第一篇：先進復合材料在航空航天中的應用及發展

先進復合材料在航空航天中的應用

及發展

胡軍 材料08A-1 08108010205 2011年12月14

日 先進復合材料在在航空領域的應用

摘要：介紹了材料的發展史，并且介紹了材料的分類，主要介紹了復合材料的現狀。復合材料在航空航天領域的應用。最后介紹了復合材料在航空航天的發展。航空領域應用的新進展，先進復合材料在航空航天領域的應用。關鍵詞： 復合材料；航空航天；國防；先進復合材料

1.1 前言

材料是人們生活和生產必須的物質基礎。也是人類進化的重要里程碑。材料科學主要研究材料的成分、分子或原子機構、微觀及宏觀組織以及加工制造工藝和性能之間的關系。它是一門邊緣新科學，主要一固態物理和固態化學、晶體學、熱力學等位基礎，結合冶金化工及各種高新科技術來探討材料內在規律和應用。材料是人類用來制造機器、構件、器件和其他產品的物質。但并不是所有物質都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業化學品、食物和藥品等，一般都不算作材料。

1.2材料可按多種方法進行分類。

按物理化學屬性分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。按用途分為電子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。

實際應用中又常分為結構材料和功能材料。結構材料是以力學性質為基礎，用以制造以受力為主的構件。結構材料也有物理性質或化學性質的要求，如光澤、熱導率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等，根據材料用途不同，對性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質的物理、化學性質或生物現象等對外界變化產生的不同反應而制成的一類材料。如半導體材料、超導材料、光電子材料、磁性材料等。

材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。80年代，隨著高技術群的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術革命的重要標志。現代社會，材料已成為國民經濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。

1.3材料的發展簡史

人類社會的發展歷程，是以材料為主要標志的。100萬年以前，原始人以石頭作為工具，稱舊石器時代。1萬年以前，人類對石器進行加工，使之成為器皿和精致的工具，從而進入新石器時代。新石器時代后期，出現了利用粘土燒制的陶器。人類在尋找石器過程中認識了礦石，并在燒陶生產中發展了冶銅術，開創了冶金技術。公元前5000年，人類進入青銅器時代。公元前1200年，人類開始使用鑄鐵，從而進入了鐵器時代。隨著技術的進步，又發展了鋼的制造技術。18世紀，鋼鐵工業的發展，成為產業革命的重要內容和物質基礎。19世紀中葉，現代平爐和轉爐煉鋼技術的出現，使人類真正進入了鋼鐵時代。與此同時，銅、鉛、鋅也大量得到應用，鋁、鎂、鈦等金屬相繼問世并得到應用。直到20世紀中葉，金屬材料在材料工業中一直占有主導地位。

20世紀中葉以后，科學技術迅猛發展，作為發明之母和產業糧食的新材料又出現了劃時代的變化。首先是人工合成高分子材料問世，并得到廣泛應用。先后出現尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及維尼綸、合成橡膠、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。僅半個世紀時間，高分子材料已與有上千年歷史的金屬材料并駕齊驅，并在年產量的體積上已超過了鋼，成為國民經濟、國防尖端科學和高科技領域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的發展。陶瓷是人類最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。50年代，合成化工原料和特殊制備工藝的發展，使陶瓷材料產生了一個飛躍，出現了從傳統陶瓷向先進陶瓷的轉變，許多新型功能陶瓷形成了產業，滿足了電力、電子技術和航天技術的發展和需要。

結構材料的發展，推動了功能材料的進步。20世紀初，開始對半導體材料進行研究。50年代，制備出鍺單晶，后又制備出硅單晶和化合物半導體等，使電子技術領域由電子管發展到晶體管、集成電路、大規模和超大規模集成電路。半導體材料的應用和發展，使人類社會進入了信息時代。

現代材料科學技術的發展，促進了金屬、非金屬無機材料和高分子材料之間的密切聯系，從而出現了一個新的材料領域——復合材料。復合材料以一種材料為基體，另一種或幾種材料為增強體，可獲得比單一材料更優越的性能。復合材料作為高性能的結構材料和功能材料，不僅用于航空航天領域，而且在現代民用工業、能源技術和信息技術方面不斷擴大應用。

1.4復合材料的發展和應用

復合材料(Composite materials)，是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。

復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因航空工業的需要，發展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。

復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料，它可以發揮各種材料的優點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發展。

復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛浴設備等，此類產品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業是復合材料最大的用戶，今后發展潛力仍十分巨大，目前還有許多新技術正在開發中。例如，為降低發動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發動機向高速、增壓、高負荷方向發展的要求，發動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基復合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復合材料將被應用到汽車制造業中。與此同時，隨著近年來人們對環保問題的日益重視，高分子復合材料取代木材方面的應用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產品；而可降解復合材料也成為國內外開發研究的重點。

1.4．1先進復合材料在航空航天領域的應用

碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分優異的力學性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強度和最高比模量。特別是在2000℃以上高溫惰性環境中，是唯一強度不下降的物質。此外，其還兼具其他多種得天獨厚的優良性能：低密度、高升華熱、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動衰減性、低熱膨脹系數、導電導熱性、電磁屏蔽性、紡織加工性均優良等。因此，碳纖維復合材料也同樣具有其它復合材料無法比擬的優良性能，被應用于軍事及民用工業的各個領域，在航空航天領域的光輝業績，尤為世人所矚目。2005 年世界碳纖維的耗用量已超過2 萬噸，圖1 為21 世紀前十年碳纖維需求量的統計預測情況。航空航天領域的碳纖維需求情況見表1 所示，約占總消耗量的20％左右。

圖 1: 世界碳纖維需求量(單位:噸)可維的需求量有所減少，2002 年約減少20%，2003 年則減少約9 %。2003 年以后航空航天領域對碳纖維的需求出現快速增長，2006 年與2001 年相比將增長約40 %，2008 年將增長約76 %，到2010 年和2001 年相比預計增長超過100%。本文將介紹碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）在航空航天領域應用的新進展［2］

