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碳纤维复合材料在无人机领域的潜力有多大?

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发表于 2016-12-28 18:10:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
 碳纤维复合材料是生产飞机的重要材料。特别是在无人战斗机和直升机上,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。

  碳纤维应宇航工业对耐烧蚀和轻质高强材料的迫切需求发展起来,它主要是由碳元素组成的一种特种纤维,是继玻璃纤维之后出现的第二代纤维增强复合材料。碳纤维的含碳量在90%以上,具有优异的力学性能,与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。在2000℃以上高温惰性环境中,碳纤维是唯一的一种强度不下降的物质,更可贵的是,碳纤维与其它材料具有很高的相容性,兼备纺织纤维的柔软可加工性,并且容易复合,具有很大的设计自由度。这就使得碳纤维成为纤维增强材料中发展最迅速、应用范围很广、适于不同领域要求的纤维材料。

  碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,制成结构材料。自玻璃纤维与有机树脂复合得到的玻璃钢问世以来,碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功,而且性能不断得到改进,使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。碳纤维复合材料与铝合金、钛合金、合金钢一起成为飞机机体的四大先进结构材料。

  据了解,目前全球碳纤维产能约3.5万吨,我国市场年需求量6500吨左右,属于碳纤维消费大国。2007年,我国碳纤维产能仅200吨左右,而且主要是低性能产品。由于缺少具有自主知识产权的技术支撑,目前国内企业尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。这就使得我国碳纤维在质量、技术和生产规模等方面均与国外存在很大差距,绝大部分高性能增强材料都长期依赖进口,价格非常昂贵,比如标准型T300市场价格曾高达4000~5000元/千克。由于缺乏创新与集成和应用领域的拓展,极大地制约了我国碳纤维复合材料工业的发展。

  近几年,国家重点支持碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维及其高性能复合材料的生产技术及关键装备的产业化项目,以满足国民经济以及航空航天等高技术产业发展的需求。

  碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能,在航空领域特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示,目前,碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70%~80%,在军用飞机上占30%~45%,在大型客机上占35%~50%。

  碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有质量轻等一系列突出的性能,在对重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都具有很大优势。

  碳纤维增强树脂基复合材料已成为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%。用军机战术技术性能的重要指标――结构重量系数来衡量,国外第四代军机的结构重量系数已达到27~28%。以F-22型机为例,复合材料用量比例需求为35%左右,其中碳纤维复合材料将成为主体材料。美国军用飞机AV—8B改型“鹞”式飞机其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件,全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的26%,使整机减重9%,有效载荷比AV—8A飞机增加了一倍。

  碳/碳复合材料是以碳纤维及其制品作为增强材料的复合材料。因为它的组成元素只有一个(即碳元素),因而碳/碳复合材料具有许多碳和石墨材料的优点,如密度低(石墨的理论密度为2.3g/cm3)和优异的热性能,即高的热导率、低热膨胀系数,能承受极高的温度和极大的热加速率,有极强的抗热冲击,在高温和超高温环境下具有高强度、高模量和高化学惰性。凭借着轻质难熔的优良特性,碳纤维增强基体的(C/C)复合摩擦材料在航空航天工业中得到了广泛应用。航天飞机轨道的鼻锥和机翼前缘材料,都会优先选用碳/碳复合材料。另外还大量用作高超音速飞机的刹车片,目前,国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合材料刹车副。这种刹车副不仅质量轻、抗热冲击性好、摩擦系数稳定、使用寿命长,更为方便的是可设计性强,性能便于调节。还可制作发热元件和机械紧固件、涡轮发动机叶片和内燃机活塞等。

  目前在无人机上使用的最多的碳纤维复合材料类型是碳板和碳管。其中以优质的石墨碳素材料增强耐酸性极强的有机复合物形成的石墨碳板性能最为优异。经高压成型、真空浸渍、高温热处理工艺精制而成,具有非凡的耐酸和耐温性能,是无人机上主要承力构件的首选材料,如主承力框、主承力梁。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似,但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性,给复合材料的性能带来极大的改善。目前碳纳米管主要应用于无人机上的主承力框梁之间的连接、支撑作用,同时还有很好的承载作用。,

  高密度石墨碳板具有诸多优异性能,如1、优良的耐磨性能:制品采用了优质的石墨碳素材料,有效地降低了制品的气孔率,提高了制品的体积密度,因而其具有优异的耐磨性能。2、性能稳定,耐久性能强:该制品采用石墨碳素材料结合高强有机胶作结合剂,同时引入高新技术添加剂,因而制品强度大,耐磨性能好,结构极为稳定,随温度变化制品结构不发生改变。3、外形尺寸精确:采用模压成型,制品成型质量好,外形尺寸精确,并能按用户要求生产特异制品,能充分满足施工砌筑工艺要求。4、优异的力学性能:高强度碳板具备碳纤维复合材料相同甚至更好的力学性能。其中高性能碳板使用大量的美国赫克里斯公司生产的IM-7碳纤维抗拉强度达到5.3GPa的,而性能最高的东丽T-800纤维,抗拉强度5.65Gpa、杨氏模量300GPa。

  主要由T300级和T700级小丝束碳纤维增强的碳纳米管具有高模量、高强度。碳纳米管的莫斯科大学的研究人员曾将碳纳米管置于1011MPa的水压下(相当于水下10000米深的压强),由于巨大的压力,碳纳米管被压扁。撤去压力后,碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形状,表现出良好的韧性。此外,碳纳米管的熔点抗拉强度达到50~200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6,至少比常规石墨纤维柔韧性,可以拉伸。目前在工业上常用的增强型纤维中,决定强度的一个关键因素是长径比,即长度和直径之比。目前材料工程师希望得到的长径比至少是20:1,而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上,是理想的高强度纤维材料。碳纳米管具有良好的力学硬度与金刚石相当,却拥有良好的性能,CNT高一个数量级;它的弹性模量可达1TPa,与金刚石的弹性模量相当,约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管,其抗拉强度约800GPa。是目前已知材料中最高的。

  碳纤维复合材料的密度大概在1.8~2.1g/cm3,而一般铝型材的密度大概在2.7~2.8g/cm3,钢材的密度大概在7.75~8.0g/cm3,因此使用碳纤维复合材料极大地减轻了无人机的重量,在同等起飞要求载荷的条件下,减轻重量就意味着延长航行时间或者加大任务载荷,这对于无人机领域的发展是最大的诱惑。

  碳纤维复合材料同时还具有其他复合材料的优势性能,如复杂形状、复杂曲面等均可成型,复合材料易维护、易修理等。综合上述,碳纤维复合材料制品满足无人机领域重量轻、性能好的应用条件。


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