碳纤维航空航天材料（共8篇）
碳纤维航空航天材料 篇1
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用
林德春
潘
鼎
高
健
陈尚开
（上海市复合材料学会）
（东华大学）
（连云港鹰游纺机集团公司）
碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在 90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在 2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性,纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。
可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过100%。
本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。
航空领域应用的新进展
T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的 为拉伸强度达到 5.5GPa，断裂应变高出 T300 碳纤维的 30％的高强度中模量碳纤维 T800H 纤维。
（1）军品
碳纤维增强树脂基复合材料是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%。未来以F-22为目标的背景机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。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。
美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上，军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人驾驶的“星舟”轻型机，结构质量约1800kg，其中复合材料用量超过1200kg。1986年美生产的“旅行者”号轻型飞机，其90%以上的结构采用了碳纤维复合材料，创下了不着陆连续九天进行环球飞行的世界记录。Boeing公司用GF / PPS制造海军巡航导弹的壳体，Du Pont公司用GF、KF / PA、PPS，制造军机的零部件。
由于碳纤维增强复合材料不但是轻质高强的结构材料，还具有隐身的重要功能，如
CF/PEEK 或 CF/PPS具有极好的宽峰吸收性能，能有效地吸收雷达波。美国已用来制造最新 型的隐形轰炸机。美国的P－22 超音速飞机的主要结构就是采用了中等模量的碳纤维增强的特种工程塑料。幻影III战斗机的减速降落伞盖和弹射的弹射装置也由这种材料制成。已成功地用于飞机的肋条、蒙皮及一些连接件、紧固件等雷达波的吸收件。战斧式巡航导弹壳体、B-2隐型轰炸机的机身基材，F117A隐型飞机的局部也都采用了碳纤维改性的高分子吸波材料。
英国ICI公司用GF/PA生产战斗机上的阀门，使飞机阀门在很宽的温度范围内与燃料长 期接触也能保持其性能和形状的稳定；其它国家的飞机F/A-
18、RAH-66、A330 / A340、B77、Y-22上面也都采用了这种材质来制造机翼、蒙皮、主承力结构、中央冀盒、地板、尾 冀、设备箱体及结构件。
大量采用碳纤维复合材料为部件的中国新型号的军机“飞豹”飞机总长约22.3米，翼展约12.7米，最大起飞重量28.4吨，最大外挂重量约6.5吨，最大M数1.70，转场航程约3600公里。该机的攻击威力已超过“美洲虎”、“旋风”、苏-24等飞机，具备了第三代战斗机的特点。
（2）民品
在民用领域，555座的世界最大飞机A380由于CFRP的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP), 3%为首次用于民用飞机的GLARE纤维－金属板（铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构）。这些部件包括：减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。继A340对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封 框——复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后，A380又一次对连接机翼与机身主体结构中央翼盒新的禁区发起了成功挑战。仅此一项就比最先进的铝合金材料减轻重量1.5吨。由于CFRP的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。从而大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%--20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。
航天领域新进展
(1)火箭、导弹
以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上，碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料，在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用，美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，如美国三叉戟-2 导弹、战斧式巡航导弹、大力神一 4 火箭、法国的阿里安一 2火箭改型、日本的 M-5火箭等发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为 5.3GPa 的IM-7 碳纤维，性能最高的是东丽 T-800 纤维，抗拉强度 5.65Gpa、杨氏模量 300GPa。
我国各类战略和战术导弹上也大量采用碳纤维复合材料作为发动机喷管、整流罩防热材料。我国九十年代后期开展了纤维增强复合材料材料壳体的研究，进行了 T300 CFRP 固体火箭发动机壳体的基础试验、壳体结构强度试验、点火试车等全程考核;完成了 12K T700 CFRP壳体结构强度试验，开展了 T800 碳纤维 CFRP多种壳体的预研实验。
（2）卫星、航天飞机及载人飞船
高模量碳纤维质轻，刚性，尺寸稳定性和导热性好，因此很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作，而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。
碳纤维增强树脂基复合材料被作航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。美国发现号航天 飞机的热瓦，十分关键，可以保证其能安全地重复飞行。一共有 8 种：低温重复使用表面绝热材料 LRSI；高温重复使用表面绝热材料 HRSI；柔性重复使用表面绝热材料 FRSI；高级 柔性重复使用表面绝热材料 AFRI；高温耐熔纤维复合材料 FRIC—HRSI；增强碳/碳材料 RCC；金属；二氧化硅织物。其中增强碳/碳材料 RCC，最为要的，它可以使航天飞机承受 大气层所经受的最高温度 1700℃。
