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

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 230 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 2.1 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热器会用最大马力来提高飞行时速，3000的高温会对前锥体，固定喷气发动机喷嘴进行高温灼烧，如果飞机的零部件并不能抵御高温，那么飞机就会出现故障。这时 C/C 复合材料就展现在人们面前，成为制作飞机耐高温硬件元件较好的材料。目前，C/C 复合材料已被成功应用在导弹鼻锥、航空飞机头锥和机翼前缘、火箭喷管等部位。考虑到优异的耐摩擦性能及高温力学性能等，C/C复合材料制成的刹车装置已经被近百种型号的飞机采用。将C/C 复合材料应用于发动机部件也可大幅度减轻发动机的重量，提高推重比。减少冷空气的消耗，提高发动机运行效率。“3-11airbus”客机使用 C/C 复合材料增强金属制备乘客台面横向支持件，远程宽体客机 A340-600 使用 C/C 复合材料制作后密封框。波音公司客机“音速巡洋舰”的大部分结构件都采用 C/C 复合材料，飞行速度提升 15%-20%。“B-1B”、“阵风”等战斗机大面积采用 C/C 复合材料以增加其飞行机动性能。“鹰师”在方向舵、机翼蒙皮等多种结构件上使用 C/C 复合材料从而保证飞行敏捷、灵活。以上都是 C/C 复合材料良好应用的案例。据实验报告数据，复合材料 CC 的使用让飞机不易变形，保持良好形态，可以完美展现其耐高温性能，降低事故的发生率，提高飞机使用寿命。但其在有氧环境下仍存在巨大的研发难题，碳碳复合材料若能解决在中温时的氧化问题，提高制备致密化速度，降低成本，则其在航空及其他相关领域的大量实际应用将成为可能。2.3 碳纤维增强陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料是以连续纤维、晶须或颗粒作为增强体与陶瓷基体通过复杂工艺组成的材料，其具有高比强度、密度低等特点，克服了原材料固有的脆性。可用于生产制造尾喷管等构造。其中常见的 SiC 基体系复合材料有碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（SiC/Cf）及碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（SiC/SiCf）。由于碳纤维在高温环境中极易氧化直至材料失效，一般实际采用 SiC/SiCf材料，美国创造性应用碳化硅（SiC/SiCf）复合材料制作超声速飞行器头部和尾翼前缘并成功完成飞行试验。2.4 金属基复合材料 金属基复合材料是以铝、镁等金属或难熔合金为基体，以纤维、晶须或颗粒作为增强体的复合材料，其中颗粒增强202 徐 悦：碳纤维复合材料的性能分析及其在航空领域的应用 金属基复合材料由于其极高的耐磨性，常用来制作飞机发动机中的耐热耐磨部件；碳纤维增强金属基（铝基、镁基等）复合材料因为超高的比强及接近零的膨胀系数已被成功制作人造卫星支架等部件。金属基复合材料较树脂基复合材料相比弥补了其耐热性能及导电导热性能差的缺点，在发动机的中温段构件上有着广泛应用。2.5 碳纤维增强树脂基复合材料 碳纤维树脂基复合材料（CFRP）是飞机结构使用的最主要材料，可以使飞机减重 20-40%，它以碳纤维做增强体，高性能树脂作为基体，常应用于风扇机匣子等航空发动机冷端部件、反推力装置机发动机短舱上。使用碳纤维增强树脂基复合材料制作的飞机风扇可进一步提高飞机的推重比及燃油效率，减少噪音及有害气体的释放，具有良好的舒适性和经济性。