表 1: 世界碳纖維按應用領域需求的統計和預測

1.4.2 航空領域應用的新進展

T300 碳纖維/樹脂基復合材料已經在飛行器上廣泛作為結構材料使用，目前應用較多的為拉伸強度達到5.5GPa，斷裂應變高出T300 碳纖維的30％的高強度中模量碳纖維T800H纖維。軍品碳纖維增強樹脂基復合材料是生產武器裝備的重要材料。在戰斗機和直升機上，碳纖維復合材料應用于戰機主結構、次結構件和戰機特殊部位的特種功能部件。國外將碳纖維/環氧和碳纖維/雙馬復合材料應用在戰機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能，數據顯示采用復合材料結構的前機身段，可比金屬結構減輕質量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%；復合材料垂直安定面可減輕質量32.24%。用軍機戰術技術性能的重要指標，結構重量系數來衡量，國外第四代軍機的結構重量系數已達到27～28%。未來以F-22為目標的背景機復合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機和無人駕駛飛機，已實現了結構的復合材料化。目前主要使用的是T300級和T700級小絲束碳纖維增強的復合材料。

圖 2: 美國F－22 軍用飛機

民品

在民用領域，555座的世界最大飛機A380由于CFRP的大量使用，創造了飛行史上的奇跡。飛機25%重量的部件由復合材料制造，其中22%為碳纖維增強塑料(CFRP), 3%為首次用于民用飛機的GLARE纖維－金屬板（鋁合金和玻璃纖維超混雜復合材料的層狀結構）。這些部件包括：減速板、垂直和水平穩定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。繼A340對碳纖維龍骨梁和復合材料后密封框――復合材料用于飛機的密封禁區發起挑戰后，A380又一次對連接機翼與機身主體結構中央翼盒新的禁區發起了成功挑戰［3］。僅此一項就比最先進的鋁合金材料減輕重量1.5噸。由于CFRP的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損。從而大大減少了油耗和排放，燃油的經濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高飛機的低15%--20%，成為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠程客機。

圖 3: 空中客車A-380 1.4.3 航天領域的新進展

火箭、導彈以高性能碳(石墨)纖維復合材料為典型代表的先進復合材料作為結構、功能或結構/功能一體化構件材料，在導彈、運載火箭和衛星飛行器上也發揮著不可替代的作用。其應用水平和規模已關系到武器裝備的跨越式提升和型號研制的成敗。碳纖維復合材料的發展推動了航天整體技術的發展。碳纖維復合材料主要應用于導彈彈頭、彈體箭體和發動機殼體的結構部件和衛星主體結構承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發動機噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料，在美國侏儒、民兵、三叉戟等戰略導彈上均已成熟應用，美國、日本、法國的固體發動機殼體主要采用碳纖維復合材料，如美國三叉戟-2 導彈、戰斧式巡航導彈、大力神一4 火箭、法國的阿里安一2 火箭改型、日本的M-5火箭等發動機殼體，其中使用量最大的是美國赫克里斯公司生產的抗拉強度為5.3GPa 的IM-7 碳纖維，性能最高的是東麗T-800 纖維，抗拉強度5.65Gpa、楊氏模量300GPa。由于粘膠基原絲的生產由于財經及環保危機的加劇，航天級粘膠碳絲原料的來源一

［4］直是美國及西歐的軍火商們深感棘手的惱頭問題。五年前，法國SAFRAN 公司與美國WaterburyFiberCote Industries 公司以有充分來源的非航天級粘膠原絲新原料開發成功名為RaycarbC2TM 的新型纖維素碳布，并經受了美軍方包括加工、熱/結構性質及火焰沖刷試驗在內的全部資格測試，在固體發動機的全部靜態試驗中都證明該替代品合格，2004 年十一月，該碳布/酚醛復合材料已用于阿里安娜V Flight164上成功飛行。

圖 4: 法國阿里安娜V 型導彈

衛星、航天飛機及載人飛船高模量碳纖維質輕，剛性，尺寸穩定性和導熱性好，因此很早就應用于人造衛星結構體、太陽能電池板和天線中。現今的人造衛星上的展開式太陽能電池板多采用碳纖維復合材料制作，而太空站和天地往返運輸系統上的一些關鍵部件也往往采用碳纖維復合材料作為主要材料。

碳纖維增強樹脂基復合材料被作航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等。美國發現號航天飛機的熱瓦，十分關鍵，可以保證其能安全地重復飛行。一共有8 種：低溫重復使用表面絕熱材料LRSI；高溫重復使用表面絕熱材料HRSI；柔性重復使用表面絕熱材料FRSI；高級柔性重復使用表面絕熱材料AFRI；高溫耐熔纖維復合材料FRIC―HRSI；增強碳/碳材料RCC；金屬；二氧化硅織物。其中增強碳/碳材料RCC，最為要的，它可以使航天飛機承受大氣層所經受的最高溫度1700℃。［5］

隨著科學技術的進步，碳纖維的產量不斷增大，質量逐漸提高，而生產成本穩步下降。各種性能優異的碳纖維復合材料將會越來越多地出現在航空航天中,為世界航空航天技術的發展作出更大的貢獻。

另外，納米技術逐漸引起人們的關注，納米復合材料的研究開發也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態及結晶形態發生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時，大大提高了材料的綜合性能。

先進復合材料共固化技術在某型機上自90年代初得到應用以來，已生產了350余架次，實現了工程化的目標。通過原材料的開發、輔助材料的國產化研究、共固化工藝的優化、性能測試項目的優化和修補技術的研究，將一套完整共固化技術應用于批生產的同時，又獲得了極大的經濟效益，實現了低成本共固化技術的工程化應用。通過該材料的工程化應用，我們可得出以下的結論：

