碳纖維復(fù)合材料在航空航天中的開發(fā)與應(yīng)用

◎劉忠超

碳纖維復(fù)合材料在多個(gè)領(lǐng)域都有所應(yīng)用，具有剛性強(qiáng)和比重輕的特點(diǎn)，將其應(yīng)用到航空領(lǐng)域也能夠得到良好效果。目前這種材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)的研制與開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，但是從航空領(lǐng)域的總體發(fā)展來看，該材料的應(yīng)用規(guī)模還比較有限，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究與應(yīng)用，結(jié)合航空航天工程設(shè)計(jì)的實(shí)際需要建立完善的新型材料體系，為提高航空設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量提供保障。

一、碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

碳纖維復(fù)合材料與其他的復(fù)合材料相比重量較輕且靈活性較強(qiáng)，能夠滿足不同部位結(jié)構(gòu)對材料的成型加工需要，在進(jìn)行同種類型的零部件加工時(shí)，使用碳纖維復(fù)合材料的零件重量要比其他材料零件輕的多，所以將其應(yīng)用到航空航天設(shè)備的生產(chǎn)制造中具有良好的發(fā)展前景，能夠在一定程度上減輕設(shè)備的自重，減少了設(shè)備飛行時(shí)能源的消耗量，而且由于碳纖維材料的剛度強(qiáng)能夠?qū)娇赵O(shè)備的外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效保護(hù)。另外，碳纖維復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用期間受溫度環(huán)境的影響比較少，即使在高溫環(huán)境下也不會(huì)對材料的性能產(chǎn)生較大影響，整體的穩(wěn)定性比較強(qiáng)能夠?yàn)楹娇赵O(shè)備的安全穩(wěn)定飛行提供保障。

除了上述的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)以外，這種材料的承載能力也是鋼材料的5 倍左右，這一優(yōu)勢是其他材料無法比擬的，在實(shí)際應(yīng)用的過程中航空航天設(shè)備需要達(dá)到一定的初速度才能保證設(shè)備的穩(wěn)定飛行。

航空設(shè)備在飛行的過程中會(huì)受到外界環(huán)境因素的影響，由于空氣摩擦阻力比較大，要想降低這一因素對設(shè)備飛行造成的影響則需要保證外層材料質(zhì)量達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，要具有耐高溫的能力。通過對碳纖維復(fù)合材料的試驗(yàn)了解到，其耐高溫的能力比較強(qiáng)，即使在2000℃的環(huán)境中還可以保證性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且還具有較高的抗氧化性能受空氣環(huán)境的影響比較小，即使在長時(shí)間的飛行環(huán)境中也不會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，能夠保證航空設(shè)備的飛行安全，不會(huì)輕易出現(xiàn)變形情況，節(jié)省了后續(xù)的維修費(fèi)用。

二、碳纖維的發(fā)展

減輕航空設(shè)備的自身重量一直是該領(lǐng)域在發(fā)展期間重點(diǎn)研究的內(nèi)容，達(dá)到減輕自重的目的不但能夠減少制造成本方面的投入，還可以提升航空設(shè)備的飛行速度和穩(wěn)定性，在這種發(fā)展形勢下提出了將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到設(shè)備制造中，屬于一種新型的現(xiàn)代化理念。但此類材料技術(shù)最早研發(fā)的領(lǐng)域并不是航空航天，隨著技術(shù)逐漸進(jìn)步完善才被應(yīng)用到高科技生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。制作碳纖維混合材料時(shí)，要考慮材料使用后復(fù)合的部分。最常見的是將碳纖維與樹脂材料進(jìn)行復(fù)合，這種材料的化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，并且在優(yōu)點(diǎn)上能夠互相結(jié)合，在航天飛行設(shè)備中應(yīng)用廣泛。碳纖維只是應(yīng)用在飛機(jī)制造的部分結(jié)構(gòu)中，完整的制造流程還需要金屬復(fù)合材料的應(yīng)用。