“C919”客机上采用的LEAP-X1C 发动机结构牢固，其机匣子及涵道等部位引入了碳纤维增强树脂材料，重量轻，可以产生更低的 CO2排放量。波音 787/747-8 客机使用的 GEnx 发动机使用复合材料制作了风扇叶片，持久性好，效率高且噪声低，其叶片数从 22片降至 18 片更使得巡航耗油量也有着明显降低。“A380”客机有 22%重量的部件（包括方向舵、舱门、后机身、副翼等）都由碳纤维增强树脂（CFRP）制造，被称为飞行史上的奇迹。对于军用飞机来说，碳纤维增强树脂基材料主要被应用在战机机身、主尾翼及蒙皮部位，具有明显的抗疲劳及耐腐蚀性，数据表明采用复合结构的前机身段质量较金属构件减轻超30%，紧固件数减少超 60%。美用 AV-8B 改型的“鹞”式飞机的机翼及前身使用了大量石墨环氧复合材料，碳纤维材料的使用总量占据了整个飞机重量的 26%，有效提高了飞机的负荷量近一倍。我国直-9 型飞机机身采用的树脂基复合材料用量达到近 50%，超日产飞机的 40%碳纤维复合材料用量。2.6 碳纤维复合材料在航空领域的应用趋势分析 碳纤维材料有大部分流向了航空航天领域，碳纤维复合材料制作的航天器的使用量有超过 1 万吨的趋势，并且预计保持有年均 15%的增长速度的使用需求量。金属结构材料与碳纤维复合材料相结合，非但不会降低材料的强度与刚度，反而减轻机身质量，提高资源利用率。碳纤维复合材料会在新一代的客机占更大比例，国外第四代军机的结构重量系数已达到 28%左右，后续复合材料的用量比例预计超 35%，且主要以 T300 级和 T700、T800 级碳纤维增强复合材料为主，是国家进行飞机制造、航天制造必不可缺的材料之一，深受国家的重视与存储应用。中国拥有广阔的经济市场和资源储备，国际竞争力可以位居前列，国家的新兴产业和航天航空会广泛应用碳纤维复合材料，但是在现实中我国的碳纤维复合材料的生产空缺依旧很大，不能满足市场需求。且生产技术落后，生产成本较高，生产质量不稳定。航天航空领域是强国之领域，应用碳纤维复合材料的生产、制作、应用、研究关系到我国产业是否可以抢占世界科学技术的前沿，作为产业的领头国家。所以国家应当给予政策上、资金上、人员上、环境上的帮助来促进发展，培养竞争力强的企业、先进人才，让我国的碳纤维复合材料开发能力具有世界领先水平，让国家在日后的国际局势中占据有利地位。3 总 结 3 总 结 综上所述，碳纤维是一种优良的材料，碳纤维在高性能纤维材料中具有最高的弹量模型、比强度和优良的机械性能。并且碳纤维具有超强的耐热性，不会因为高温而出现性状变形的现象。由于优良的性能和特性，因此在航天器和飞机制造中被广泛地应用。但是碳纤维复合材料这么优良的材料，自身也具有技术局限性，不能完全应用于飞机结构的各个部分。需要各国专家学者及科研人员坚持探索，深刻研究，创新研制各类碳纤维复合材料，不断开发精加工技术，优化相关工艺以实现提高制品尺寸精度及表面质量的目标，进而解决碳纤维自身各向异性、复合材料加工困难问题，降低成本，推动碳纤维材料的广泛应用。参考文献 参考文献 1 薛昊飞.碳纤维复合材料在航空领域的应用与发展展望 J.科学家,2017,5(17):12,72.2 刘永强.解析航空航天领域碳纤维复合材料的实践应用J.粘接,2019,40(07):69-71.3 龙宣达.碳纤维复合材料的性能分析及与航空应用J.科技展望,2016,26(23):99.4 钟明建,胡炜杰,廖晓恬,等.碳纤维复合材料部件加工技术现状及发展趋势J.复合材料科学与工程,2022(05):110-119.5 李豫卿.浅谈碳纤维复合材料在航空工业的发展与展望J.合成材料老化与应用,2015,44(3):134-136.6 陈舸.金属基复合材料在航空航天领域的应用和发展J.橡塑技术与装备,2016,42(8):63-65.