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碳纤维在航空航天领域应用

 2016-05-10 08:00:00   作者:SystemMaster  文字大小:

  碳纤维是一种兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征的化工新材料,是新一代的增强纤维。它的密度不到钢的1/4,但抗拉强度却是钢的7~9倍,抗拉弹性也高于钢;与传统的玻璃纤维(GF)相比,杨氏模量(指表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量)是其3倍多;与凯芙拉纤维(KF-49)相比,不仅杨氏模量是其2倍左右,而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性出类拔萃。正是由于兼具优异性能,碳纤维在国防和民用领域均有广泛的应用前景。


    碳纤维是指含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维。它是以化纤和石油产品经特殊工艺制成的纤维。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防、军工和民用方面都是重要材料。


  碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。高性能碳纤维是制造先进复合材料最重要的增强材料,是发展国防军工与国民经济的重要战略物资,在当今世界高速工业化的大背景下,碳纤维用途正趋向多样化、核心化。


  由于碳纤维神秘的面纱尚未完全揭开,人们现在还不能直接用碳或石墨来制取,只能采用一些含碳的有机纤维(如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等)为原料,将有机纤维与塑料树脂结合在一起炭化制得碳纤维。根据原料及生产方式不同,碳纤维主要分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维等。


  碳纤维除了用于航空航天领域、国防军事领域和体育休闲用品外,汽车构件、风力发电叶片、建筑加固材料、增强塑料、钻井平台等碳纤维新市场也正在兴起。待开发市场有压力容器、医疗器械、海洋开发、新能源等领域.


    航空航天领域

    碳纤维复合材料以其独特、卓越的理化性能,广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天业。例如采用碳纤维与塑料制成的复合材料制造的飞机、卫星、火箭等宇宙飞行器,不但推力大,噪音小;而且由于其质量较轻,所以动力消耗少,可节约大量燃料。据报道,航天飞行器的质量每减少lkg,就可使运载火箭减轻500kg。2007年面世的超大型飞机A380,复合材料的密度已达23%。预计于2010年问世的A350超宽客机,其高性能轻质结构所占比例将达62%,成为空客公司第一架全复合材料机翼飞机。轻质“外衣”不仅能有效克服质量与安全之间固有的矛盾,还能大幅降低飞机能耗。以A380为例,其首架飞机每位乘客的百千米油耗不到3L,而A350的百千米油耗预计只有2.5L/人,几乎可以跟现在的小汽车媲美。


    航空航天领域是世界碳纤维的传统市场,航空器中碳纤维复合材料的使用量未来几年将以年均12%的速度继续增长,估计将从2008年的8200吨增加至2010年的1万吨以上,2012年可达1.3万吨。碳纤维复合材料约占空客A380飞机35吨结构材料中的20%以上,包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁。波音787中结构材料有近50%需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料,包括主机翼和机身。金属结构材料采用碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量,而且还可以保证不损失强度或刚度,大大提高了燃油经济性。新一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。同时,碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。例如,三菱重工计划利用碳纤维复合材料制作新一代支线喷气客机MRJ主机翼和尾部组件,该机型预计在2013年进入市场。


    机体结构复合材料化程度被认为是飞机先进性的重要标志,可以说是“一代飞机,一代材料”。国外复合材料在军机、直升机、无人机上的用量早已达到或超过50%,如今在大型客机上的用量也超过了50%。


  空客集团研制的超大型客机A380目前已交付使用。飞机复合材料占25%,主要应用部件包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等,仅中央翼盒用复合材料就达5.3吨,实现减重1.5吨。A380是第一个将复合材料应用于受载很大的中央翼盒的大型民用机,开创了大型民用机大规模采用复合材料的先河。


  美国波音飞机公司研制的B787飞机也已于2007年成功下线,整机主要结构均采用碳纤维复合材料制成,从外表看,除机翼、尾翼前缘、发动机挂架外,几乎看不到金属。这是世界上第一个采用复合材料机翼和机身的大型客机,被公认为复合材料发展史上的一个重要的里程碑。复合材料的大量应用大幅减轻了飞机的结构重量,并使飞机的燃油效率提高20%。


   美国波音公司20世纪90年代初推出的波音777型客机就大量采用了这种新型材料,使用比例约占10%。波音777飞机利用碳纤维做结构材料,包括水平和垂直的横尾翼与横梁,如果这两部分重要的结构受损,那么整个飞机在飞行的过程中就可能坠毁;这些材料被称为“首要的结构材料”,所以对其质量要求极其苛刻。对于波音777飞机,日本东丽公司是波音公司指定的唯一有资格的碳纤维制造商;欧洲空客也在其飞机上使用了大量的碳纤维,东丽公司的TORAYCA碳纤维将被大量应用在新型客机A380上。