三、碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用

作為一種新型的復(fù)合材料，碳纖維強(qiáng)度高自重小，在航空領(lǐng)域中以不同種形式被應(yīng)用。大型客機(jī)與直升機(jī)應(yīng)用最廣泛，根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，目前應(yīng)用在民用飛機(jī)中的碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)達(dá)到了80%。即使是在軍事領(lǐng)域中也高達(dá)40%。這一數(shù)據(jù)結(jié)果表示新型材料的開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)得到了很好的落實(shí)。

1.碳纖維復(fù)合材料。

首先是纖維復(fù)合型。自重非常小，火箭制造方面常常會(huì)使用到，能夠滿足高速運(yùn)行狀態(tài)下對材料耐高溫的需求。用碳纖維復(fù)合材料制作的火箭，可以將推動(dòng)力轉(zhuǎn)化為運(yùn)用動(dòng)力，并且不會(huì)產(chǎn)生過大噪音。與同體積的復(fù)合材料相比較，能夠減少大量的動(dòng)能損耗。在飛機(jī)制造過程中應(yīng)用這一技術(shù)，材料密度最大能夠提升23%，對飛行速度的促進(jìn)作用也不容小視。速度得到了提升，但對油品的消耗量并沒有因此而增大，甚至還有明顯的減少。在飛機(jī)的最外層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，軍用飛行設(shè)備要求體積小，飛行速度快，并且外層材料要牢固耐用。針對這一需求，碳纖維復(fù)合材料在高溫成型技術(shù)幫助下完成了目標(biāo)，設(shè)計(jì)制造的設(shè)備應(yīng)用成本更少，整體體積也有明顯的減少，能夠在短時(shí)間內(nèi)提升速度，外形材料在高溫狀態(tài)下不會(huì)受到影響。

2.碳/碳復(fù)合材料。

碳/碳復(fù)合材料中加入了纖維物質(zhì)，屬于碳纖維材料的增強(qiáng)版，繼承了石墨材料的優(yōu)點(diǎn)，化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，使用過程中也不會(huì)受到其他物質(zhì)的污染，根據(jù)不同使用方向，可以在原料中添加一些化學(xué)成分。將其制作成需要的部件形式，通常也是在熱處理?xiàng)l件下來實(shí)現(xiàn)的，具有極強(qiáng)的可控性，一次成型后堅(jiān)固耐用。機(jī)翼部分在使用中需要承受大量摩擦，一旦材料耐高溫性能差便會(huì)發(fā)生形變，飛機(jī)不能正常行駛在空中，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此在制造過程中都會(huì)對材料高溫環(huán)境中的變化進(jìn)行觀察，選定自重合理的材料。經(jīng)過多次測試實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)碳/碳復(fù)合材料能夠符合這一要求，并且制造成本也不會(huì)有明顯的增多。

四、碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段我國的國際競爭力在不斷地增強(qiáng)，但是現(xiàn)實(shí)中存在的問題是，我國的碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展并不能滿足現(xiàn)實(shí)生活中的需求，作為航天航空領(lǐng)域的重要支柱，碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)和研究直接關(guān)系到我國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)尤其是航天航空產(chǎn)業(yè)能否占領(lǐng)世界的科技技術(shù)前沿，因此國家的大力扶持起著相當(dāng)重要的作用，不僅僅是要在資金上給予幫助，更要?jiǎng)?chuàng)造良好的環(huán)境來促進(jìn)發(fā)展。在政策上給予支持，在資金上給予幫助，培育一批具有超強(qiáng)競爭力的企業(yè)，只有這樣我國的碳纖維復(fù)合材料才能在國際上占有重要地位，才能在日后的國際競爭中處于優(yōu)勢。這對于我國航天航空事業(yè)的發(fā)展有著重要的作用。

小結(jié)：在全球化經(jīng)濟(jì)不斷加速的今天，國與國之間的聯(lián)系日益緊密，相互之間的技術(shù)交流和技術(shù)競爭也在不斷加強(qiáng)。我國在碳纖維復(fù)合材料上的發(fā)展取得了一定成就，但是在發(fā)展中也存在著一些問題，產(chǎn)品質(zhì)量處于低層次，生產(chǎn)成本過高，能耗較大，環(huán)境污染大等，因此在日后的發(fā)展中一定要高瞻遠(yuǎn)矚，制定好長期的發(fā)展規(guī)劃，才能更好促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的更新研究。