論述碳纖維復(fù)合材料在航模飛機(jī)上的應(yīng)用

涂清洪

摘 要：我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平越來(lái)越高，無(wú)形之中推動(dòng)了我國(guó)航天航空事業(yè)的發(fā)展，同時(shí)還增加了飛機(jī)的使用頻率。為了確保飛機(jī)使用的安全可靠性，相關(guān)的研究部門(mén)就需要對(duì)飛機(jī)的使用性能進(jìn)行綜合性的考量，將碳纖維復(fù)合材料廣泛地應(yīng)用到其中。該類(lèi)碳纖維復(fù)合材料自身的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分顯著，具有極強(qiáng)的耐高溫特性，且持久性也比較強(qiáng)，但是該類(lèi)型材料的成本價(jià)格比較高，這會(huì)在一定程度上影響我國(guó)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)研究工作，使研發(fā)技術(shù)受到了約束和限制，同時(shí)還阻礙了碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展。本文主要就碳纖維復(fù)合材料在航模飛機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行探究，分析碳纖維復(fù)合材料目前在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及使用的發(fā)展趨勢(shì)，探究在滿(mǎn)足航模飛機(jī)的發(fā)展需求的前提下，該材質(zhì)在航模飛機(jī)上的應(yīng)用要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;航空;航模;應(yīng)用

0 引言

我國(guó)研發(fā)人員要高度重視碳纖維復(fù)合材料研發(fā)，選用科學(xué)合理的措施來(lái)加強(qiáng)和提升碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到航模飛機(jī)上的效果及質(zhì)量，通過(guò)碳纖維復(fù)合材料的使用來(lái)延伸航模飛機(jī)自身的使用壽命，并提升航模飛機(jī)的使用性能。但受到碳纖維復(fù)合材料價(jià)格等因素的影響，我國(guó)相關(guān)的生產(chǎn)技術(shù)水平較為滯后，其發(fā)展也受到各方面的制約，這讓碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展受到了阻礙，其整體發(fā)展呈現(xiàn)出較為緩慢的趨勢(shì)。因此，我國(guó)應(yīng)當(dāng)注重碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)工作，讓碳纖維復(fù)合材料可以得到更為合理的使用，并擴(kuò)展材料的使用范圍。

1 碳纖維復(fù)合材料概述

碳纖維和樹(shù)脂、金屬等一些材料的基體進(jìn)行復(fù)合，編制而成的結(jié)構(gòu)材料就被稱(chēng)為碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料是復(fù)合材料中極其重要的組成部分，更是社會(huì)各界所關(guān)注的焦點(diǎn)，先是玻璃纖維與有機(jī)樹(shù)脂復(fù)合的玻璃鋼面世，之后碳纖維、陶瓷纖維等各類(lèi)復(fù)合材料也開(kāi)始相繼涌現(xiàn)，很多新型的復(fù)合材料研發(fā)工作都取得了成功，且材料的性能也得到了明顯的改進(jìn)，這讓其復(fù)合材料領(lǐng)域呈現(xiàn)出一番較為蓬勃的景象。碳纖維內(nèi)含量最多的元素為碳元素，是由碳元素構(gòu)成的一種較為特殊的特種纖維，碳元素的含量會(huì)因?yàn)榉N類(lèi)的不同而有所差異，通常高于90%。碳纖維材料具有耐高溫、耐摩擦等性能，和一般的碳素材料有所不同，其外形的各向異性比較明顯，且自身強(qiáng)度數(shù)值也比較高，比重比較小。

復(fù)合材料的分類(lèi)與簡(jiǎn)介如下：

復(fù)合材料主要由兩部分組成，即增強(qiáng)體和基體，分類(lèi)方法較多，其中最常用的是按基體和增強(qiáng)體類(lèi)型分，如顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、夾層增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維（連續(xù)纖維和短纖維）增強(qiáng)復(fù)合材料。

復(fù)合材料的基本概念（基礎(chǔ)知識(shí)）：

樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料，還有比較特殊的先進(jìn)碳基復(fù)合材料，碳基復(fù)合材料，表示方法為C/C。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是將各種形狀的增強(qiáng)顆粒鑲嵌在基體中構(gòu)成的多相材料;夾層復(fù)合材料包括夾層板復(fù)合材料，如三合板等，主要由兩部分組成，即面板和芯材，面板有樹(shù)脂基復(fù)合材料板、鋁合金板、不銹鋼板、鈦合金板及高溫合金板等，芯材有泡沫、波紋板、蜂窩芯等。蜂窩結(jié)構(gòu)的作用主要是減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)的抗彎剛度。蜂窩夾芯是夾層復(fù)合材料中最常用的夾芯結(jié)構(gòu)，形狀有六角形、菱形、矩形等，按制造材料分有鋁蜂窩、芳綸紙蜂窩和玻璃布蜂窩等。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料所用纖維有玻璃纖維、碳纖維（石墨纖維）、芳綸纖維、硼纖維等。