  波音公司即将推出新一代高速宽体客机--“音速巡洋舰”,约60%的结构部件都采用强化碳纤维塑料复合材料,其中包括机翼,这种材料比铝更加轻便,但强度不相上下。据称,如果客机中所有部件都使用这种复合材料,那么,新型客机的飞行速度会提高15%~20%。


    波音公司于2007年7月初正式推出的中型“绿色”喷气客机787 Dreamliner,可以载客330人,长途飞行时可节约高达20%的燃料,由此减少温室气体排放。波音推出的787 Dreamliner新机型于2008年在日本的全日空航线上投入商业服务,其创新的设计特征包括:飞机绝大部分使用高科技塑料复合材料代替铝材质;飞机主要结构的50%左右,包括机身和机翼均采用复合材料如碳纤维制作。由于机身整体采用复合材料制造,从而无需使用1500块铝板材和4万~5万个紧固件;与传统的材料相比,使用复合材料会使飞机更为强固和轻巧,可以提高燃油利用效率。这种创新性的结构使飞机提高了运营经济性,同时提高了耐用性。


    2005年新型空中客车A350和波音787客机Dreamliner投产给碳纤维工业带来显着的推进作用。空中客车A350中复合材料用量已接近总质量的40%;波音787机翼和机身上使用的复合材料超过了50%,质量的减少可以使其节约大约20%的燃料费,加上腐蚀等方面费用的节省,更是惊人。据市场称,波音和空中客车每年交付使用客机大约250~350架。


    欧洲空中客车公司研制的世界最大民用货机A380F于2005年4月投入生产,生产过程中更多地采用了碳纤维材料,翼展79.8m、长73m、高24.1m,相当于8层高的楼房,是世界上正在制造的最大货机,设计商用载重量可达150吨、航程1.04万km。A380F的中央翼盒采用了碳纤维增强塑料,这种材料质量轻、强度高,采用新型材料和高技术将使A380F在性能上比老一代大型飞机更具优势。空中客车公司认为,全球货运市场在未来20年内将快速发展,但目前承运商面临着收益减少和货物密度下降的压力,因此承运商希望货机容量更大,以降低单位成本,A380F正是为这一需求而设计的。首架A380F于2008年投入运营。


    最近几年,尤其在亚洲和欧洲,飞机乘客数量的增加促进了对新飞机的需求。《空客全球市场预测》估计,2006年~2025年间,飞机运营商将需要22700架客机和货机。这些OEM正引领着结构性复合材料用量的巨大增长,其中包括碳纤维,其最新的应用就是B787和A380飞机。


    截至2007年12月,空客A380就收到189个订单。A380为大型喷气式客机,其结构(包括主要结构)使用了22%的碳纤维复合材料。截至2008年1月中旬,波音公司宣布B787订单达到857架。B787中碳纤维/环氧预浸料的唯一供应商是东京的东丽公司(Toray),两家公司已经就Torayca预浸料签订了长达18年的供应合同。一直到2021年。据报道,787主要结构的合同价值高达20.3亿欧元(30亿美元)。


    碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。例如,三菱重工利用碳纤维复合材料制作新一代支线喷气客机MRJ主机翼和尾部组件,该机型预计在2013年进入市场。


    欧洲空中客车公司授予赫氏复材(Hexcel公司)其远程宽体客机A350XWB主结构件的长期供应合同,此合同要求赫氏复材供应碳纤维复合材料直至2025年。随着A350XWB设计告一段落,赫氏复材和空客公司将共同对用于主结构件的赫氏复材产品进行确认,并完成最终的规范和认证。此合同预计将给赫氏复材带来40~50亿美元的收人。另外,除用于主结构件外,赫氏复材的复合材料还将用于A350的次结构件和内装饰部件,产品包括织物、树脂、预浸料、胶膜、蜂窝、HexMC模压件等,这些与A350相关的材料也将为赫氏复材带来相当可观的收入。根据该合同,赫氏复材将主要提供用新一代高韧性环氧树脂浸渍HexTow茁中模量碳纤维的HexPly茁预浸料。赫氏复材为扩大产能将明显增加投资,以满足日益增长的A350的订单。确切的投资规模和时间将按照空客公司与其它供应商的预测进行。复合材料及其部件由赫氏复材在美国、法国、西班牙、德国及英国的工厂生产。


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