从 1996 年 11 月 20 日的“神州一号”升空开始到“神州六号”上天，中国在八年多的时间里六次飞天。在飞船、卫星、返回舱中大量使用的碳纤维复合材料，为这一举世瞩目的成就立下了汗马功劳。随着科学技术的进步，碳纤维的产量不断增大，质量逐渐提高，而生产成本稳步下降。各种性能优异的碳纤维复合材料将会越来越多地出现在航空航天领域中，为世界航空航天技术的发展作出更大的贡献。
碳纤维航空航天材料 篇2
1 碳纤维复合材料的优势
在航天领域中需要的就是要求飞行器的质量轻盈, 碳纤维复合材料的应用解决了这个难题, 在飞行器上每使用一公斤的碳纤维复合材料, 就会减轻五百公斤的重量, 这对于飞行器向更好更高的飞行空域提供了方便, 在航天器材上使用碳纤复合材料有助于减轻航天飞船以及航天飞机的重量, 可以大大的减少飞行中的燃料消耗。碳纤维复合材料由于具有很高的抗高温性能, 所以对于航天航空飞行器的外围保护起到了很大的作用。
碳纤维复合材料具有高强度的特点是钢材强度的五倍以上, 所以在航天航空领域使用上可以使飞行器更加结实坚固。在飞行器飞行初期, 有较强的初速度, 在较强初速的影响下, 空气摩擦, 在高摩擦的影响下要求飞行器必须具有抗高温的外层保护, 而碳纤维复合材料出色的耐热性可以承受两千摄氏度以上的高温, 减少高热带来的冲击。在航天飞机进入对流层时由于气温下降, 受热胀冷缩的影响较大, 这对于航天飞机的零件使用寿命会大大影响, 碳纤维复合材料有较好的低热膨胀性能, 在零部件外层涂抹会减轻零部件的变形。飞机等飞行器在高空中飞行时, 由于环境复杂, 受腐蚀和辐射性加强, 碳纤维复合材料在抗腐蚀与辐射上具有很好地性能, 大大的保护了飞行的安全。
2 碳纤维的发展
研制大型飞机要突破许多关键技术, 其中一项是“先进复合材料结构设计技术”, 这项技术离不开碳纤维。世界碳纤维的需求在各用途领域都不断增长, 特别是急速增长的航空航天领域拉动了碳纤维全体的增长。
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。
3 碳纤维复合材料在航空领域的具体应用
碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能, 在航空领越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%~40%, 在大型客机上占15%~50%。
3.1 碳纤维复合材料
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。
3.2 碳/碳复合材料
碳/碳复合材料是以碳纤维及其制品 (碳毡或碳布) 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。
4 我国碳纤维复合材料发展现状
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。
随着新兴产业的发展和我国航天航空的不断进步, 对于碳纤维复合材料的使用将会更加的广泛, 作为世界上第一人口大国, 拥有着广阔的国内市场, 随着我国经济不断走向世界, 我国的国际竞争力也在不断地增强, 但是现实中存在的问题是, 我国的碳纤维复合材料的发展并不能满足现实生活中的需求, 作为航天航空领域的重要支柱, 碳纤维复合材料的生产和研究直接关系到我国高新技术产业尤其是航天航空产业能否占领世界的科技技术前沿, 因此国家的大力扶持起着相当重要的作用, 不仅仅是要在资金上给予帮助, 更要创造良好的环境来促进发展。在政策上给予支持, 在资金上给予帮助, 培育一批具有超强竞争力的企业, 只有这样我国的碳纤维复合材料才能在国际上占有重要地位, 才能在日后的国际竞争中处于优势。这对于我国航天航空事业的发展有着重要的作用。
结束语
在全球化经济不断加速的今天, 国与国之间的联系日益紧密, 相互之间的技术交流和技术竞争也在不断加强。我国在碳纤维复合材料上的发展确定了举世瞩目的成就, 但是在发展中也存在着一些问题, 产品质量处于低层次, 生产成本过高, 能耗较大, 环境污染大等, 因此在日后的发展中一定要高瞻远瞩, 制定好长期的发展规划, 才能更好促进产业的更新研究。
摘要：随着我国经济的不断发展, 科学技术也在不断的进步, 对于传统原材料的更新也在不断加速, 随着我国神十的成功飞行, 让我们看到了在航天领域我国取得的瞩目成就, 在成功的背后离不开我国航天工作者的辛勤劳动, 更重要的是科研工作者对于新型材料的研究, 碳纤维复合材料在航空航天中发挥了不可替代的作用, 碳纤维复合材料广泛地应用于航天航空领域, 具有无可比拟的优势, 但是在发展中也经历了相当漫长的发展过程, 本文将介绍碳纤维技术的发展、在航天航空领域的应用以及它的发展现状, 加深人们对于碳纤维复合材料技术的了解有一定的作用。
关键词：碳纤维复合材料,发展,航空航天,应用
参考文献
[1]特约记者.顾定槐;院士寄望碳纤维复合材料有突破[N].中国化工报, 2010.[1]特约记者.顾定槐;院士寄望碳纤维复合材料有突破[N].中国化工报, 2010.
[2]美联社/吴汉兴译.美国研制出单人电动隐形飞机[N].北京科技报, 2010.[2]美联社/吴汉兴译.美国研制出单人电动隐形飞机[N].北京科技报, 2010.
碳纤维航空航天材料 篇3
一、碳纤维复合材料的优势
碳纤维与其他复合型材料相比较，自身重量更小，并且可以根据不同的使用需求对材料进行成型处理。在对航空航天领域的成品重量进行计算时，发现使用碳纤维复合材料后与同等体积的零件相比较，自重降低了500公斤。这更加验证了碳纤维材料的发展优势，飞机等航天设备自重减轻后，能够减少运行期间的油耗，对飞机外部机构也能起到保护作用。虽然碳纤维自身重量很小，但在使用过程中能够承受高温带来的影响，材料自身性质不会轻易变化，为飞机等航空航天设备的运行提供了稳定保障。
除上述优点外，碳纤维材料还具有优异的承载性能，其强度可以达到钢材料的5倍以上。这一点是其他材料很难达到的。飞机在起飞期间，需要较大的初始速度，达到一定速度后才能够顺利起飞。飞机在行驶期间也会承受空气摩擦带来的压力，因此对外层材料耐高温性能的要求极高。经过测试了解到，碳素纤维能够在2000℃的高温环境中保持性质不变，结构形状也不会发生改变。并且碳纤维化学性质稳定，不容易被氧化，应用在航天设备的外部结构中，也不会被轻易的腐蚀，这种性质也是传统复合材料中不具备的。这样能够保护飞机安全，使用解读阶段外层结构不会变形，制造成本方面也有明显的降低。
二、碳纤维的发展
大型飞行设备的自重问题一直是航空航天领域研究的重点内容，减轻飞机的自重能够更准确的控制制造成本，飞机飞行的速度也会有明显提升。因此在大型飞机制造领域中最先提出了碳纤维复合材料的理念。但此类材料技术最早研发的领域并不是航空航天，随着技术逐渐进步完善才被应用到高科技生产环节中。
制作碳纤维混合材料时，要考虑材料使用后复合的部分。最常见的是将碳纤维与树脂材料进行符合，这样成本的化学性质更稳定，并且在优点上能够互相结合，在航天飞行设备中应用广泛。碳纤维只是应用在飞机制造的部分结构中，完整的制造流程还需要金属复合材料的应用，如果的碳纤维复合材料已经能够实现与金属材料完美衔接，不对使用阶段造成影响。
三、碳纤维复合材料在航空领域的具体应用
作为一种新型的复合材料，碳纤维强度高自重小，在航空领域中以不同种形式被应用。大型客机与直升机应用最广泛，根据调查结果显示，目前应用在民用飞机中的碳纤维复合材料已经得到了80%。即使是在军事领域中也高达40%。这一数据结果表示新型材料已经得到了很好的落实，下面将针对材料应用过程中存在的不同形式进行分析。
