已达到高温成型技术、应用成本低,各方面都能很好满足,并且其强度模量较金属材料更胜一筹,能很好应对空气对流情况,防止飞机碎裂。2.2 C/C 复合材料的应用 碳纤维增强碳基本复合材料(以下称“C/C 复合材料”)是 21 世纪战略材料中不可或缺的重要材料,它是将碳与碳纤维结合,密度低且具有非常优越的热传导和热稳定性,在航空航天领域“大放光彩”。高速行驶的飞机起动加
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