炭纤维复合材料在航空航天领域中的应用-南通*通活性碳纤维有限公司

炭纤维复合材料在航空航天领域中的应用

发布时间： 2022/6/20

　　一百多年来，材料与航空航天工业一直在相互推动、不断发展，各种宇宙飞行器、探测器、空间站和人造卫星等在太空轨道中飞行，航天飞机和战略武器重返大气层需经苛刻的高温环境，研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机性能，急需新型结构材料及耐烧蚀材料。随着科学技术的进步和复合技术的不断提高，炭纤维复合材料的性能El臻完善，成为高新科技发展的物质基础组成部分。各种飞行器的使用环境与温度如表1所示。
　　表1 各种飞行器部件的使用环境、温度与寿命对比

部件

热循环/次

温度/℃

总热寿命/s

环境

飞机刹车片

固体火箭喷管喉衬

导弹再入飞行器鼻锥

环地轨道飞行器鼻锥

超音速飞行器控制

宇宙飞船散热器

航天发动机接力室

燃气部件

1500-4000

100

10000

1000

500

825

3200

6600

1500

1650

1035

30-50

0.02

O.01

50-100

25-100

－

2000-4000

空气

燃气

离解气体

空气

－

燃气

　　在航天领域，美国的三叉戟——2型导弹、侏儒导弹和大力神-4(直径为3.2m)采用了高强中模炭纤维复合材料。我国第一颗实用通信卫星应用了炭纤维/环氧复合材料抛物面天线系统，第一颗太阳同步轨道“风云一号"气象卫星采用了多折叠式炭纤维复合材料刚性太阳电池阵结构。炭纤维复合材料还可用来制造航天飞机的机翼、火箭的喷焰El、战略导弹的末级助推器等。
　　

　　图1波音787飞机所用结构
　　材料的质量分数
　　炭纤维复合材料可以提高净载质量，缩短航行时间，高速化，节能降耗等，在航空领域同样意义重大。早在19世纪70年代初期，美国军用F14战斗机就部分采用炭纤维复合材料作为主承力结构。在民用航空领域，如波音767和空中客车A310中，炭纤维复合材料也占到了结构质量的3％和5％左右。A380-800飞机中先进纤维复合材料用量高达30～35t，主要是炭纤维/环氧复合材料，也包括玻璃纤维增强铝和玻璃纤维/环氧复合材料。表2列出了炭纤维复合材料在大飞机上用量逐年递增的情况。显然，炭纤维复合材料在空客A380和波音787上的用量已占到结构总质量的50%，可称为复合材料飞机。图1是波音787所用结构材料的质量分数F383，制造波音飞机通用的铝合金、钛合金分别降低到20％和15％，炭纤维复合材料成为制造大飞机的主体材料。
　　表2 炭纤维复合材料在大飞机上的逐年用量对比

年份

飞机机型

结构材料

炭纤维复合材料用量/t

炭纤维用量/t

1982

1995

2006

2008

B767等

B777

A380

B787

二次结构材料

一次结构材料；二次结构材料

1.5