1、碳纤维复合材料
首先是纤维复合型。自重非常小，火箭制造方面常常会使用到，能够满足高速运行状态下对材料耐高温的需求。用碳纤维复合材料制作的火箭，可以将推动力转化为运用动力，并且不会产生过大噪音。与同体积的复合材料相比较，能够减少大量的动能损耗。在飞机制造过程中应用这一技术，材料密度最大能够提升23%，对飞行速度的促进作用也不容小视。速度得到了提升，但对油品的消耗量并没有因此而增大，甚至还有明显的减少。在飞机的最外层结构中应用广泛，军用飞行设备要求体积小，飞行速度快，并且外层材料要牢固耐用。针对这一需求，碳纤维复合材料在高温成型技术帮助下完成了目标，设计制造的设备应用成本更少，整体体积也有明显的减少，能够在短时间内提升速度，外形材料在高温状态下不会受到影响。
2、碳/碳复合材料
碳/碳复合材料中加入了纤维物质，属于碳纤维材料的增强版，继承了石墨材料的优点，化学性质更稳定，使用过程中也不会受到其他物质的污染，根据不同使用方向，可以在原料中添加一些化学成分。将其制作成需要的部件形式，通常也是在热处理条件下来实现的，具有极强的可控性，一次成型后坚固耐用。机翼部分在使用中需要承受大量摩擦，一旦材料耐高温性能差便会发生形变，飞机不能正常行驶在空中，引发严重的安全事故。因此在制造过程中都会对材料高温环境中的变化进行观察，选定自重合理的材料。经过多次测试实验，发现碳/碳复合材料能够符合这一要求，并且制造成本也不会有明显的增多。
四、我国碳纤维复合材料发展现状
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。
现阶段我国的国际竞争力在不断地增强，但是现实中存在的问题是，我国的碳纤维复合材料的发展并不能满足现实生活中的需求，作为航天航空领域的重要支柱，碳纤维复合材料的生产和研究直接关系到我国高新技术产业尤其是航天航空产业能否占领世界的科技技术前沿，因此国家的大力扶持起着相当重要的作用，不仅仅是要在资金上给予帮助，更要创造良好的环境来促进发展。在政策上给予支持，在资金上给予帮助，培育一批具有超强竞争力的企业，只有这样我国的碳纤维复合材料才能在国际上占有重要地位，才能在日后的国际竞争中处于优势。这对于我国航天航空事业的发展有着重要的作用。
小结：在全球化经济不断加速的今天，国与国之间的联系Et益紧密，相互之间的技术交流和技术竞争也在不断加强。我国在碳纤维复合材料上的发展确定了举世瞩目的成就，但是在发展中也存在着一些问题，产品质量处于低层次，生产成本过高，能耗较大，环境污染大等，因此在Et后的发展中一定要高瞻远瞩，制定好长期的发展规划，才能更好促进产业的更新研究。
复合材料与航空航天 篇4
1.复合材料的定义与分类方法
1.1复合材料的定义
复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、石墨、橡胶、陶瓷、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、石棉纤维、碳化硅纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一,复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料,它既能保留原有组分材料的主要特色,又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同,从而获得原组分材料无法比拟的优越性能,与一般材料的简单混合有本质的区别[1]。
复合材料的广义定义：复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型材料。一般由基体组元与增强体或功能组元所组成。复合材料（CompositeMaterials)。
复合材料的狭义定义：（通常研究的内容）用纤维增强树脂、金属、无机非金属材料所得的多相固体材料。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。1.2复合材料的分类方法
1.按增强体的几何形态分类
(1)连续纤维增强复合材料:包括单向纤维(一维)、无纬布叠层、二维织物层合、多向编织复合材料和混杂复合材料。
(2)短纤维复合材料:晶须、短切纤维无规则地分散在基体材料中制成的复合材料。
(3)薄片增强复合材料:增强体是长与宽尺寸相近的薄片，以平面二维为增强材料与基体复合而成的复合材料。
2.按增强纤维种类分类
(1)玻璃纤维复合材料;
(2)碳纤维复合材料;
(3)有机纤维(芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维等)复合材料;
(4)金属纤维(如钨纤维、不锈钢丝等)复合材料;
(5)陶瓷纤维(如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等)复合材料。
3.按基体材料分类
(1)聚合物基复合材料:以有机聚合物(主要为热固性树脂、热塑性树脂及橡胶)为基体制成的复合材料。
(2)金属基复合材料:以金属为基体制成的复合材料。如铝基复合材料、钦基复合材料、和铜基复合材料等。
(3)无机非金属基复合材料:以陶瓷材料(包括玻璃、水泥和碳）为基体制成的复合材料。
4.按材料使用功能分类
(1)结构复合材料:主要是作为支撑力结构使用的复合材料，它基本上是由能承受载荷的增强体组元与能连接增强体成为整体承载，同时又起分配与传递载荷作用的基体组元构成。
(2)功能复合材料:具有某种特殊的物理或化学特性，如声、光、电、热、磁、耐腐蚀、零膨胀、阻尼、摩擦或换能等。
此外，还有同质复合材料和异质复合材料。增强材料和基体材料属于同种物质的复合材料为同质复合材料，如碳/碳复合材料。异质复合材料如前面和以后提及的复合材料多属此类。
2.复合材料在航空领域的重要作用与意义
先进复合材料的应用已经成为评价航空航天器水平的重要标准，同时也是提高航空航天器结构先进性的重要物质基础和先导技术。[4]山于我国先进复合材料的应用水平和国外发达国家还存在一定的差距，但是我国已经进行大量投入来强化先进复合材料方面的研究，其发展前景良好。先进复合材料的优点主要表现在以下四个方面: 1智能化
智能型先进复合材料和结构的研究，能够创造巨大的经济效益和社会效益，智能型先进复合材料在航空航天器外表的应用:在未来航空器表面增加各种传感器，能够对周围环境进行实时、全面、智能的检测，同时为通讯系统、电子战以及雷达系统提供瞬时模态，以此保证航空器能够安全、稳定地飞行。
2多功能化
在减小航空航天器体积的基础上，为了提高航空航天器的突防能力，许多结构部件需要具备多种功能，多功能先进复合材料的应用能够赋予航空航天器新的功能，现阶段，多功能先进复合材料的研究已经从双功能型向三功能型方向转变。
3质量轻、性能高
目前，我国先进复合材料能够减轻航空航天器的质量占总重的20%左右，和国外25%以上的减重效率还存在一定的差距。导致该种现状的原因是我国先进复合材料的整体性能较低，并且结构的整体性相对较差。因此，在未来的发展过程中，应该加强对复合材料强度、韧性以及整体性等方面的研究，研发整体性好、强度高和韧性高的先进复合材料，同时使复合材料的减重率超过25%0 4低成本
