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碳纤维复合材料在航空航天领域的应用有哪些?

2016-12-28 行业知识
  碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。聚丙烯腈(PAN)基碳纤维占据主流地位。其出色的力学性能、热性能、耐腐蚀、抗辐射在一般工业领域以及航天航空领域应用越来越广泛。
 
  沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维主要运用于导热、摩擦以及隔热。与PAN基碳纤维相比,粘胶基碳纤维力学性能较差,工艺条件苛刻,成本较高,但具有突出的耐烧蚀性能和隔热性能,主要用于航空航天领域的耐烧蚀材料和隔热材料。沥青基碳纤维在航天领域某些小范围应用,如防热端,应用量不是很大。
 
  聚丙烯腈(PAN)基碳纤维
 
  聚丙烯腈基碳纤维以聚丙烯腈基长丝为主要材料,也称为原丝,经过拉伸、预氧化、氧化、高温碳化、石墨化等形成碳纤维。聚丙烯腈基碳纤维的强度、刚性及其他力学性能均优于钢铁,比强度、比模量性能指标比起钢铁、金属材料更加出色,是高强钢的3-5倍,可充分满足航空航天领域需求。
 
  上世纪40-50年代国外开始研究碳纤维及其复合材料。二战后美.日.德在碳纤维研究领域走在了世界前列。60年代相继开发出了T300系列,70年代开发T400、T700以及相关M系列碳纤维,90年代T800、T1000系列问世,2012年日本东丽公司宣布T1100研制成功。
 
  我国碳纤维复合材料的研究与运用
 
  我国碳纤维的研制经历了30多年的漫长历程。2008年T300级碳纤维工业化生产全流程关键技术得到突破,已基本实现国产化,产品部分替代进口。目前,T700级碳纤维尚未形成大规模量产,T800进入研究阶段。我国的碳纤维研究、产业应用与国外尚有20-30年差距。碳纤维在航空航天方面尝试应用始于70、80年代,但使用范围极小、用量极少,进入到90年代中期,随着第三代航空装备和载人航天项目开始运用,碳纤维复合材料逐渐崭露头角,但纤维多为实验室级别或严重依赖进口。2008年国家启动大飞机项目,碳纤维复合材料的生产在国内呈现井喷的发展态势。综上,虽然我国碳纤维复合材料在航空航天领域的发展远落后于西方国家,但追赶速度非常快。预计2025-2030年可以与西方国家同台竞技,一较高下。
 
  碳纤维复合材料在航空航天领域应用的结构占比
 
  航空航天是国际碳纤维应用的传统市场。最先开始于航天领域。美国等发达国家先后开发了碳纤维-酚醛防热复合材料、高强高韧碳纤维—环氧复合材料、耐高温碳纤维复合材料等系列产品,主要用于受力部件(火箭发动机外壳)、耐热部件(火箭发动机喷管)、火箭箭体结构等。后发展到航空领域,主要用于军用飞机的非受力部件,如舵面、扰流板、整流罩等。再后来发展至大非承力部件,如整个舵面、水平尾翼、垂直尾翼、机翼、机头、机身等等。
 
  国外碳纤维复合材料在战斗机、直升机、无人机上的用量早已达到或超过机身总重的50%,军事飞机运用碳纤维复合材料用量占比约为30%。波音787“梦幻航线”和空客A350XWB宽体客机上,碳纤维复合材料主、次结构件质量占比也已达到50%,而我国C929仅为10%左右,仍有很大差距,这与我国碳纤维复合材料的研究历史、碳纤维复合材料的成形技术、力学性能、结构设计等有很大关系,从而导致我国碳纤维复合材料在航天器上的应用较少。
 
  航天领域与航空领域有所不同,我国碳纤维复合材料在航天领域运用发展较快。航天器如火箭、卫星等使用周期短,碳纤维复合材料结构比重较大,约为20%左右,与国外水准齐平。
 
  碳纤维复合材料应用领域
 
  碳纤维按用途可分为宇航级和工业级两类,亦称为小丝束和大丝束。通常把48K及以上碳纤维称为大丝束碳纤维,包括60K、120K、360K和480K等。宇航级碳纤维初期以1K、3K、6K为主,逐渐发展为12K和24K,主要应用于国防工业和高技术及体育休闲用品(如:飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等)。工业级碳纤维应用于不同民用工业,包括:纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。其中,航空航天应用量占25-30%,一般工业领域占40-50%。其中,运用于航空航天领域的碳纤维复合材料的产值最大,其复合材料属于最新、最高端、性能最稳定的产品。
 
  民用航空
 
  碳纤维复合材料不仅限于军用领域。随着低空领域的开放,通用航空、民用航空对碳纤维复合材料需求激增。大飞机项目启动以来,民航领域对国内碳纤维复合材料需求越来越旺盛,我国即将研发的二代大型C929碳纤维复合材料应用会再上台阶,民航对于大飞机的需求量每年保持200-300架需求。
 
  通用航空
 
  私人飞机、探空气球等航空器价格较低、产量大,拉动碳纤维材料的使用量贡献最大,属于最有利于降低材料成本的应用领域。
 
  无人机
 
  碳纤维复合材料在军用无人机、民用无人机领域开始崭露头角。无人机要想获得更大的载荷和更长时间的续航,在制造材料这一块,就必须选用质轻高强的材料,而碳纤维都满足这些条件,所以被众多无人机厂家选用为无人机机壳和无人机配件的首选材料。此外,随着碳纤维成本逐渐降低将大力推动无人机市场对碳纤维的运用,从而形成产业良性循环,有利于碳纤维材料技术进步、应用水平提高。
 
  
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