（1）金屬-橡膠組合式芯模用于盒形結構受力部件的共固化成型，能夠實現均壓效果，并能有效降低制造成本；

（2）國產化輔助材料的應用，能夠滿足復合材料制造使用工藝要求，降低工程化制造成本；

（3）工程化生產的隨爐試樣（片）性能跟蹤測試項目，可以進行優化選擇，以降低生產成本；

（4）工程化生產的同時，開展有針對性的修補技術研究，既可解決生產過程中超差品的修補問題，也是產品使用過程的有效保障，技術經濟及社會效果兼得；

（5）降低熱壓罐成型法制造成本的其他有益研究還有待不斷開發。

結語

先進復合材料以其比強度比模量高 耐高溫性能好、耐疲勞性能優越等獨特優點獲得廣泛應用、和迅速發展.真空袋成型，熱壓罐成型技術的成熟發展更是極大的推動了先進復合材料的發展,目前較多的采用熱壓罐成型工藝設備，存在成本過高，制件尺寸受限制，真空袋成型工藝由于具靈活簡便高效等特點得到了廣泛的應用。通過對熱壓罐成型工藝原理研究，提出了幾種降低成本及改進工藝性能的方案，先進復合材料共固化技術成型的產品，從材料開發、工藝優化、性能檢測到售后服務等環節，以低成本為主導線，詳細描述了一個熱壓罐共固化技術工程化的范例，達到了在熱壓罐成型方面明顯降低制造成本的目的。

第二篇：先進復合材料在航空航天中的應用及發展

摘要：21世紀是新型材料為物質基礎的時代。各種高分子材料以它優異的性能在各種方面領域有廣泛的應用。在飛機制造工業中，由于高分子材料的使用，飛機本身的質量的減輕性能更加穩定的同時也減少了能源的消耗。本文主要是列舉了幾種常見的高分子材料在飛機上的應用。

關鍵詞： 航空航天；國防

1.前言

材料是人們生活和生產必須的物質基礎。也是人類進化的重要里程碑。材料科學主要研究材料的成分、分子或原子機構、微觀及宏觀組織以及加工制造工藝和性能之間的關系。它是一門邊緣新科學，主要一固態物理和固態化學、晶體學、熱力學等位基礎，結合冶金化工及各種高新科技術來探討材料內在規律和應用。材料是人類用來制造機器、構件、器件和其他產品的物質。但并不是所有物質都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業化學品、食物和藥品等，一般都不算作材料。

2.材料可按多種方法進行分類。

按物理化學屬性分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。按用途分為電子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。實際應用中又常分為結構材料和功能材料。結構材料是 以力學性質為基礎，用以制造以受力為主的構件。結構材料也有物理性質或化學性質的要求，如光澤、熱導率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等，根據材料用途不同，對性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質的物理、化學性質或生物現象等對外界變化產生的不同反應而制成的一類材料。如半導體材料、超導材料、光電子材料、磁性材料等。

材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。80年代，隨著高技術群的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術革命的重要標志。現代社會，材料已成為國民經濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。

3.材料的發展簡史

人類社會的發展歷程，是以材料為主要標志的。100萬年以前，原始人以石頭作為工具，稱舊石器時代。1萬年以前，人類對石器進行加工，使之成為器皿和精致的工具，從而進入新石器時代。新石器時代后期，出現了利用粘土燒制的陶器。人類在尋找石器過程中認識了礦石，并在燒陶生產中發展了冶銅術，開創了冶金技術。公元前5000年，人類進入青銅器時代。公元前1200年，人類開始使用鑄鐵，從而進入了鐵器時代。隨著技術的進步，又發展了鋼的制造技術。18世紀，鋼鐵工業的發展，成為產業革命的重要內容和物質基礎。19世紀中葉，現代平爐和轉爐煉鋼技術的出現，使人類真正進入了鋼鐵時代。與此同時，銅、鉛、鋅也大量得到應用，鋁、鎂、鈦等金屬相 繼問世并得到應用。直到20世紀中葉，金屬材料在材料工業中一直占有主導地位。

20世紀中葉以后，科學技術迅猛發展，作為發明之母和產業糧食的新材料又出現了劃時代的變化。首先是人工合成高分子材料問世，并得到廣泛應用。先后出現尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及維尼綸、合成橡膠、新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。僅半個世紀時間，高分子材料已與有上千年歷史的金屬材料并駕齊驅，并在年產量的體積上已超過了鋼，成為國民經濟、國防尖端科學和高科技領域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的發展。陶瓷是人類最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。50年代，合成化工原料和特殊制備工藝的發展，使陶瓷材料產生了一個飛躍，出現了從傳統陶瓷向先進陶瓷的轉變，許多新型功能陶瓷形成了產業，滿足了電力、電子技術和航天技術的發展和需要。

結構材料的發展，推動了功能材料的進步。20世紀初，開始對半導體材料進行研究。50年代，制備出鍺單晶，后又制備出硅單晶和化合物半導體等，使電子技術領域由電子管發展到晶體管、集成電路、大規模和超大規模集成電路。半導體材料的應用和發展，使人類社會進入了信息時代。現代材料科學技術的發展，促進了金屬、非金屬無機材料和高分子材料之間的密切聯系，從而出現了一個新的材料領域——復合材料。復合材料以一種材料為基體，另一種或幾種材料為增強體，可獲得比單一材料更優越的性能。復合材料作為高性能的結構材料和功能材料，不僅用于航空航天領域，而且在現代民用工業、能源技術和信息技術方面不斷擴大應用。

4.材料的發展和應用

復合材料(Composite materials)，是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。

復合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因航空工業的需要，發展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。

復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料，它可以發揮各種材料的優點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈 性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發展。

復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛浴設備等，此類產品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業是復合材料最大的用戶，今后發展潛力仍十分巨大，目前還有許多新技術正在開發中。例如，為降低發動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發動機向高速、增壓、高負荷方向發展的要求，發動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基復合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復合材料將被應用到汽車制造業中。與此同時，隨著近年來人們對環保問題的日益重視，高分子復合材料取代木材方面的應用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產品；而可降解復合材料也成為國內外開發研究的重點。

5.材料在航空航天領域的應用

碳纖維是纖維狀的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分優異的力學性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強度和最高比模量。特別是在2000℃以上高溫惰性環境中，是唯一強度不下降的物質。此外，其還兼具其他多種得天獨厚的優良性能：低密度、高升華熱、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、高震動衰減性、低熱膨脹系數、導電導熱性、電磁屏蔽性、紡織加工性均優良等。因此，碳纖維復合材料也同樣具有其它復合材料無法比擬的優良性能，被應用于軍事及民用工業的各個領域，在航空航天領域的光輝業績，尤為世人所矚目。2005 年世界碳纖維的耗用量已超過2 萬噸。