成本较高是限制先进复合材料在航空航天领域应用和发展的主要原因之一，为了解决该问题，应该对先进复合材料的制造工艺进行研究，采用科学的制造工艺进行先进复合材料结构、尺寸以及形状的加工和制造，同时采用先进的质量控制技术、自动化技术、机械化技术等，提高先进复合材料的生产效率，提高其成品率，以此降低先进复合材料的成本。[2] 自从先进复合材料投入应用以来，有三件值得一提的成果。第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机——里尔芳2100号，并试飞成功，这架飞机仅重567kg，它以结构小巧重量轻而称奇于世。第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长18.2m、宽4.6m的主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器，用硼/铝复合材料制造主机身隔框和翼梁，用碳/碳复合材料制造发动机的喷管和喉衬，发动机组的传力架全用硼纤维增强钛合金复合材料制成，被覆在整个机身上的防热瓦片是耐高温的陶瓷基复合材料。第三件是在波音-767大型客机上使用了先进复合材料作为主承力结构，这架可载80人的客运飞机使用碳纤维、有机纤维、玻璃纤维增强树脂以及各种混杂纤维的复合材料制造了机翼前缘、压力容器、引擎罩等构件，不仅使飞机结构重量减轻，还提高了飞机的各种飞行性能。
新型航空航天器的先进性标志之一是结构的先进性,而先进复合材料是实现结构先进性的重要物质基础和先导技术。我国将成为世界上先进复合材料的最大用户,却面临着国外的技术封锁及我国技术贮备的严重不足。因此,实现我国先进复合材料研发和应用的可持续发展,必须坚持自主创新,解决原材料问题,设计应用中的理论问题,低成本技术问题,政策支持问题。
参考文献
[1] 师昌绪.材料大词典[M].北京:化学工业出版社, 1994: 2 8.[2] 先进复合材料在航空航天领域的应用，中国高新技术企业，2016年第13期 [3] 先进复合材料与航空航天，复合材料学报，2007年2月第1期
碳纤维复合材料 篇5
摘要:主要介绍了碳纤维复合材料的基本概述，并对它的一些结构性能、应用（主要在航空领域的应用）、发展，并分析了目前我国碳纤维复合材料的研究进展和应用前景。
关键字：碳纤维复合材料、碳纤维树脂基复合材料、碳／碳复合材料、结构性能、发展、航空领域。
1、引言
碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的“比强度”。碳纤维属于聚合物碳，是有机纤维经固相反应转变为纤维状的无机碳化合物。碳纤维是一种新型非金属材料，它和它的复合材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热、比重小和热胀胀系数小等优异性能，碳纤维单独使用时主要是利用其耐热性、耐蚀性、导电性和其它性质。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP（即碳纤维复合材料）的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。目前，碳纤维不仅广泛应用军事工业，而且在汽车构件、风力发电叶片、核电、油田钻探、体育用品、碳纤维复合芯电缆以及建筑补强材料领域也存在巨大应用空间，而其在航空领域的光辉业绩尤为引人注目。
2、碳纤维的发展
碳纤维的出现是材料史上的一次革命。碳纤维是目前世界首选的高性能材料，具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电、质轻、易加工等多种优异性能，正逐步征服和取代传统材料。现已广泛应用于航天、航空和军事领域。世界各国均把发展高性能碳纤维产业放在极其重要的位置。碳纤维除了在军事领域上的重要应用外，在民品的发展上有着更加广阔的空间，并已经开始深入到国计民生的各个领域。在机械电子、建筑材料、文体、化工、医疗等各个领域碳纤维有着无可比拟的应用优势。
碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。经过二十多年的发展，碳纤维及其复合材料已从初创期转入增长发展期，其工业地位已基本确立，美、日、英、法、德等国的碳纤维产量已经占世界产量的绝大部分，并已逐步形成垄断优势。
我国对碳纤维的研究由于起步较晚，技术力量薄弱，虽然碳纤维及其复合材料在我国已被纳入国家“863”和“973”计划，但总体情况不尽理想，我国仍不具备成熟的碳纤维工业化生产技术，国防和民用碳纤维产品基本依赖进口。
3、碳纤维复合材料的性能及主要用途
由于碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度，且碳纤维比重小。（1）碳纤维的化学性能
碳纤维是一种纤维状的碳素材料。我们知道碳素材料是化学性能稳定性极好的物质之一。这是历史上最早就被人类认识的碳素材料的特征之一。除强氧化性酸等特殊物质外，在常温常压附近，几乎为化学惰性。可以认为在普通的工作温度≤250℃环境下使用，很难观察到碳纤维发生化学变化。根据有关资料介绍，从碳素材料的化学性质分析，在≤250℃环境下，碳素材料既没有明显的氧化发生，也没有生成碳化物和层间化合物生成。由于碳素材料具有气孔结构，因此气孔率高达25％左右，在加热过程易产生吸附气体脱气情况，这样的过程更有利于我们稳定电气性能和在电热领域的应用。（2）碳纤维的物理性能（a）热学性质
碳素材料因石墨晶体的高度各向异性，而不同于一般固体物质与温度的依存性，从工业的应用角度来看，碳素材料比热大体上是恒定的。几乎不随石墨化度和碳素材料的种类而变化（b）导热性质
碳素材料热传导机理并不依赖于电子，而是依靠晶格振动导热，因此，不符合金属所遵循的维德曼—夫兰兹定律。根据有关资料介绍，普通的碳素材料导热系数极高，平行于晶粒方向的导热系数可与黄铜媲美(c)电学性质
碳素材料电学性质主要与石墨晶体的电子行为和不同的处理温度有关，石墨的电子能带结构和载流子的种类及其扩散机理决定了上述性质。碳素材料这类电学性质具有本征半导体所具备的特征，电阻率变化主要与载流子的数量变化有关。
碳纤维的主要用途：
与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。最神奇的应用是采用长碳纤维制成的“纳米绳”可以将“太空电梯”由理想变为现实，太空电梯将可以将乘客和各种货物运送到空间轨道站上，也可以用这种“纳米绳”将太空中发射平台与地面固定在一起，在这样的发射平台上发射人造卫星和太空探测器就可以大大降低发射成本。
总结碳纤维复合材料的现实应用有以下几个方面
（一）航天领域
碳纤维复合材料因其独特、卓越的性能，在航空领越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％~40％，在大型客机上占15％~50％。（a）碳纤维树脂基复合材料 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。AV—8B 改型“鹞”式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，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。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%。未来以F-22 为目标的背景机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。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。