物質(zhì)強(qiáng)度理論認(rèn)為材料的強(qiáng)度取決于物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的完整性（雜質(zhì)、位錯(cuò)、其他缺陷等）。20世紀(jì)60年代，英國(guó)首先成功研制出碳纖維，后日本又以聚丙烯腈（PAN）為基礎(chǔ)研制出 PAN基碳纖維。飛機(jī)結(jié)構(gòu)主要采用聚丙烯腈基碳纖維，此類(lèi)碳纖維從性能上可分為高強(qiáng)度型、超高強(qiáng)度型、高模量型等。

2 碳纖維的崛起

碳纖維是玻璃纖維問(wèn)世之后的一代新型塑料纖維材質(zhì)。近些年來(lái)，我國(guó)航空事業(yè)發(fā)展十分迅猛，宇航工業(yè)會(huì)注重使用一些重量比較小，強(qiáng)度比較大，且具有耐燒性質(zhì)的材料，碳纖維則恰好可以滿(mǎn)足該工業(yè)發(fā)展的需求。碳纖維復(fù)合材料中的含碳量比較大，且所展現(xiàn)出的最高比模量和最高比強(qiáng)度是其他纖維材料不能比擬的，在強(qiáng)度數(shù)值不發(fā)生變化的狀況下，碳纖維可以承受2000攝氏度的高溫惰性環(huán)境。碳纖維的加工方式比較簡(jiǎn)單，且具有極強(qiáng)的相容性以及易復(fù)合性，自由度數(shù)值也比較大，同時(shí)還具備一些其他材料不具備的特性，所以，該材質(zhì)可以被廣泛地應(yīng)用到我國(guó)的各個(gè)領(lǐng)域之中。新型材料的發(fā)展速度優(yōu)于其他材料的發(fā)展速度，對(duì)于人們的生活發(fā)展來(lái)說(shuō)具有至關(guān)重要的效用，可以幫助人們更好地提升生活品質(zhì)。在航天事業(yè)飛速發(fā)展的背景下，碳纖維的質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等特性有效地滿(mǎn)足了工業(yè)的發(fā)展需求，這也是碳纖維復(fù)合材料在短短的幾十年中迅速崛起的原因。在現(xiàn)階段的科學(xué)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r下，碳纖維中的碳含量數(shù)值比較高，擁有其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，其實(shí)際的無(wú)形性質(zhì)極強(qiáng)，即使在2000攝氏度的環(huán)境里也可以保持一個(gè)惰性的化學(xué)性質(zhì)，且十分穩(wěn)定，將其和其他材料融合在一起，會(huì)展現(xiàn)出極好的修復(fù)效果，因此，碳纖維材料不僅在航空領(lǐng)域之中，在其他行業(yè)中也占據(jù)著十分重要的地位。將碳纖維復(fù)合材料合理地應(yīng)用到航天飛機(jī)上，可以提升飛機(jī)的性能，減少各類(lèi)資源能源的損耗。

3 在航空領(lǐng)域大量應(yīng)用以及航模對(duì)其的需求

飛機(jī)制造行業(yè)在使用碳纖維復(fù)合材料時(shí)，主要是看中其展現(xiàn)出的優(yōu)越性能。很多飛機(jī)在制作時(shí)都會(huì)使用碳纖維復(fù)合材料，特別是小型商務(wù)飛機(jī)和直升機(jī)，這兩類(lèi)飛機(jī)所使用的碳纖維復(fù)合材料的量比較大，主要是因?yàn)轱w機(jī)體積比較小，可以讓材料的性能更好地展現(xiàn)出來(lái)。

