碳纤维复合材料在航空航天领域的应用.pdf

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1、玻璃钢2007年第1期综述碳纤维复合材料在航空航天领域的应用林德春潘鼎高健陈尚开（上海市复合材料学会）（东华大学）（连云港鹰游纺机集团公司）碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性、纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能，被应用于军事及民用工业的各个领域

2、，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。2005年世界碳纤维的耗用量已超过2万吨，图1为21世纪前十年碳纤维需求量的统计预测情况。航空航天领域的碳纤维需求情况见表1所示，约占总消耗量的20％左右。图1世界碳纤维需求量(单位:吨)·18·表1世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测用量按应用领域对碳纤维的需求年份航空航天运动休闲工业应用总计2001269046901052017,9002002214046701149018,3002003245750121174119,2102004274150811285820,6802005321551011360421,9202006

3、377551351528024,1902007417050971700326,2702008474151071789227,7402009520151041920529,5102010538951182140831,910（“2004碳纤维前景会议”会议资料：东丽集团法国Soficar公司报告）可以明显看出，航空航天领域需求量有大幅度增加。2001年航空航天领域对碳纤维的需求为2690t，2002年和2003年对碳纤维的需求量有所减少，2002年约减少20%，2003年则减少约9%。2003年以后航空航天领域对碳纤维的需求出现快速增长，2006年与2001年相比将增长约4

4、0%，2008年将增长约76%，到2010年和2001年相比预计增长超过100%。本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。1航空领域应用的新进展T300碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H纤维。（1）军品碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平

5、尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材料。·19·美国在歼击机和战斗机上大量

6、使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上，军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人驾驶的“星舟”轻型机，结构质量约1800kg，其中复合材料用量超过1200kg。1986年美生产的“旅行者”号轻型飞机，其90%以上的结构采用了碳纤维复合材图2美国F－22军用飞机料，创下了不着陆连续九天进行环球飞行的世界记录。Boeing公司用GF/PPS制造海军巡航导弹的壳体，DuPont公司用GF、KF/PA、PPS，制造军机的零部件。由于碳纤维增强复合材料不但是轻质高强的结构材料，还具有隐身的重要功能，如CF/PEEK或CF/

7、PPS具有极好的宽峰吸收性能，能有效地吸收雷达波。美国已用来制造最新型的隐形轰炸机。美国的P－22超音速飞机的主要结构就是采用了中等模量的碳纤维增强的特种工程塑料。幻影III战斗机的减速降落伞盖和弹射的弹射装置也由这种材料制成。已成功地用于飞机的肋条、蒙皮及一些连接件、紧固件等雷达波的吸收件。战斧式巡航导弹壳体、B-2隐型轰炸机的机身基材，F117A隐型飞机的局部也都采用了碳纤维改性的高分子吸波材料。图3美国B-2隐身轰炸机（机身基材）·20·图4幻影III战斗机图5美F117A隐身轰炸机（减速降落伞盖和弹射装置）（肋条及蒙皮