直升飞机上碳纤维增强树脂基复合材料的用量更是与日俱增。武装了驻港部队并参加了2007 年上海合作组织在俄罗斯反恐军演的直-9 型直升飞机，是我国先进的直升飞机。该机复合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生产的OH-1 “忍者”直升飞机，机身的40％是用CFRP，桨叶等也用CFRP 制造。在民用领域，世界最大的飞机A380 由于CFRP 的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。这种飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP)。由于CFRP 的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损，从而大大减少了油耗和排放。燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%~20%，成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。(b)碳／碳复合材料
碳／碳复合材料是以碳纤维及其制品（碳毡或碳布）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。
（二）、其他领域 1)、高尔夫球棒
用CFRP制成的高尔夫球棒、可减轻重量约10一40％。根据动量守恒定律，可使球获得较大的初速度。另一方面．CFRP具有高的阻尼特性，可使击球时间延长,球被击得更远。2)、钓鱼竿
碳纤维增强复合材料制成的钓鱼竿比GFRP制品或竹竿都要轻得多，使其在撒竿时消耗能量少，而且撤竿距比后者远20%左右。CFRP所制的钓鱼竿长而好，刚性大，钓鱼竿在弯曲之后能迅速复原，使其传递诱饵的感觉较为灵敏。现在已有商品销售，用碳纤维增强塑料还可以制成渔具的卷铀，其重量不超过l40克，但它的疲劳强度高，耐摩擦，因而使用寿命长。3)、赛车
用石墨纤维长丝制成的管材可用来制造比赛车或通用自行车的车架,其特点是重量轻，比钢制架可减重50%左右，使自行车的总重量减轻15%。
碳纤维与玻璃纤维混合增强复合材料可用来制造越野赛汽车，它的特点是重量轻。用金属材料制造的同样车体的总重量为226.8公斤，用CFRP制造时为63.5公斤，用CF／GPRP制造时重量可减轻到31.8至36.5公斤。
在赛车领域，碳纤维复合材料最著名的运用无疑是F1车身。为了使重量保持最小，所有车队都广泛使用碳纤材料，而这些材料的强固性足以支撑车子的重量。
4.我国碳纤维复合材料发展现状
现代的碳纤维是以聚丙烯腈、人造丝或木质素为原丝，将有机纤维跟塑料树脂结合在一起高温分解并且碳化后得到的，还不能直接用碳或石墨来制取。
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。在以“高性能聚丙烯腈碳纤维制备的基础科学问题”为主题的第335次香山科学会议上，会议执行主席、国家自然科学基金委员会师绪院士指出，与国外技术相比，我国碳纤维领域还存在较大差距。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。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。
航空材料-钛合金 篇6
MASTER
一、钛的简介
1948年美国杜邦公司才用镁法成吨生产海绵钛——这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。而钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。
钛在地壳中含量较丰富，含量排第九位，远高于铜、锌、锡等常见金属。钛广泛存在于许多岩石中，特别是砂石和粘土中。
二、钛的特性
强度高：是铝合金的1.3倍，镁合金的1.6倍，不锈钢的3.5倍，金属材料中的冠军。
热强度高：使用温度比铝合金高几百度，可在450～500℃的温度下长期工作。抗蚀性好：耐酸、耐碱、耐大气腐蚀，对点蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。低温性能好：间隙元素极低的钛合金 TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。
化学活性大：高温时化学活性很高，轻易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层。
导热系数小、弹性模量小：导热系数约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％。钛合金的弹性模量约为钢的1/2。
三、钛合金的分类及用途
钛合金按用途可分为：耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼，钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等。
尽管钛及其合金应用的历史不长，但由于它那超众的性能，已经获得了多个光荣称号。首先荣获的称号就是“空间金属”。它重量轻、强度大又耐高温，特别适于制造飞机和各种航天器。目前世界上生产的钛及钛合金，大约有四分之三都用于航空航天工业。许多原来用铝合金的部件，都改用了钛合金。
四、钛合金的航空应用
钛合金主要用于飞机及发动机的制造材料，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机 也都使用钛合金板材焊接件。合金系和类型 工业纯钛 代号 TA1、TA2、TA3 TA6 TC4、TC10 TC5
产品种类 板、带、管、棒、线、铸件 板、棒、管、铸件 板、棒、管 厚板、棒、锻件
主要用途
飞机骨架、蒙皮、发动机部件 飞机蒙皮、骨架零件、压气 机壳体、叶片等
飞机结构零件、起落支架等 支架结构、气动导管等 钛铝合金 钛铝钒合金 钛钒铬合金
1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上占机重28%。随着加工工艺技术的发展，在火箭、人造卫星和宇宙飞船上，也用了大量的钛合金。
飞机越先进，使用的钛越多。美国F—14A战斗机使用的钛合金，约占机重的25%；F—15A战斗机为25.8%； 美国第四代战斗机用钛量为41%，其F119 发动机用钛量为39%，是目前用钛量最高的飞机。
钛合金材料飞机起落架零件
五、钛合金在航空中被大量应用的原因
现代飞机的航行最高时速已达到音速的2.7倍以上。这么快的超音速飞行，会使飞机与空气摩擦而产生大量的热。当飞行速度达到音速的2.2倍时，铝合金就经受不住了。必须采用耐高温的钛合金。
当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10，压气机出口温度相应地从200～300℃增加到500～600℃时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金。
近年来科学家们对钛合金性能的研究工作，不断取得新的进展。原来由钛、铝、钒组成的钛合金，最高工作温度为550℃～600℃，而新研制的钛化铝（TiAl）合金，最高工作温度已提高到1040℃。
碳纤维航空航天材料 篇7
ACM的发展方向可以用“7化”来概括,即碳纤维低成本规模化;玻璃纤维高性化;高性能纤维杂混改性化;ACM应用领域扩展化;高性能树脂杂混改性化;结构设计实用化和制造装备现代化。