可維的需求量有所減少，2002 年約減少20%，2003 年則減少約9 %。2003 年以后航空航天領域對碳纖維的需求出現快速增長，2006 年與2001 年相比將增長約40 %，2008 年將增長約76 %，到2010 年和2001 年相比預計增長超過100%。本文將介紹碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）在航空航天領域應用的新進展［2］

6.航空領域應用的新進展

T300 碳纖維/樹脂基復合材料已經在飛行器上廣泛作為結構材料使用，目前應用較多的為拉伸強度達到5.5GPa，斷裂應變高出T300 碳纖維的30％的高強度中模量碳纖維T800H纖維。軍品碳纖維增強樹脂基復合材料是生產武器裝備的重要材料。在戰斗機和直升機上，碳纖維復合材料應用于戰機主結構、次結構件和戰機特殊部位的特種功能部件。國外將碳纖維/環氧和碳纖維/雙馬復合材料應用在戰機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯的減重作用，大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能，數據顯示采用復合材料結構的前機身段，可比金屬結構減輕質量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固 件61.3%；復合材料垂直安定面可減輕質量32.24%。用軍機戰術技術性能的重要指標，結構重量系數來衡量，國外第四代軍機的結構重量系數已達到27～28%。未來以F-22為目標的背景機復合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機和無人駕駛飛機，已實現了結構的復合材料化。目前主要使用的是T300級和T700級小絲束碳纖維增強的復合材料。民品

在民用領域，555座的世界最大飛機A380由于CFRP的大量使用，創造了飛行史上的奇跡。飛機25%重量的部件由復合材料制造，其中22%為碳纖維增強塑料(CFRP), 3%為首次用于民用飛機的GLARE纖維－金屬板（鋁合金和玻璃纖維超混雜復合材料的層狀結構）。這些部件包括：減速板、垂直和水平穩定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。繼A340對碳纖維龍骨梁和復合材料后密封框――復合材料用于飛機的密封禁區發起挑戰后，A380又一次對連接機翼與機身主體結構中央翼盒新的禁區發起了成功挑戰［3］。僅此一項就比最先進的鋁合金材料減輕重量1.5噸。由于CFRP的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損。從而大大減少了油耗和排放，燃油的經濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高飛機的低15%--20%，成為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠程客機。7.航天領域的新進展

火箭、導彈以高性能碳(石墨)纖維復合材料為典型代表的先進復合材料作為結構、功能或結構/功能一體化構件材料，在導彈、運載火箭和衛星飛行器上也發揮著不可替代的作用。其應用水平和規模已關系到武器裝備的跨越式提升和型號研制的成敗。碳纖維復合材料的發展推動了航天整體技術的發展。碳纖維復合材料主要應用于導彈彈頭、彈體箭體和發動機殼體的結構部件和衛星主體結構承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發動機噴管喉襯及耐燒蝕部件等重要防熱材料，在美國侏儒、民兵、三叉戟等戰略導彈上均已成熟應用，美國、日本、法國的固體發動機殼體主要采用碳纖維復合材料，如美國三叉戟-2 導彈、戰斧式巡航導彈、大力神一4 火箭、法國的阿里安一2 火箭改型、日本的M-5火箭等發動機殼體，其中使用量最大的是美國赫克里斯公司生產的抗拉強度為5.3GPa 的IM-7 碳纖維，性能最高的是東麗T-800 纖維，抗拉強度5.65Gpa、楊氏模量300GPa。由于粘膠基原絲的生產由于財經及環保危機的加劇，航天級粘膠碳絲原料的來源一直是美國及西歐的軍火商們深感棘手的惱頭問題。［4］五年前，法國SAFRAN 公司與美國WaterburyFiberCote Industries 公司以有充分來源的非航天級粘膠原絲新原料開發成功名為RaycarbC2TM 的新型纖維素碳布，并經受了美軍方包括加工、熱/結構性質及火焰沖刷試驗在內的全部資格測試，在固體發動機的全部靜態試驗中都證明該替代品合格，2004 年十一月，該碳布/酚醛復合材料已用于阿里安娜V Flight164上成功飛行。衛星、航天飛機及載人飛船高模量碳纖維質輕，剛性，尺寸穩定性和導熱性好，因此很早就應用于人造衛星結構體、太陽能電池板和天線中。現今的人造衛星上的展開式太陽能電池板多采用碳纖維復合材料制作，而太空站和天地往返運輸系統上的一些關鍵部件也往往采用碳纖維復合材料作為主要材料。

碳纖維增強樹脂基復合材料被作航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等。美國發現號航天飛機的熱瓦，十分關鍵，可以保證其能安全地重復飛行。一共有8 種：低溫重復使用表面絕熱材料LRSI；高溫重復使用表面絕熱材料HRSI；柔性重復使用表面絕熱材料FRSI；高級柔性重復使用表面絕熱材料AFRI；高溫耐熔纖維復合材料FRIC―HRSI；增強碳/碳材料RCC；金屬；二氧化硅織物。其中增強碳/碳材料RCC，最為要的，它可以使航天飛機承受大氣層所經受的最高溫度1700℃。隨著科學技術的進步，碳纖維的產量不斷增大，質量逐漸提高，而生產成本穩步下降。各種性能優異的碳纖維復合材料將會越來越多地出現在航空航天中,為世界航空航天技術的發展作出更大的貢獻。

第三篇：航空航天材料的應用與發展

航空航天材料的應用與發展

S201201 張明潔 2012040301003 飛行器及其動力裝置、附件、儀表所用的各類材料，是航空航天工程技術發展的決定性因素之一。航空航天材料科學是材料科學中富有開拓性的一個分支。飛行器的設計不斷地向材料科學提出新的課題，推動航空航天材料科學向前發展；各種新材料的出現也給飛行器的設計提供新的可能性，極大地促進了航空航天技術的發展。