3.1 樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料

碳纖維中，碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料是重要的組成部分，該類(lèi)材料的質(zhì)量比較輕，強(qiáng)度數(shù)值比較高，在實(shí)際的應(yīng)用中具有極強(qiáng)的耐久及耐高溫等特性，且所展現(xiàn)出的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，被廣泛地應(yīng)用到我國(guó)的各個(gè)領(lǐng)域之中。目前，很多武器裝備也開(kāi)始應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，例如美國(guó)的軍用AV-8B改型“鷂”式飛機(jī)，總重量的四分之一都是碳纖維材料構(gòu)成的，飛機(jī)的機(jī)翼、前機(jī)身都是由石墨環(huán)氧材質(zhì)構(gòu)成，這讓機(jī)身的重量下降到原本機(jī)身的91%，有效載荷能力也有所提升，是AV-8A的兩倍，將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）投入前機(jī)身段中，讓其比原本金屬結(jié)構(gòu)重量減輕了32%左右。未來(lái)碳纖維復(fù)合材料很容易成為我國(guó)背景機(jī)中的重要材料，占據(jù)復(fù)合材料總使用數(shù)的35%。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始將復(fù)合材料放置到結(jié)構(gòu)的制作工序中，大力開(kāi)展輕型飛機(jī)的制作項(xiàng)目。碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料開(kāi)始被廣泛地投入到直升機(jī)的使用項(xiàng)目中，2007年上海合作組織在俄羅斯反恐軍演上，讓直-9型直升機(jī)在各國(guó)觀眾面前亮相，駐港部隊(duì)武裝的正是我國(guó)先進(jìn)的直-9型直升機(jī)，以CFRP為主體的有機(jī)復(fù)合材料占直-9型直升機(jī)總重的60%。此外，日本用CFRP制造了OH-1“忍者”直升機(jī)的槳葉，而機(jī)身也使用了40%的CFRP。在民用方面，A380創(chuàng)造了飛行歷史上的奇跡，這種世界上最大的飛機(jī)中四分之一的重量是復(fù)合材料，而CFRP更是占了22%。CFRP具有質(zhì)量輕、抗腐蝕、抗疲勞等優(yōu)良特性，直接降低了油耗和排放，使A380擁有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。CFRP具有質(zhì)量輕便，抗腐蝕能力比較強(qiáng)等特性，將其應(yīng)用到航模飛機(jī)上，會(huì)有效地降低飛機(jī)的油耗量以及排放量，提升飛機(jī)的性能。把碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料投入到航模飛機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身的制備工序中，可以極大程度地減輕航模飛機(jī)自身的重量，讓航模飛機(jī)迅速地爬升，上調(diào)爬升的高度，達(dá)到原本高度的1.8倍。

3.2 碳/碳復(fù)合材料

碳/碳復(fù)合材料的密度較小，為2.3g/m3，且熱導(dǎo)性比較強(qiáng)，即使在高溫環(huán)境下，強(qiáng)度數(shù)值仍舊較高，所展現(xiàn)出的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展正需要該材料的支撐，可將碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用到鼻錐和機(jī)翼前緣。利用材質(zhì)所展現(xiàn)出的優(yōu)良特性及性?xún)r(jià)比來(lái)拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。航模飛機(jī)和航空航天工業(yè)等所制造出的飛機(jī)體積相比，質(zhì)量比較小，且持續(xù)飛行的時(shí)間也比較短，但是實(shí)際的工作環(huán)境相對(duì)來(lái)說(shuō)比較良好，把碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用到航模飛機(jī)上，其展現(xiàn)出的價(jià)值更是十分顯著，可以進(jìn)一步地延長(zhǎng)飛機(jī)的壽命，延長(zhǎng)至3倍以上，甚至還可以將航模飛機(jī)投入到較為惡劣的工作環(huán)境中。

碳是元素周期表中較為穩(wěn)定的化學(xué)元素，可以單獨(dú)存在，也可以作為輔料存在，用以其他材料功能的增強(qiáng)。很多材料由于碳的加入，能讓自身的性質(zhì)發(fā)生改變，具備碳的優(yōu)良性能。通過(guò)碳復(fù)合材料的融入，航模飛機(jī)的上升速度以及爬升高度有所提升，同時(shí)還能在惡劣的環(huán)境下仍舊保持一個(gè)穩(wěn)定的正常工作狀態(tài)。近些年來(lái)，我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展如日中天，將碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用到該行業(yè)中，已經(jīng)成為時(shí)代發(fā)展的需求，這讓我國(guó)的航空航天事業(yè)取得飛躍性的突破。首先，碳纖維復(fù)合材料的成本比較高，所以我國(guó)相關(guān)的研發(fā)部門(mén)應(yīng)當(dāng)抓緊時(shí)間，找出低成本制備碳纖維復(fù)合材料的方式，大批量生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料?，F(xiàn)階段，我國(guó)對(duì)于碳纖維的研究還處于一個(gè)淺顯的地位，需要投入更多的人力、物力、財(cái)力去挖掘市場(chǎng)，深度地研究該材質(zhì)，通過(guò)碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展帶動(dòng)我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步。通過(guò)新技術(shù)以及新材料的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)中華民族的飛天夢(mèng)想，提升人們的生活品質(zhì)。