碳纤维在各工业领域的应用量及其份额是工业技术水平和先进技术民用化的标志之一,美国、日本、中国和世界整体碳纤维应用份额见表1。
未来5年中国碳纤维在各应用领域的用量、份额及其增长率变化见表2、表3[1]。
ACM的典型代表是环氧树脂基碳纤维复合材料,经过多年使用验证,环氧树脂基体以其综合性能优异、工艺性良好、价格低等诸多优点,在马赫数1.5以下飞机上的用量远远大于双马来酰胺树脂基体(BMI),以A400M、波音787飞机为例,复合材料分别占飞机结构重量的36%和50%,其中,复合材料结构居主导地位的一直是刚性双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂。如美国“三叉戟-1”、“三叉戟-2”导弹以及“飞马座”火箭采用的HBRF-55A配方就以E-PON826为主。多年来各国都在通过加入柔性单元改进环氧树脂的韧性,通过加入新型刚性链单元结构或使用芴型芳香胺固化剂来提高耐热性,并分别取得了预期的效果[2,3,4]。
单位:t,%
1 航空航天先进复合材料国外现状
先进复合材料的研究应用主要集中于国防工业。高性能树脂基复合材料,主要是碳纤维和芳纶纤维增强环氧树脂,多官能团环氧树脂和BMI。复合材料性能稳定,已大量投入应用,相当于T300/聚酰亚胺PMR-15性能的复合材料已研制成功,一批高性能的热塑性树脂基复合材料,如PEEK、PECK、PPS等正在从实验室走向实用。据介绍,先进复合材料构件正在由次承力件向主承力件过渡。在成型工艺方面,先进复合材料借助玻璃钢成型技术逐步实现由手糊到机械化自动化的转变。但总的水平与国外先进技术还有一定距离。
高性能聚合物基复合材料在航空航天工业的用量占其全部用量的80%。国内外先进复合材料在航空航天领域的应用情况见表4。
鉴于4,4’-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺(TGDDM)的性价比,该材料可能是最实用的高性能环氧树脂。TGDDM具有优良的耐热性,长时高温性能和机械强度保持率,固化收缩低,化学和辐射稳定性好,还可用于高性能结构胶粘剂,结构层压板和耐高能辐射材料。
1.1 A400M运输机[5]
1986年设计的C-17是上世纪先进大型军用运输机的典型代表,限于当时的水平,复合材料主要用于次要结构,如雷达罩、整流罩、操纵面、口盖、翼梢小翼蒙皮等。复合材料重约7258k,占该机结构重量8.1%。树脂基复合材料从非承力结构发展到次承力构件。在复合材料中碳纤维增强复合材料约占结构重量6%,玻璃纤维塑料、Kevlar纤维增强材料占2%。
欧洲EADS正在研究的A400M属于新一代大型军用运输机,在材料应用技术上有了一个新的飞跃,主要表现为先进复合材料占结构重量的35%~40%。与C-17不同的是,在A400M上,碳纤维复合材料用于一些主承力结构,而C-17的复合材料结构重量比仅为8%,且主要用于操纵面及次要结构。A400M的机身仍由传统的铝合金制成,但却开创了采用碳纤维复合材料制造大型运输机机翼的先河,机翼长达19m,令业界颇为瞩目。
在A400M运输机上,特别值得提出的是复合材料机翼,碳纤维复合材料占机翼结构重量比例高达85%,开创了使用复合材料为主要材料制造大型运输机机翼的先例。采用碳纤维制造的机翼,重量是同等强度铝合金机翼的75%至80%,并且不会产生金属疲劳,先进复合材料的广泛应用对于减轻结构重量相当有利。在A400M的复合材料设计和制造中,广泛采用了计算机辅助设计软件,如土耳其航空航天工业公司就使用美国维斯特吉公司的Fiber SlM软件来进行设计。土耳其航空航天工业公司作为空客A400M项目的签约合作方,在CATIAV 5CAD模拟环境中利用该软件为A400M运输机设计了副翼及扰流片等气动控制面。
A400M的机翼除前缘、前后缘支承结构及铰链采用铝合金外,其气动舵面、机翼蒙皮、桁条以及中央翼盒与外翼盒接头的某些部件也均为复合材料。但为了确保强度安全,A400M机翼与机身的接头采用钛合金制造并用螺栓以双钩环固定,以保证在断裂时有双余度保险。该机翼蒙皮与加强筋组成一体固定在碳纤维复合材料翼梁上,翼肋仍采用铝合金制造。因其主要受压应力,此时用复合材料与用铝合金并无大的不同。除机翼外,A400M的尾部货舱门、起落架舱门、整流罩以及螺旋桨也采用高强度复合材料来制造。目前,空客公司正在进行一项更为“大胆”的重要计划—研制全碳纤维复合材料机翼,并已制造出6.2m的翼盒验证件。A400M的T型尾翼设计为加强结构,并大量采用复合材料,碳纤维复合材料占结构重量比例高达97%~98%。垂尾主要由1个三粱主盒段、1个可拆卸的前缘、后缘隔板和一块方向舵组成,垂直尾翼的根部与后机身上一个机械加工的平直翼面连接。除了垂尾前缘和铰链,所有这些结构部件主要由复合材料制造。垂尾前缘是金属/复合材料的复合型部件,可改善抗冲击和防腐蚀性能,在垂尾翼尖装有预警保障措施短舱。方向舵是带铝合金铰链连接肋的碳纤维加强型结构,由两台液压伺服作动筒和一台电动马达驱动。A400M的垂尾面积较大,有着非常不错的航向稳定性。水平尾翼为铝合金中央结构翼盒和两个复合材料的外侧盒段结构,中央盒段为水平尾翼与垂直安定面的连接提供安装固定结构。水平尾翼两侧各有一块升降舵,其主结构也采用了碳纤维复合材料。
A400M运输机所用环氧基体碳纤维复合材其主要用于翼梁、纵梁、机翼箱型梁、升降舵蒙皮、气动舵面、机翼蒙皮、桁条以及中央翼盒与外翼盒接头的某些部件。
1.2 美国第四代战斗机F-22[6]
为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的要求,进入90年代后,西方的战斗机无一例外的大量采用复合材料结构,用量一般都在25%以上,有的甚至达到35%,结构减重效率达30%。应用部位几乎遍布飞机的机体,包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。如美国第4代战斗机F-22复合材料用量已达到24%,而EF2000更高达43%,EF2000除鸭翼外,机身、机翼、腹鳍、方向舵都采用复合材料,结构“湿润”表面的70%为复合材料。阵风也是如此,70%的“湿润”表面为复合材料,约947kg之重。F-35的复合材料几乎覆盖了整个飞机外表面。
1.3 无人战斗机
国外目前研制的无人机以复合材料和传统铝合金的混合结构为主。如“捕食者”“全球鹰”等均是如此。其中“全球鹰”的机翼和尾翼由石墨/环氧复合材料制造,而机身仍采用传统铝合金,复合材料占结构重量的65%。
无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。为满足采购政策、隐身性能、机动性、生存力对材料的特殊需求,为尽可能地降低结构重量、提高燃油装载量,无人战斗机结构的一个显著特点就是大量应用复合材料。以波音公司的X-45A为例,除机身的龙骨、梁和隔框采用高速切削铝合金外,其余的机体结构都是由复合材料制成。诺斯罗普·格鲁门公司的X-47A的机体除一些接头采用铝合金外,整个机体几乎全部采用了复合材料。
1.4 直升机
直升机采用复合材料不仅可减重,且对于改善直升机抗坠毁性能意义重大,因而复合材料在直升机结构中应用更广、用量更大,不仅机身结构,而且由桨叶和桨毂组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升机均大量采用了复合材料,如顷转旋翼飞机V-22用复合材料近3000kg,占结构总重的45%左右,法德合作研制的“虎”式武装直升机,复合材料用量更高达77%。