航空航天材料的進展取決于下列3個因素:①材料科學理論的新發現：例如，鋁合金的時效強化理論導致硬鋁合金的發展；高分子材料剛性分子鏈的定向排列理論導致高強度、高模量芳綸有機纖維的發展。②材料加工工藝的進展：例如，古老的鑄、鍛技術已發展成為定向凝固技術、精密鍛壓技術，從而使高性能的葉片材料得到實際應用；復合材料增強纖維鋪層設計和工藝技術的發展，使它在不同的受力方向上具有最優特性，從而使復合材料具有“可設計性”，并為它的應用開拓了廣闊的前景；熱等靜壓技術、超細粉末制造技術等新型工藝技術的成就創造出具有嶄新性能的一代新型航空航天材料和制件，如熱等靜壓的粉末冶金渦輪盤、高效能陶瓷制件等。③材料性能測試與無損檢測技術的進步：現代電子光學儀器已經可以觀察到材料的分子結構；材料機械性能的測試裝置已經可以模擬飛行器的載荷譜，而且無損檢測技術也有了飛速的進步。材料性能測試與無損檢測技術正在提供越來越多的、更為精細的信息，為飛行器的設計提供更接近于實際使用條件的材料性能數據，為生產提供保證產品質量的檢測手段。一種新型航空航天材料只有在這三個方面都已經發展到成熟階段，才有可能應用于飛行器上。因此，世界各國都把航空航天材料放在優先發展的地位。

材料不僅是制造航空產品的物質基礎，同時也是使航空產品達到人們所期望的技術性能、使用壽命與可靠性的技術基礎。航空技術的進步與發展對航空材料起著積極的“牽引”作用；與此同時，材料科學與工程發展，新型材料的出現，制造工藝與理化測試技術的進步，又為航空新產品的設計與制造提供重要的物質與技術，從而對航空產業的發展起著有效的“推動”作用。例如，承載與隱形一體化材料的出現，既是隱形飛機設計構思提出的需求，同時也使隱形飛機從設想變為現實；優質單晶高溫合金的出現，使發動機渦輪前溫度得以大大提高，推動著高推重比航空發動機的進步。

由于航空產品具備高科技密集、系統龐大復雜、使用條件惡劣多變，要求長壽命、高可靠性和品種多、批量小等特點，從而使航空材料也相應地具有一系列特點：

（1）種類、品種、規格多。航空材料按用途分有結構材料、功能材料及工藝與輔助材料三大類：按化學成分分有金屬材料、有機高分子材料、無機非金屬材料以及各種復合材料。各類材料又涉及眾多的牌號、品種與規格。

（2）高的比強度（σｂ/ρ）和高的比剛度（Ｅ/ρ）是航空結構材料的重要特點。減輕結構重量既可增加飛機、直升機的運載能力，提高機動性，加大航程，又可減少燃油消耗。因此，高強度鋁合金、鈦合金以及先進復合材料在航空上得到廣泛的應用。

（3）高溫合金是航空材料極其重要的組成部分。燃氣渦輪（包括渦輪噴氣、渦輪風扇、渦輪螺旋槳、渦輪軸）發動機是現代飛機、直升機的主要動力裝置，而各類高溫合金則是制造現代航空燃氣渦輪發動機的關鍵材料。隨著發動機推重比（或功重比）的提高，渦輪前溫度也隨之升高，對材料的耐溫要求也愈來愈高。

（4）質量要求高。由于飛機、直升機是一種載人反復運行的產品，在規定的使用壽命期內，對使用可靠性、安全性有著極其嚴格的要求。為此對航空材料要進行嚴格的質量控制。

（5）抗疲勞性能是航空材料的另一個突出特點。大量的事實說明，在飛機、發動機所發生的失效事件中，約80%以上是各種形式的疲勞損傷所引起。航空材料的抗疲勞性能是關系到航空產品使用可靠性和使用壽命的一項非常重要的性能指標。

（6）成本高、價格貴。由于航空產品品種多樣而批量小，相應地航空材料的牌號品種也多，批量也小，難以形成規模化生產，同時質量要求又高，從而導致材料的成本高，價格貴。材料費用在航空產品成本中占有很大比重。如何降低其價格是航空材料發展的一個重要努力方向。

中國航空產業經歷了從修理、引進、仿制到改進、改型和自行設計研制的發展歷程。用以制造航空產品的材料也經歷了引進、仿制、改進、改型和自行研制的發展歷程。到目前為止，我國已定型生產的航空用金屬、有機高分子材料、無機非金屬材料以及復合材料的牌號約2000余個；已建成具有一定規模的航空材料研究與生產基地，擁有生產航空產品所需各類材料牌號、品種與規格的生產設備及檢測儀器；先后制訂了1000余份各類航空材料、熱工藝及理化檢測標準（包括國標、國軍標與航空標準）；編寫出版了《中國航空材料手冊》、《發動機結構設計用材料性能數據手冊》及《航空材料選用目錄》等；頒布了“航空工業材料及熱工藝技術工作規定”、“航空材料（含鍛、鑄件）技術管理辦法”等法規性文件。從總體上看，我國目前已定型生產的航空材料（含類別、牌號、品種與規格）及其相應的標準與規范，基本上能滿足第二代航空產品批生產的需求。針對第三代航空產品所需關鍵材料，如熱強鈦合金、高強鋁合金、超高強度結構鋼不銹鋼、樹脂基復合材料、單晶與粉末高溫合金等，從技術上看，已具備試用條件，但要轉化為在特定工況下使用的零部件，并體現出第三代航空產品的總體效能（技術與戰術性能、使用可靠性與壽命以及經濟效益等）尚需做大量的工作。

我國航空材料的現狀與新一代航空產品（飛機以F-22為代表，發動機以推比10為代表）對材料的需求之間尚存在較大的差距，主要有如下三方面：

（1）前沿材料研究滯后，新材料儲備小，第三代、第四代航空產品所需的一些關鍵材料，如快速凝固材料、高強輕質結構材料、熱強鈦合金、超高強度鋼、金屬間化合物及以其為基的復合材料、樹脂基復合材料等的研究滯后，與國外先進新材料研制水平的差距約為15～20年；

（2）新材料研制、生產和應用研究的基礎條件較差，如超純熔煉、高溫整體擴散連接、噴射成型、等溫鍛造、電子束沉積涂層、納米材料制備、超高溫檢測、超聲顯微鏡、激光無損檢測等先進的合成與加工設備、質量檢測與控制手段等不能滿足新材料研制、生產與應用的需要；

