复合材料在航空航天领域的应用

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1、复合材料在航空航天领域的应用1.碳碳复合材料在航空领域的应用碳/碳复合材料是一种新型高温材料,具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优异性能。该材料的密度不到2.0g/cm3jy为線基高温合金的以,陶瓷材料的珑,尤其是这种材料随着温度升高(可达2200°C)其强度不仅不降低，甚至比室温还高，这是其它材料所无法比拟的独特的性能。在应丿IJ方面，作为抗烧蚀，短时使用的材料，碳/碳复合材料已在航天工业中得到成功的应用，如火箭发动机尾喷管、喉衬，航天飞机的机翼前缘等［1〜4］。在航空领域的丿应用,最成功的范例当数碳/碳复

2、合材料刹车盘，在这方面已形成了成熟的市场。但作为研究的焦点，目前则主要集小在作为高温长时使用的结构材料方面。将该材料用丁航空发动机的热端部件是口前世界上各先进国家研究和发展的方向，并己取得初步成果。木文主要介绍该材料川于航空领域的悄况,由此町以看到碳/碳复合材料在航空领域的应用发展前景。碳/碳复合材料E机刹车装置碳/碳复合材料刹车盘的优越性从宏观上分析，碳/碳复合材料刹车盘的优越之处主要源于其本身密度小,耐高温的特点，由于其密度小、使用碳/碳盘后可以使每架飞机垂量大大减轻八如空中客车A310减重499kg,A300-600减重590kg,A330及A340减重

3、998kg⑸，麦道公司的MD-11减還900kg,仅由于改用碳/碳盘就可使每架E机减重如此之多，已足以说明其诱人之处。不仅如此,其优界的高温性能也十分引人注冃,一架飞机刹车摩擦引起的温升高达500°C以上,尤其是垠苛刻的起飞紧急刹车引起的温升超过1000CC,一架波音747-400的刹车系统在起飞中紧急刹车时会产生1.75X108kgm的功厂•些刹车元件将达到熔点⑹，此时碳/碳材料的耐高温性能就显示了极大的优越性。就微观结构而言，石墨晶体属于层状结构，碳原子排列于一系列相距较远(0.3414nm)的原了面上，在各层而上的碳原了按正六角形排列，原了在同层之内的结

4、合力远远人于层间结合力，邻层Z间的结合键能明显较低容易滑移，摩擦阻力小，而薄片层内的碳原子在滑动时却不会溃散，有较人的承载能力。同时碳/碳材料又不属于纯石墨结构，碳/碳复合材料中碳纤维和热解碳的微观组织属于乱层石墨结构，因而摩擦系数比石墨高。碳纤维一方面起着增强基体的作用，使刹午盘具有足够的强度和刚度，同时由丁其石墨化度不高，提鬲了摩擦系数，因此通过调整碳/碳材料碳纤维的体积含量可以得到既有足够强度乂有适中摩擦系数的碳/碳盘,通过改变基体热解碳的石墨化度还可以进i步改善其摩擦磨损性能。这种结构特点，使碳/碳刹千盘具有合适的摩擦系数和很好的耐磨性，导致便用寿命大

5、幅度提高。采用碳/碳盘后更换周期大幅度延长，一个周期可达到1500〜3000个起落，寿命提高5〜6倍.我国从70年代初开始研制碳/碳刹车装直，先后参与此项工作的有兰州碳索厂、524厂、上海碳素厂、朋台冶金新材料研究所、西北工业大学等单位，采用的工艺方法主要为CVD法。在致密化工艺、增强体准备、性能控制等方面，取得了一些成绩，研制出了某型飞机碳/碳盘样件、BAel46碳/碳盘样件、碳/碳盘的缩比件。并进行了性能及结构方面的研究，尤其在摩擦擀损机理、石墨化度的影响及提高石墨化度的方法等方面进行了綾深入的探讨，提出了高摩擦性能碳/碳材料的模型［8］。从总体情况来讲,

6、FI前国内的技术水平与国外先进水平相比尽管仍有差距，但己有能力牛产合格的碳/碳盘。遗憾的是我国的碳/碳盘一直没有实用，主要在于以下几个方面:(1)设备方面比较落后，生产周期长，批最小、成木居高不下，有些核算成木比进口碳/碳盘还高，在市场竞争中处于劣势;(2)在民机上应用有一个技术许可问题，没有得到波音、麦道、空中客车等国外飞机生产厂家的许可是不能装备其飞机的，而要取得许可证则需要一定的财力支持，同时由于国际上碳/碳盘市场竞争局而已经形成，进入这一市场有一定困难，必须冇民航等各方面的配合支持;(3)资金投入不足，在新型致密化工艺、摩擦性能等关键性技术方面的研究进

7、展较小，落后于国外先进水平，落后则打不入市场，进不了市场，则没有财力提高水平，实际是没有进入良性循环状态.发动机热端使用碳/碳复合材料的必要性随航空事业的发展，对航空发动机推重比有越來越高的要求，而提高新型发动机推重比的关键是提高热效率，其实现办法是提高空气压缩比和提高涡轮进气温度。从压气机增压比和涡轮进气温度对发动机热效率的关系可以看出，涡轮进气温度和空气压缩比对发动机热效率的影响很大。因此，航空涡轮发动机和工业涡轮发动机涡轮进气温度将会启更人的提高［12］,这就对发动机热端部件的材料提出了越來越高的要求,能够在1600〜2000°C高温下正常工作的材料只有

8、碳/碳复合材料，同时，它述具有以下特殊