1.5 航天飞机
以NASA开发的第2代可重复使用航天飞机为例,油箱内衬为复合材料。在推进系统中将采用陶瓷基复合材料发射斜轨、金属基复合材料机匣以及树脂基复合材料涵道。此外还将采用复合材料电子设备舱。第3代可重复使用航天飞机将为一智能结构,具有自适应热防护系统及智能化无损检测装置,自愈合的飞机结构及表面。发动机材料将可能使用经冷却的复合材料、金属基复合材料加力燃烧室壳体、超高温复合材料。结构材料将包括超高温树脂基复合材料、低成本耐腐蚀热防护系统复合材料液氧油箱。
美国高超声速飞行器X-43是由超燃冲压发动机作动力装置的验证机。其油箱/机身由石墨/环氧框架及蒙皮组成。蒙皮外再覆以热防护系统。飞机上翼面热防护层为可剪裁的先进绝缘毡,下翼面为内多层屏蔽绝缘物。后者是正处于开发中的防热材料,由C/SiC外面板,中介陶瓷屏以及先进聚酰亚胺泡沫内衬。中介陶瓷屏覆以贵金属以降低其热辐射。机翼及垂尾由钛基复合材料制成,并有1个由二硼化锆制成的前缘。
1.6 巡航导弹和固体火箭发动机[7,8,9]
在火箭和导弹上使用碳复合材料减重效果十分显著。因此,采用碳纤维复合材料将大大减轻火箭和导弹的惰性重量,既减轻发射重量又可节省发射费用或携带更重的弹头或增加有效射程和落点精度。
利用纤维缠绕工艺制造的环氧基固体发动机罩耐腐蚀、耐高温、耐辐射、且密度小、刚性好、强度高、尺寸稳定。再如导弹弹头采用了环氧基及环氧酚醛基纤维增强材料。
在树脂基复合材料中,环氧树脂(EP)是巡航导弹弹体结构所用复合材料中最主要的基体材料,在所有树脂基复合材料结构中所占的比例高达90%。但随着飞行速度的提高,超声速巡航导弹研究的日益深入,目前树脂基复合材料的研究重点已由环氧树脂向BMI、聚酰亚胺(PI)树脂、氰酸酯树脂转移。Bryte公司最近开发了一系列氰酸酯树脂基体,玻璃化转变温度达335℃,短时工作温度达300℃,可以代替BMI和聚酰亚胺,氰酸酯树脂已成为未来结构/功能一体化的有力候选材料,可以作为超声速巡航导弹复合材料舵面和弹体通常选用的树脂。
耐高温树脂基复合材料是超声速巡航导弹弹体结构的主选材料,以BMI、PI树脂为主。目前国内的PI树脂存在着性能不稳定、工艺操作性差等诸多问题,难以成型大尺寸、复杂型面的复合材料结构,不宜作为超声速巡航导弹主体结构树脂。从美国雷锡恩导弹系统公司的经验来看,在近10年期间将把高温树脂基复合材料基体的研究集中于BMI,取代以往研究的PI,充分利用BMI的可加工性、低成本、易操作性。BMI树脂的耐温性能能达到300℃左右,完全可以满足低马赫数(≤2Ma)超声速巡航导弹弹体结构的需求。
耐高温有机树脂基透波复合材料体系中,美国研制开发的PI树脂和聚苯并咪唑(PBI)树脂及俄罗斯研制的改性酚醛树脂都具有良好的透波性能和工艺性能,已在宽频天线罩(HARM、ALARM、KP-1)上获得应用,使用温度达到600℃。
1.7 卫星和宇宙飞船[10,11]
宇航工业中除烧蚀复合材料外,高性能复合材料应用也很广泛。如三叉戟导弹仪器舱锥体采用C/EP后减重25%~30%,省工50%左右。还用作仪器支架及三叉戟导弹上的陀螺支架、弹射筒支承环,弹射滚柱支架、惯性装置内支架和电池支架等55个辅助结构件。由于减重,使射程增加342km。德尔塔火箭的保护罩和级间段亦由C/EP制造。美国卫星和飞行器上的天线、天线支架、太阳能电池框架和微波滤波器等均采用C/EP定型生产。国际通讯卫星V上采用C/EP制作天线支撑结构和大型空间结构。宇航器“空中旅行者”的高增益天线次反射器和蜂窝夹层结构的内外蒙皮采用了K-49/EP。航天飞机用Nomex蜂窝C/EP复合材料制成大舱门,C/EP尾舱结构壁板等。人造卫星使用碳复合材料制造卫星整流罩、展开式太阳能电池板,而宇宙飞船使用碳复合材料制造防热材料、太阳能电池阵基板和航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。
1.8 航空发动机
航空发动机使用碳纤维增强树脂基复合材料取代金属材料可以有效减轻发动机重量,降低燃料消耗,增加航程。有资料报道,发动机减轻1磅(0.454kg)重量,飞机则可减轻10~20磅重量。从70年代初,复合材料就成为TF39、F103特别是GE36UDF发动机研制计划的一部分,在这些发动机上积累了经验之后,在GE90的风扇叶片上成功使用了高性能韧化环氧复合材料。此外,在F119风扇机匣、遄达发动机的风扇机匣包容环及反推力装置上也广泛采用了树脂基复合材料。近期开发的波音787的动力装置GEnx的风扇机匣及风扇叶片,将由碳纤维/环氧树脂基复合材料制成。除减重外,复合材料还表现出良好的韧性及耐蚀性。至于陶瓷基复合材料等超高温复合材料,目前已在M88、F119等发动机尾喷管等静止件上获得应用。
随着飞行器向高空、高速、无人化、智能化、低成本化方向发展,复合材料的地位会越来越重要。国外预计,在下一代飞机上,复合材料将扮演主角,目前采用全复合材料飞行器的计划正处于酝酿之中。
1.9 民用大飞机
民用航空材料方面由于采用环氧基碳纤维增强材料,带来非常明显的性价比,欧洲空中客车公司提出更多地用轻质高强材料使机身减重30%,整个飞行成本可降低40%。空客的储备技术还说明,机身达到减重15%,成本可下降15%的目标。空客在使用复合材料方面一直走在业界前头,A380飞机约25%由复合材料制造,其中22%为环氧基体碳纤维复合材料,工程塑料基碳纤维增强塑料比重>1%。A380在后压力舱后部的后机身首次采用了复合材料和先进金属材料,使用这些复合材料减轻了机身重量,大大减少了油耗和排放,并降低了运营成本。再如波音B777飞机上采用碳纤维增强工程塑料量达9.9t,占结构总质量的11%。而波音B787飞机上采用环氧树脂基、双马来酰亚胺基体碳纤维复合材料和热塑性工程塑料,其用量达机重的50%。环氧树脂基、双马来酰亚胺基碳纤维复合材料主要用来制造机翼、机身、地楞横梁等部位的结构材料,内部装饰上也大面积使用了热塑性工程塑料。
2 中国航空航天的先进复合材料
2.1 先进复合材料的基体树脂
我国高性能复合材料应用于航空业已有20多年历史,目前军用歼击机用量达25%,直升机最高用量可达50%,民用客机也达到10%~20%,主要用于起落架舱门、内外侧副翼、方向舵、升降舵、扰流板等。
国内许多学者从事TGDDM环氧体系的研究与开发工作,并取得了较大成绩。特别值得指出的是,我国科技工作者经多年研究,开发了商品名为TDE-85的三官能团环氧树脂,其化学名为4,5-环氧己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯,其分子中含有2个反应活性高的缩水甘油酯基和一个反应活性与前者差别很大的脂环环氧基。该树脂是一种工艺性、耐热性均很优异的高性能环氧树脂。西北工业大学、哈尔滨玻璃钢研究所等单位用TDE-85环氧树脂为基体材料制作的复合材料,应用在某些有特殊需要的产品上已获得令人满意的结果。
2.2 韧性环氧树脂基体及其预浸料[12]
THC-400,THC-800系列,TH-30系列,THH系列,THF等是陕西太航阻火聚合物有限公司开发的专用于复合材料的耐烧蚀耐高温洁净阻燃韧性环氧树脂基体的特种树脂溶液,有一系列不同的分子量和独特的分子量分布。黏度低,易于浸润碳纤维,有特别优异的粘接性。同时对芳伦纤维,高硅氧纤维等玻璃纤维同样有优良的粘接性能,其复合材料耐温可达350℃左右,甚至更高。同时不燃,无烟,有优异的烧蚀性能和透波性能。碳纤维复合材料火箭发动机壳体用耐烧蚀耐高温洁净阻燃韧性环氧树脂基体及其预浸料可存放3~6个月。预浸料适用于模压、层压、热压罐多种工艺,也可缠绕,已成功用于航天产品的碳/碳材料的制造,火箭发动机的喷管、扩散段、天线罩、飞机部件的制造。汽车工业的新型碳纤维离合器,其使用寿命可达30万次,比发达国家高一倍,其模压复合材料力学性能见表5。所制造的碳纤维刹车片各种指标达到或超过德国标准。其玻璃纤维模压复合材料在不同频率下的介电性能和不同温度的机械性能见表6。
