碳纤维复合材料在航空航天领域的应用.docx

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， 在航空航天领域的光辉业绩， 尤为世人所瞩目。 可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过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2728%。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。美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：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，Du Pont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/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P22 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。英国ICI公司用GF/PA生产战斗机上的阀门，使飞机阀门在很宽的温度范围内与燃料长期接触也能保持其性能和形状的稳定；其它国家的飞机F/A-18、 RAH-66、A330 / A340、B77、Y-22上面也都采用了这种材质来制造机翼、蒙皮、主承力结构、中央冀盒、地板、尾冀、设备箱体及结构件。 大量采用碳纤维复合材料为部件的中国新型号的军机“飞豹”飞机总长约22.3米，翼展约12.7米，最大起飞重量28.4吨，最大外挂重量约6.5吨，最大M数1.70，转场航程约3600公里。该机的攻击威力已超过“美洲虎”、“旋风”、苏-24等飞机，具备了第三代战斗机的特点。 （2）民品 在民用领域，555座的世界最大飞机A380由于CFRP的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP), 3%为首次用于民用飞机的GLARE纤维金属板（铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构） 。这些部件包括：减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。继A340对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封 框复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后，A380又一次对连接机翼与机身主体结构中央翼盒新的禁区发起了成功挑战。仅此一项就比最先进的铝合金材料减轻重量1.5吨。由于CFRP的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。从而大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%-20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。航天领域新进展 (1) 火箭、导弹 以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、 功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。 碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上，碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料，在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用，美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，如美国三叉戟-2 导弹、战斧式巡航导弹、大力神一 4 火箭、法国的阿里安一 2火箭改型、日本的 M-5火箭等发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为 5.3GPa 的IM-7 碳纤维，性能最高的是东丽 T-800 纤维，抗拉强度 5.65Gpa、杨氏模量 300GPa。 我国各类战略和战术导弹上也大量采用碳纤维复合材料作为发动机喷管、 整流罩防热材料。我国九十年代后期开展了纤维增强复合材料材料壳体的研究，进行了 T300 CFRP 固体火箭发动机壳体的基础试验、壳体结构强度试验、点火试车等全程考核;完成了 12K T700 CFRP壳体结构强度试验，开展了 T800 碳纤维 CFRP多种壳体的预研实验。 （2）卫星、航天飞机及载人飞船 高模量碳纤维质轻， 刚性， 尺寸稳定性和导热性好， 因此很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。 现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作， 而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。 碳纤维增强树脂基复合材料被作航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。美国发现号航天飞机的热瓦，十分关键，可以保证其能安全地重复飞行。一共有 8 种：低温重复使用表面绝热材料 LRSI；高温重复使用表面绝热材料 HRSI；柔性重复使用表面绝热材料 FRSI；高级柔性重复使用表面绝热材料 AFRI；高温耐熔纤维复合材料 FRICHRSI；增强碳/碳材料RCC；金属；二氧化硅织物。其中增强碳/碳材料 RCC，最为要的，它可以使航天飞机承受大气层所经受的最高温度 1700。 从 1996 年 11 月 20 日的“神州