（3）一些常用結構材料的質量不穩定，性能數據分散，表面質量差，尺寸精度低，有些品種規格不能正常供貨，滿足不了生產使用要求。

建立中國航空材料體系的具體思路應包括以下幾個層次：

1.逐步理順和建立我國航空用各類材料的牌號序列 首先要對現有用于各類航空產品的材料加以收集匯總，然后按照“淘汰落后材料，限用綜合性能差與使用面窄的材料，合并性能水平相近的材料，推薦綜合性能好的材料，補充暫缺的先進材料”等原則，加以分類整理，建立起適合我國國情的具有不同性能水平檔次的各類材料的牌號序列，并逐步納入國標、國軍標或航標。

2.正確處理并逐步解決多國材料并存、重復、互不兼容的復雜局面

（1）對已往在引進國外航空產品過程中所仿制的，目前尚未納入國標、國軍標或航標的各類國外材料，進行全面清理和綜合對比分析，選擇其中國內沒有且有應用前景的材料牌號，加以研究完善，而后使其盡快納入國標、國軍標、或航標中，編入到該類材料的牌號序列中。其余的國外材料牌號要加以限用，即限制在除原引進航空產品以外的產品上使用。

（2）隨著我國對外開放的深入和加入“WTO”步伐的臨近，引進航空產品及技術將會不斷增加，妥善處理其中的材料問題將是建立中國航空材料體系的關鍵。為此，要在熟悉和掌握國外各類材料牌號與標準的基礎上，進行對比分析，分別采取代用與仿制兩種方法加以處置。

首先是用國內現有材料牌號代用。由于各國礦產資源和技術水平的不同，一些工業發達國家先后形成了各自的材料牌號序列。各國間完全相同的材料牌號是極少的，大多數只存在相當或相近的對應關系。因此，如果國內現有某材料牌號的化學成分與引進產品所用某一材料的化學成分相近，力學性能與工藝性能相當，即可用該材料代用相應國外材料。在這里需要的是理性的、實事求是的科學分析，必須摒棄過去那種“一絲不茍”照搬照抄國外的做法。在沒有相應國內材料牌號與之對應的國外材料，且又沒有仿制價值時，可根據具體的使用條件，采取“以優代劣”的辦法加以處置。其次是對國內現有材料牌號難以代用的少量國外材料可作如下處置：對確有先進性和應用前景者，則可立項仿制；若用量少，要求高，國內難以仿制生產或雖可仿制生產，但經濟上很不合算，同時國外又能正常供貨的材料，可直接向國外采購，不必拘泥于“一切立足于國內”。

3.加大對現有定型材料的改進改型研究力度 通過調控成分或變更工藝等手段，充分挖掘現有材料的潛力，做到“一材多用”。

4.加強對新材料的研究 先進航空產品的發展，對材料的要求愈來愈高，因此，要加強對樹脂基復合材料、陶瓷基復合材料、金屬間化合物、高強高韌、可焊、耐蝕合金鋼、高強鋁合金、耐熱鈦合金等的研究。

5.在建立材料牌號序列的同時，建立航空材料性能數據庫 對那些用作關鍵件、重要件的材料，要補充測試有關結構設計、可靠性評估與壽命預測等所需的性能數據。

6.加強特種工藝和理化測試技術的開發研究 在制訂材料標準的同時，制訂相應的特種工藝及理化檢測標準，形成完整的標準系列，達到擴大材料應用范圍，提高材料的應用技術經濟效益。

7.建立和完善運行機制及行業規范 在有關材料選用、材料研制和材料采購等方面，建立和完善與市場經濟相適應的運行機制及一套行之有效的行為規范，理順材料選用、材料研制材料采購等部門之間的關系，使這方面的工作走上科學化、規范化和程序化的軌道。

第四篇：碳纖維在航空航天中的應用

碳纖維在航空航天中的應用

郭 偉 中國地質大學 地球科學學院

摘要: 碳纖維就是纖維狀的碳，由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構。本文將針對碳纖維的結構、性能、制備方法及其在航空航天中的應用介紹。

引言

20世紀納米科技取得了重大發展，而納米材料是納米技術的基礎，碳纖維是一種比強度比鋼大，比重比鋁輕的材料，它在力學，電學，熱學等方面有許多特殊性能，碳纖維的強度比玻璃鋼的強度高；同時它還具有優異的導電、抗磁化、耐高溫和耐化學侵蝕的性能，被認為是綜合性能最好的先進材料，因此它在各個領域中的應用推廣非常迅速。在近代工業中，特別是在航空航天中起著十分重要的作用。

1.碳纖維的概念

碳纖維就是纖維狀的碳，由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。與傳統的玻璃纖維(GF)相比，楊氏模量是其3 倍多；它與凱芙拉纖維(KF-49)相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。有學者在1981年將PAN基CF浸泡在強堿NaOH溶液中，時間已過去30多年，它至今仍保持纖維形態。2.碳纖維的結構

碳纖維的結構決定于原絲結構和炭化工藝。對有機纖維進行預氧化、炭化等工藝處理，除去有機纖維中碳以外的元素，形成聚合多環芳香族平面結構。在碳纖維形成過程中，隨著原絲的不同，質量損失可達10~80％，形成了各種微小的缺陷。但無論用哪種材料，高模量的碳纖維中的碳分子平面總是沿纖維軸平行的取向。用x一射線、電子衍射和電子顯微鏡研究發現，真實的碳纖維結構并不是理想的石墨點陣結構。碳纖維呈現亂層石墨結構。在亂層石墨結構中，石墨層片仍是最基本結構單元，一般由數張到數十張層片組成石墨微晶，這是碳纖維的二級結構單元。層片之間的距離叫面間距d，由石墨微晶再組成原纖維，其直徑為50nm左右，長度為數百nm，這是纖維的三級結構單元。最后由原纖維組成碳纖維的單絲，直徑一般為6—8μm。原纖維并不筆直，而是呈彎曲、裙皺、彼此交叉的許多條帶組成的結構。在這些條帶的結構中，存在著針形孔隙，其寬度為1.6—1.8nm，長度可達幾十nm。在碳纖維結構中的石墨微晶與纖維軸構成一定的夾角，稱為取向角，這個角的大小影響纖維模量的高低。如聚丙烯脯基碳纖維的d為0.337nm，取向角為8°。碳纖維結構是高倍拉伸的、沿軸向擇優取向的原纖維和空穴構成的高度有序織態結構。影響碳纖維強度的重要因素是纖維中的缺陷。碳纖維中的缺陷主要來自兩方面，一方面是原絲帶來的缺陷，另一方面是炭化過程中產生的缺陷。原絲帶來的缺陷在炭化過程中可能消失小部分，而大部分將保留下來，變成碳纖維的缺陷。同時，在炭化過程中，由于大量的元素以及各種氣體的形成逸出，使纖維表面和內部形成空穴和缺陷。3.碳纖維的性能 3.1 碳纖維的力學性能

