碳纤维在航空领域的应用
碳纤维在航空领域的应用
碳纤维复合材料因其独特的性能优势，在航空航天领域得到广泛应用。从战斗机到民用飞机，从导弹到卫星，碳纤维复合材料正在推动航空技术的革新。本文将详细介绍碳纤维复合材料在航空航天领域的具体应用及其带来的技术突破。
碳纤维复合材料的优势
碳纤维及其复合材料相比传统金属材料，具有以下显著优势：
- 高比模量：高模量碳纤维复合材料的单向材料比模量是铝合金的5-7倍，能够满足高刚度需求；
- 低热膨胀系数：通过合理设计，可以获得热膨胀系数几乎为零的材料，适用于高低温交变环境；
- 轻量化：碳纤维的比重仅为钢材的1/4，能够实现结构件的轻量化。
在军用航空领域的应用
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%。
美国第四代战斗机F-22采用了约24%的碳纤维复合材料，从而使该战机具有超高音速巡航、超视距作战、高机动性和隐身等特性。而据外媒报道，F-35战机首飞时间一推再推，其中很重要的一个原因就是超重。为破解这一难题，洛克希德·马丁公司采用多达35%的碳纤维复合材料才大幅降低了机体重量。美国防部在“面向21世纪国防需求的材料硏究”报告中强调，“到2020年，只有复合材料才有潜力使装备获得20-25%的性能提升”。
在民用航空领域的应用
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。
在导弹、火箭和卫星上的应用
以高性能碳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，在美囯战略导弹上均已成熟应用，美囯、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，如美囯三叉戟-2导弹、战斧式巡航导弹、大力神—4火箭、法国的阿里安—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。
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。