4 碳纖維復(fù)合材料發(fā)展

現(xiàn)階段，我國(guó)航空航天事業(yè)的科學(xué)技術(shù)水平已經(jīng)有了明顯的提升，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的需求量也在不斷加大，碳纖維復(fù)合材料開(kāi)始向高性能、低成本等方向發(fā)展，但是目前我國(guó)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的制備及使用仍舊處于一個(gè)摸索的階段。碳纖維復(fù)合材料價(jià)格本身比較昂貴，不如玻璃纖維價(jià)格低廉，對(duì)此，需要使碳纖維復(fù)合材料的原料價(jià)格下降，降低生產(chǎn)成本，但是即使出現(xiàn)了革命性的工業(yè)，也無(wú)法降低生產(chǎn)成本。碳纖維原料價(jià)格沒(méi)有下降的趨勢(shì)，新技術(shù)的研發(fā)無(wú)法取得進(jìn)展。調(diào)查報(bào)告顯示，我國(guó)每年損耗的碳纖維量已經(jīng)達(dá)到了6500噸，全世界每年使用的碳纖維量也僅僅只有3.5萬(wàn)噸，我國(guó)的損耗量占據(jù)全球損耗量的20%左右，但我國(guó)的碳纖維技術(shù)水平還不夠成熟，和一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍舊相對(duì)滯后，產(chǎn)量低下，極度缺乏高質(zhì)量產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)很多企業(yè)對(duì)碳纖維研制項(xiàng)目投入了巨資，有些已形成了批量生產(chǎn)的規(guī)模，現(xiàn)在的重中之重是如何消化這些產(chǎn)能，使之在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中產(chǎn)生效益。技術(shù)含量較低的結(jié)構(gòu)應(yīng)用可以消化一部分產(chǎn)能，但作為國(guó)產(chǎn)高性能纖維，應(yīng)在國(guó)產(chǎn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步應(yīng)用于其他高性能結(jié)構(gòu)。要將國(guó)產(chǎn)碳纖維應(yīng)用于高性能結(jié)構(gòu)，除了研制材料和研究復(fù)合材料制造工藝外，還應(yīng)關(guān)注更多其他方面的工作。例如，T300所用上漿劑品種是東麗公司的核心機(jī)密，無(wú)法從市場(chǎng)上獲得，上漿劑是在制造纖維過(guò)程中為改善工藝性能而涂于纖維表面的物質(zhì)，但其耐溫性對(duì)復(fù)合材料的濕熱性能會(huì)產(chǎn)生重大的影響，因此，該公司著重研究如何讓上漿劑與復(fù)合材料更好地融合。

5 結(jié)語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料的使用可以有效地減輕航模飛機(jī)自身的重量，提升航模飛機(jī)的品質(zhì)，可以讓航模飛機(jī)以最快的速度爬升，并增加爬升的高度。另外該材料還可以強(qiáng)化航模飛機(jī)的堅(jiān)固程度，延長(zhǎng)航模飛機(jī)的使用年限，使飛機(jī)無(wú)論處于何種惡劣的環(huán)境，都可以維持一個(gè)正常的運(yùn)行狀態(tài)。碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)以及使用會(huì)在根源上推動(dòng)我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展，且其所展現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)比較多，可以在一定程度上拓展航模飛機(jī)的強(qiáng)度范圍，讓機(jī)身的體積變得更小。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓笑，劉建軍，王希杰，盧彬，楊建恒，廖英強(qiáng)，李輔安.碳纖維復(fù)合材料在通用航空器上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2015（07）.

[2] 李豫卿.淺談碳纖維復(fù)合材料在航空工業(yè)的發(fā)展與展望[J].合成材料老化與應(yīng)用，2015（03）.

[3] 譚雪鋒.碳纖維復(fù)合材料制件手工鉆孔加工技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2012（14）.

[4] 趙銳霞，尹亮，潘玲英，董波. Φ10mm碳纖維復(fù)合材料管成型工藝及性能研究[J].宇航材料工藝，2012（04）.