碳纖維具有很高的抗拉強度，其抗拉強度是鋼材的2倍、鋁的6倍。碳纖維模量是鋼材的7倍、鋁的8倍。

3.2 碳纖維的物理性能

碳纖維的密度在1.5—2.0g／cm3之間，這除與原絲結構有關外，主要決定于炭化處理的溫度。一般經過高溫(3000℃)石墨化處理，密度可達2.og／cm3，碳纖維的熱膨脹系數與其他纖維不同，它有各向異性的特點。平行于纖維方向是負值(-0.72×10-6~0.90×10-6)，而垂直于纖維方向是正值(32×10-6~22×10-6)。碳纖維的比熱容一般為7.12×10-1 KJ／(kg·K)。熱導率隨溫度升高而下降。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關，在25℃時，高模量纖維為775μΩ／cm，高強度碳纖維為1500 μΩ／cm。碳纖維的電動勢是正值，而鋁合金的電動勢為負值。因此當碳纖維復合材料與鋁合金組合應用時會發生化學腐蝕。3.3碳纖維的化學性能

碳纖維的化學性能與碳很相似，它除能被強氧化劑氧化外，對一般堿性是惰性的。在空氣中，溫度高于400℃時則出現明顯的氧化，生成CO和CO2。在不接觸空氣或氧化劑時，碳纖維具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高于1500℃時強度才開始下降，而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化，它還有耐油、抗放射、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。4.碳纖維的制備

碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經碳化制得：按狀態分為長絲、短纖維和短切纖維：按力學性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強度為1000兆帕（MPa）、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強型（強度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。強度大于4000MPa的又稱為超高強型：模量大于450GPa的稱為超高模型。隨著航天和航空工業的發展，還出現了高強高伸型碳纖維，其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纖維。目前應用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。碳纖維的制造包括纖維紡絲、熱穩定化（預氧化）、碳化、石墨化等4個過程。其間伴隨的化學變化包括，脫氫、環化、預氧化、氧化及脫氧等。

第一、原絲制備，聚丙烯腈和粘膠原絲主要采用濕法紡絲制得，瀝青和酚醛原絲則采用熔體紡絲制得。制備高性能聚丙烯腈基碳纖維需采用高純度、高強度和質量均勻的聚丙烯腈原絲，制備原絲用的共聚單體為衣康酸等。制備各向異性的高性能瀝青基碳纖維需先將瀝青預處理成中間相、預中間相（苯可溶各向異性瀝青）和潛在中間相（喹啉可溶各向異性瀝青）等。作為燒蝕材料用的粘膠基碳纖維，其原絲要求不含堿金屬離子。

第二、預氧化(聚丙烯腈纖維200～300℃)、不熔化（瀝青200～400℃）或熱處理(粘膠纖維240℃),以得到耐熱和不熔的纖維,酚醛基碳纖維無此工序。

第三、碳化,其溫度為：聚丙烯腈纖維1000～1500℃,瀝青1500～1700℃,粘膠纖維400～2000℃。第四、石墨化,聚丙烯腈纖維為2500～3000℃,瀝青2500～2800℃,粘膠纖維3000～3200℃。第五、表面處理，進行氣相或液相氧化等，賦予纖維化學活性，以增大對樹脂的親和性。

第六、上漿處理,防止纖維損傷,提高與樹脂母體的親和性。所得纖維具有各種不同的斷面結構。要想得到質量好碳纖維，需要注意一下技術要點：

（1）實現原絲高純化、高強化、致密化以及表面光潔無暇是制備高性能碳纖維的首要任務。碳纖維系統工程需從原絲的聚合單體開始，實現一條龍生產。原絲質量既決定了碳纖維的性質，又制約其生產成本。優質PAN原絲是制造高性能碳纖維的首要必備條件。

（2）雜質缺陷最少化，這是提高碳纖維拉伸強度的根本措施，也是科技工作者研究的熱門課題。在某種意義上說，提高強度的過程實質上就是減少、減小缺陷的過程。

（3）在預氧化過程中，保證均質化的前提下，盡可能縮短預氧化時間。這是降低生產成本的方向性課題。

（4）研究高溫技術和高溫設備以及相關的重要構件。高溫炭化溫度一般在1300～1800℃，石墨化一般在2500～3000℃。在如此高的溫度下操作，既要連續運行、又要提高設備的使用壽命，所以研究新一代高溫技術和高溫設備就顯得格外重要。如在惰性氣體保護、無氧狀態下進行的微波、等離子和感應加熱等技術。5.碳纖維在航空航天中的應用

5.1在飛機機身上的應用

近10 年來,國內飛機上也較多的使用了碳纖維及其復合材料。例如由國內幾家科研單位合作開發研制的某殲擊機復合材料垂尾壁板,比原鋁合金結構輕21 kg ,減質量30 %。北京航空制造工程研究所研制并生產的Q Y8911/ HT3雙馬來酰亞胺單向碳纖維預浸料及其復合材料已用于飛機前機身段、垂直尾翼安定面、機翼外翼、阻力板、整流壁板等構件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/ AS4C 熱塑性樹脂單向碳纖維預浸料及其復合材料,具有優異的抗斷裂韌性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲勞性能,適合制造飛機主承力構件,可在120 ℃下長期工作,已用于飛機起落架艙護板前蒙皮。在316 ℃這一極限溫度下的環境中,復合材料不僅性能優于金屬,而且經濟效益高。隨著基體樹脂和碳纖維性能的不斷提高,碳纖維增強樹脂基復合材料的耐濕熱性及斷裂延伸率得到顯著改善和提高。在飛機上的應用已由次承力結構材料發展到主承力結構材料。5.2 在航空發動機上的應用

