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碳纤维复合材料在航空航天范畴的使用有哪些?



?碳纤维按质料来源可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。聚丙烯腈(PAN)基碳纤维占有主流位置。其超卓的力学功能、热功能、耐腐蚀、抗辐射在一般工业范畴以及航天航空范畴运用越来越广泛。
 
沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维首要运用于导热、冲突以及隔热。与PAN基碳纤维比较,粘胶基碳纤维力学功能较差,工艺条件严苛,本钱较高,但具有杰出的耐烧蚀功能和隔热功能,首要用于航空航天范畴的耐烧蚀资料和隔热资料。沥青基碳纤维在航天范畴某些小范围运用,如防热端,运用量不是很大。
 
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维
 
聚丙烯腈基碳纤维以聚丙烯腈基长丝为首要资料,也称为原丝,通过拉伸、预氧化、氧化、高温碳化、石墨化等构成碳纤维。聚丙烯腈基碳纤维的强度、刚性及其他力学功能均优于钢铁,比强度、比模量功能指标比起钢铁、金属资料更加超卓,是高强钢的3-5倍,可充分满意航空航天范畴需求。
 
上世纪40-50时代国外开端研讨碳纤维及其复合资料。二战后美.日.德在碳纤维研讨范畴走在了世界前列。60时代相继开发出了T300系列,70时代开发T400、T700以及相关M系列碳纤维,90时代T800、T1000系列问世,2012年日本东丽公司宣告T1100研制成功。
 
我国碳纤维复合资料的研讨与运用
 
我国碳纤维的研制阅历了30多年的绵长进程。2008年T300级碳纤维工业化出产全流程关键技能得到打破,已根本完成国产化,产品部分代替进口。目前,T700级碳纤维没有构成大规模量产,T800进入研讨阶段。我国的碳纤维研讨、工业运用与国外尚有20-30年距离。碳纤维在航空航天方面尝试运用始于70、80时代,但运用范围极小、用量很少,进入到90时代中期,跟着第三代航空装备和载人航天项目开端运用,碳纤维复合资料逐步锋芒毕露,但纤维多为实验室等级或严重依靠进口。2008年国家发动大飞机项目,碳纤维复合资料的出产在国内出现井喷的开展态势。综上,尽管我国碳纤维复合资料在航空航天范畴的开展远落后于西方国家,但追赶速度非常快。估计2025-2030年能够与西方国家同台竞技,一较高下。
 
碳纤维复合资料在航空航天范畴运用的结构占比
 
航空航天是世界碳纤维运用的传统商场。最早开端于航天范畴。美国等发达国家先后开发了碳纤维-酚醛防热复合资料、高强高韧碳纤维—环氧复合资料、耐高温碳纤维复合资料等系列产品,首要用于受力部件(火箭发动机外壳)、耐热部件(火箭发动机喷管)、火箭箭体结构等。后开展到航空范畴,首要用于军用飞机的非受力部件,如舵面、扰流板、整流罩等。再后来开展至大非承力部件,如整个舵面、水平尾翼、垂直尾翼、机翼、机头、机身等等。
 
国外碳纤维复合资料在战斗机、直升机、无人机上的用量早已到达或超越机身总重的50%,军事飞机运用碳纤维复合资料用量占比约为30%。波音787“梦境航线”和空客A350XWB宽体客机上,碳纤维复合资料主、次结构件质量占比也已到达50%,而我国C929仅为10%左右,仍有很大距离,这与我国碳纤维复合资料的研讨前史、碳纤维复合资料的成形技能、力学功能、结构设计等有很大联系,然后导致我国碳纤维复合资料在航天器上的运用较少。
 
航天范畴与航空范畴有所不同,我国碳纤维复合资料在航天范畴运用开展较快。航天器如火箭、卫星等运用周期短,碳纤维复合资料结构比重较大,约为20%左右,与国外水准齐平。
 
碳纤维复合资料运用范畴
 
碳纤维按用处可分为宇航级和工业级两类,亦称为小丝束和大丝束。一般把48K及以上碳纤维称为大丝束碳纤维,包含60K、120K、360K和480K等。宇航级碳纤维初期以1K、3K、6K为主,逐步开展为12K和24K,首要运用于国防工业和高技能及体育休闲用品(如:飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等)。工业级碳纤维运用于不同民用工业,包含:纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和动力等。其间,航空航天运用量占25-30%,一般工业范畴占40-50%。其间,运用于航空航天范畴的碳纤维复合资料的产值最大,其复合资料归于最新、最高端、功能最安稳的产品。
 
民用航空
 
碳纤维复合资料不只限于军用范畴。跟着低空范畴的敞开,通用航空、民用航空对碳纤维复合资料需求激增。大飞机项目发动以来,民航范畴对国内碳纤维复合资料需求越来越旺盛,我国行将研制的二代大型C929碳纤维复合资料运用会再上台阶,民航对于大飞机的需求量每年坚持200-300架需求。
 
通用航空
 
私家飞机、探空气球等航空器价格较低、产量大,拉动碳纤维资料的运用量奉献最大,归于最有利于下降资料本钱的运用范畴。
 
无人机
 
碳纤维复合资料在军用无人机、民用无人机范畴开端锋芒毕露。无人机要想取得更大的载荷和更长时刻的续航,在制作资料这一块,就必须选用质轻高强的资料,而碳纤维都满意这些条件,所以被众多无人机厂家选用为无人机机壳和无人机配件的首选资料。此外,跟着碳纤维本钱逐步下降将大力推进无人机商场对碳纤维的运用,然后构成工业良性循环,有利于碳纤维资料技能进步、运用水平进步。

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