轻质多功能材料与航空航天_毕英超

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1、2015年春季学期素质教育课程结课论文课程名称：轻质多功能材料与航空航天论文题目：碳纤维复合材料在各领域的应用论文类型：综述类姓名：毕英超学院：材料科学与工程学院学号：20140660任课教师：高亮论文等级：批阅人：批阅时间：【摘要】：先进复合材料技术是21世纪航空领域研究的一大热门,本文章对当代碳纤维复合材料进行了简要的介绍,对先进碳纤维复合材料复合材料在各个领域，尤其是航空领域的应用进行了详细的分析,特别是先进复合材料在飞机结构上的应用,分别列举了先进复合材料在军用飞机和民用飞机上的典型应用。1、前言碳纤维是由有机母体纤维(粘胶丝、聚丙烯睛或沥青等)采用高温分解法在1000-3000℃高温

2、的惰性气体下碳化制成的，具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，是一种力学性能优异的材料。其含碳量一般在90%以上。碳纤维材料有其独特的性能，包括：强度高，是钢铁的5倍；耐热性好，可以承受2000℃以上的高温；密度小，是钢铁的1/5；热膨胀系数低，在温差变化较大的情况下，变形量较低；抗热冲击性能也很好；耐腐蚀性能好，能耐硫酸等强酸的腐蚀；抗拉强度好，能达到钢的7～9倍。特别是聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，其性能优越，更适合规模化生产，是当今碳纤维的主流，成为了军民两用的主导材料，广泛应用于国防、航空航天、高档民用产品。其实，碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，

3、一般在9O％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性，柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴向表现出很高的强度。碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维作为高性能纤维的代表，属于高技术密集型产品，其生产技术复杂，产业发展涉及官、产、学、研各个环节。由于它是发展航天航空和军事工业等尖端技术必不可少的新材料，也是民用工业更新换代的基础材料，国外又对其出口进行封锁，所以近年来我国就一直比较重视对其研制和生产，虽然起步较早，投入不薄，但仍处于失利地位，很

4、重要的一个方面是中国高技术产业创新系统存在的问题。2、碳纤维的研究历史1950年，美国Wright-Patterson空军基地开始研制粘胶基碳纤维。1959年，最早上市的粘胶基碳纤维Thornel一25就是美国联合碳化物公司(ucc)的产品第10页共11页長春工業大學材料科學與工程學院毕英超与此同时，13本研究人员也在1959年发明了用聚丙烯腈(PAN)基原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院开发出了制造高性能PAN基碳纤维的技术流程，使其发展驶入了快车道，PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流，产量占世界总产量的9O％左右。2O世纪70年代中期，UCC在美国空军和海军的资金支

5、持下，研发高性能中间相沥青基碳纤维；1975年研发成功ThornelP一55(P一5)'在1980～1982年之间，又研发成功P一75、P·1O0和P一120，年产量为230t。P-12O的模最高达965GPa，是理论值的94％，热导率是铜的1．6倍，线膨胀系数仅为1。33×10-e／K，且在375℃3、碳纤维复合材料的基本概念说起材料，似乎挺复杂的，其实不尽然。大家肯定都听说过石器时代、铜器时代和铁器时代。这很通俗、又很清楚的表明了人类历史发展与材料的关系。到今天，全球材料结构中仍然有有大约一半是钢铁或其合金，从这个意义上讲，我们现在仍然处于铁器时代。一种用于结构的好材料，一般应具有较大的强

6、度，或者外力作用下发生形变相对较小，或者重量较轻。而有时候，我们要求材料必须同时具备强度高、变形小和重量低这三种特性。因此，材料科学领域提出了比强度和比模量的概念。比强度(specificstrength)是材料的强度（断开时单位面积所受的力）除以其密度。又被称为强度－重量比。比强度高，简单的说，就是材料又要结实，又要轻。举个例子来说，比普通钢强度高7倍的合金钢，够结实。可是太重。要用合金钢增加结构强度，就必须同时增加重量，这对需要高速运动的物体，意义就不大了。因此我们说，合金钢的比强度还是不够高。比模量(specificmodulus)是材料的模量（在受力状态下的应力与应变之比）除以其密度，

7、又称劲度－质量比。比模量高，简单的说，就是材料又要变形小，又要轻。各种工程材料，比如木材、铝、钢，它们的比强度差别很大，但比模量其实都差不多，仅仅从比模量角度，他们之间相互替代的意义也并不大。强度高、变形小、重量低，什么地方会用到这样的材料呢？第10页共11页長春工業大學材料科學與工程學院毕英超对了，就是航空和航天工业。飞行器的运动速度高，过载大，对材料强度和变形有严格要求。而且，商用飞机每减重一