樹脂基復合材料由于具有密度小、比強度高和耐高溫等固有特性,復合材料在航空渦輪發動機上應用的范圍越來越廣且比例越來越大,使航空渦輪發動機向“非金屬發動機”或“全復合材料發動機”方向發展。憑借比強度高,比模量高,耐疲勞與耐腐蝕性好的優點,J TA GG 驗證機的進氣機匣采用碳纖維增強的PMR15 樹脂基復合材料,比采用鋁合金質量減輕26 %。

碳化硅纖維增強的鈦基復合材料，憑借密度小(有的僅為鎳基合金的1/ 2),比剛度和比強度高,耐溫性好等優點,碳化硅纖維增強的鈦基復合材料在壓氣機葉片、整體葉環、盤、軸、機匣、傳動桿等部件上已經得到了廣泛應用。

目前主要的陶瓷基復合材料產品是以SiC 或C纖維增強的SiC 和SiN 基復合材料。憑借密度較小(僅為高溫合金的1/ 3～1/ 4),力學性能較高,耐磨性及耐腐蝕性好等優點,陶瓷基復合材料,尤其是纖維增強陶瓷基復合材料,已經開始應用于發動機高溫靜止部件(如噴嘴、火焰穩定器),并正在嘗試應用于燃燒室火焰筒、渦輪轉子葉片、渦輪導流葉片等部件上。5.3 在火箭發動機上的應用

由于火箭發動機噴管壁受到高速氣流的沖刷,工作條件十分惡劣, 因此C/ C 最早用作其噴管喉襯, 并由二維、三向發展到四向及更多向編織。同時火箭發動機設計者多年來一直企圖將具有高抗熱震的Ct / SiC 用于發動機噴管的擴散段, 但Ct 的體積分數高, 易氧化而限制了其廣泛應用, 隨著CVD、CVI 技術的發展, 新的抗氧化Ct / SiC 及C-C/ SiC 必將找到其用武之地。Melchior 等認為碳纖維CMC、陶瓷纖維CMC 以及C/ C 復合材料,特別是以SiC 為纖維或基體的CMC 抗氧化, 耐熱循環和燒蝕, 是液體火箭發動機燃燒室和噴管的理想材料, 并進行了總數為31 個的長達20 000 s 的燃燒室和噴管點火試驗, 內壁溫度高達1732 ℃, 一個600 kg 發動機成功地點火七次, 溫度為1449℃。目前為解決固體火箭發動機結構承載問題, 美國和法國正在進行陶瓷纖維混合碳纖維而編織的多向(6 向)基質、以熱穩定氧化物為基體填充的陶瓷復合材料。SiC 陶瓷制成的喉襯、內襯已進行多次點火試驗。今天作為火箭錐體候選材料的有A12O3、ZrO2、ThO2 等陶瓷, 而作為火箭尾噴管和燃燒室則采用高溫結構材料有SiC、石墨、高溫陶瓷涂層等。碳纖維仍將是今后固體火箭發動機殼體和噴管的主要材料。5.4在衛星和宇航器上的應用

由于碳纖維的密度、耐熱性、剛性等方面的優勢, 增強纖維以碳纖維為主。碳纖維復合材料在空間技術上的應用, 國內也有成功范例, 如我國的第一顆實用通信衛星應用了碳纖維/環氧復合材料拋物面大線系統;第一顆太陽同步軌道“ 風云一號” 氣象衛星采用了多折迭式碳纖維復合材料剛性太陽電池陣結構等。衛星結構的輕型化對衛星功能及運載火箭的要求至關重要,所以對衛星結構的質量要求很嚴。國際通訊衛星VA 中心推力筒用碳纖維復合材料取代鋁后減質量23 kg(約占30 %),可使有效載荷艙增加450條電話線路,僅此一項盈利就接近衛星的發射費用。

參考文獻

[1]高永忠.纖維增強樹脂復合材料在武器裝備上的應用[J].應用導航, 2006 ,01 :24.[2]李愛蘭,曾燮榕,曹臘梅等航空發動機高溫材料的研究現狀[J].材料導報,2003 ,17(2):26.[3]《航空航天先進復合材料現狀》論文 吳良義

[4]《復合材料在航空航天中的應用》論文 蘇云洪,劉秀娟,楊永志 [5]部分內容來源于維基百科及百度百科等網站

第五篇：高分子復合材料在各種航空航天工具中應用

高分子復合材料在各種航空航天工具中應用

多種高性能的高分子復合材料目前已經用于各種航空航天工具中。例如，碳纖維復合材料不久前還只在軍用飛機上用做主結構如機身和機翼。但是，近年來先進復合材料已開始用于大型民航客機上用做主結構，玻纖增強塑料也大量使用在一些較為次要的部位。

在美國，碳纖維復合材料主要用于航空航天工業；在歐洲，碳纖維復合材料在航空航天領域的使用量達到33%，僅次于其他工業用途。例如，無人駕駛飛機上，目前已經大量使用碳纖維復合材料。

新近推出的波音公司新型民航客機7E7和空中客車公司A380，都開始采用航空航天復合材料作飛機的主結構。這是因為復合材料能提供目前制鋁工業所能提供的鋁合金大致相同的性能，而且復合材料還能進一步降低成本。此外，復合材料還有耐久性好，所需保護少，零部件可以整合，耐腐蝕性強，通過利用智能纖維材料和嵌入式傳感器進行結構監測等優點。

7E7客機絕大多是用復合材料制造的，將需要約25噸增韌碳纖維增強環氧樹脂疊合材料和夾層材料。A380也使用通常的復合材料結構，例如機翼包皮的40％采用碳纖維增強塑料，減輕質量1.5t，減輕全裝配結構11.6t。尾翼的大部分包括尾翼的安定面是碳纖維復合材料，仿照老式空中客車客機。未增強的后機身由連接到復合材料機架上的復合材料與合金架的組合體上的碳纖維蒙皮構成。總計復合材料將占機架質量的大約16%，減輕同種規模的全金屬結構（空飛機的總質量將約為170t）。