近年来,针对环氧树脂基体韧性不足、耐湿热性较差的问题,国内相关单位开展了多方面的改性研究,使复合材料冲击后的压缩强度达到了250MPa以上,复合材料饱和吸湿后120℃下的综合性能的保持率均与国外同类树脂体系相当。其多墙式复合材料层压板共固化、共胶接结构,全高度蜂窝夹层结构已在马赫数1.5以下的飞机上得到了工程化应用,并且有的复合材料结构经过了近20年的使用考核,质量情况仍然良好。
疲劳试验的结果表明,在给定的设计载荷下,复合材料结构件30年的飞行寿命是可靠的。使用经验表明,这类复合材料是一种性能优异的材料,它已逐渐开始走向成熟。环氧树脂体系对碳纤维品种适应性研究在国内也取得了成果,特别是国产碳纤维增强的环氧树脂基复合材料已通过了一系列性能考核。以NY9200环氧树脂体系为例,与纤维界面有关的复合材料0°压缩和面内剪切性能与国外同类纤维增强的环氧树脂基复合材料相当,界面破坏形貌基本相似,并开始进入飞机结构上的应用。
2.3 新型低黏度的二官能环氧基化合物[13]
在“九五”国家科技攻关项目“碳纤维复合材料火箭发动机壳体用高性能树脂基体的研究”项目支持下,针对“KN-1”型固体航天器和武器型号发展急需,针对碳纤维先进复合材料应用很广的芳香胺类固化的环氧树脂体系,设计合成了一种中间含有“柔性可旋转”链段的低黏度的二官能环氧基化合物,通过配方设计筛选,结合热、力学性能测试,开发了一种集韧性、耐热性及工艺都很好的环氧树脂基体。韧性环氧树脂基体配方在室温下黏度低,贮存适用期长,浇铸体热变形温度较高,断裂延伸率高达5.3%,其湿法缠绕成型的T-700碳复合材料具有界面粘接好,纤维强度转化率高达89.4%。<150mm压力容器水压爆破试验结果表明,该树脂基体工艺性能优良,压力容器特性系数pvw值高达40.1km。该种纤维复合材料发动机壳体(压力容器)主要性能指标达到了以美国国家宇航局NASA为代表的国际先进水平。可以用该改性树脂基体制造高性能碳复合材料发动机壳体。98-28A-01-17鉴定专家一致认为该改性树脂基体的研制成功,为我国航天航空用先进复合材料的发展起到了开拓性的作用[14]。
2.4 中国的第4代、第5飞机
中国第4代飞机J-14开始全比例模型风洞实验,见图1。中国第4代重型歼击机歼14“鹰隼”是一种全新的高性能、多用途、全天候的空中优势的战斗机。中国第5代飞机J-15、J-20和舰载战斗机正在研制,见图2和图3。
歼14“鹰隼”是单座双发、双V、总体布局形垂尾翼、菱形进气道的纵向一体化三翼面的气动布局。主要技术采用前掠式机翼,翼身融合的隐身设计,武器装载在机身的武器舱和推力矢量控制技术。机体的36%由碳纤维复合材料制成,钛64约占24%,钛62222占3%,钢占16%,铝合金占16%,热塑性复合材料大于1%,其他材料(包括涂漆、座藏盖、机头雷达整流罩、轮胎、刹车片、密封材料、黏合剂、气体、润滑油和冷却剂等)占15%。传统的钢和铝合金占的比重很小,而大量使用了钛合金和复合材料。
2.5 中国的巡航导弹和固体火箭发动机[6]
材料与工艺是导弹研制、生产的基础,对提高导弹武器的性能、降低其成本起着重要作用,当前的研究重点是高性能合金、复合材料、隐身材料及特殊结构和功能材料。其中,复合材料及其制造工艺特别重要。用高性能纤维及其编织物、采用增强基体,可以批量生产强度大、比重小的高级复合材料,而且应用部位已由次承力部件发展到主承力部件。战略导弹的固体发动机、仪器舱、弹头防热与突防结构、机动发射筒、各类战术导弹的防热结构等,都是典型的复合材料构件。
国内的巡航导弹结构复合材料发展水平与国外差距较大,但针对巡航导弹弹体结构特点近期发展了一系列树脂基复合材料新技术、新结构,牵引出以下3种树脂基结构复合材料新技术的发展:低成本整体成型复合材料、耐高温多结构特性复合材料、耐高温透波/结构复合材料。以上3种复合材料结构及技术具备显著的不同于航空结构的特点,集中了巡航导弹弹体结构的主要典型特征。
(1)低成本整体成型复合材料
在新一代亚声速巡航导弹的研究中,大胆采用了多种以整体成型为核心的先进复合材料成型技术,包括RTM共固化技术、RTM整体成型技术、整体模压技术等。巡航导弹复合材料舱段、复合材料整体弹翼、复合材料进气道油箱舱体一体化结构3种典型复合材料结构已成为主要发展方向。
(2)耐高温多结构特性复合材料
从该技术本身而言,国内无论是传统的热压罐、模压技术,还是新开展的RTM技术,相应的BMI树脂和成型工艺均很成熟,具备了工程应用的条件。在高马赫数飞行的巡航导弹弹体结构上,双马树脂基复合材料可以通过与外层热防护层相结合的方式组成耐高温多结构特性复合材料。其中的典型代表是双马-酚醛一体化复合材料,它在未来弹道-巡航组合式导弹结构上将发挥独特的作用。这种弹道-巡航组合式导弹的飞行状态包含了“再入”和“巡航”,打破了传统意义上战略和战术导弹的界限,要求弹体结构材料需要同时具备承载和耐热双重作用,双马-酚醛一体化复合材料中内层的双马复合材料作为结构部分,外层的酚醛复合材料作为烧蚀型热防护材料,整个结构一次RTM成型、共固化,避免了二者界面结合问题,是一种耐高温多结构特性复合材料,能充分实现结构耐热与承载的高效统一。是未来巡航导弹弹体结构的一个很有前景的研究方向。
(3)耐高温透波/结构复合材料
天线罩兼具透波和结构的双重功效,是重要的巡航导弹弹体结构部分。亚声速巡航导弹的天线罩已发展较为成熟,以环氧树脂为主。新的技术竞争点集中在以超声速巡航导弹为代表的高性能耐热、宽频透波天线罩。
中国的巡航导弹采用环氧树脂、双马-酚醛一体化[15]基体碳纤维复合材料制作巡航导弹的弹头、巡航导弹复合材料弹翼、舱段、进气道油箱舱体一体化结构、天线罩、头舱、前设备舱、后设备舱、尾舱等。
3 中国的民用大飞机C919
中国研发的碳纤维织物增强5224环氧树脂基复合材料结构已经在直升机上得到了大量的使用,单向碳纤维增强的NY9200环氧树脂基复合材料结构在近400架飞机上应用,另外,在飞机结构上开始采用的BA9916和5228环氧树脂基体系,这些应用所沉淀的工程经验均可以为国内大型飞机复合材料结构选材提供有益的参考和借鉴。
3.1 C919的进程和基本现状
C919和空客A320、波音737外形相似,与C919竞争的机型是占据中国航空市场半壁江山的波音737和空客A320,然而,如果要论承载旅客的数量和载重的真正之“大”,波音787飞机和空客A350才是与C919持续竞争的两款双通道飞机机型。
而由中航承担中国民用航空大飞机80t级的C919飞机零部件也在加紧生产中,将如期交付中国商飞集团。C919与空客A320、波音737最大的区别在机头,传统的机头是由正面两块以及侧面4块挡风玻璃组成,而C919少了侧面两块挡风玻璃,国产大飞机的机头更具流线型,能减少阻力,同时驾驶员在驾驶舱的视野也比传统的机头更加宽阔。从这一点就可看出,国产大客机将更强调省油和经济性。C919的确拥有很多优势。C919从机头、机翼到机尾、发动机,在设计上都费尽心思,尽量减小阻力,有效降低油耗。在使用材料上,C919将采用大量的先进复合材料,如铝锂合金、钛合金等,其中复合材料使用量将达到20%,再通过飞机内部结构的细节设计,把飞机重量往下压缩。
C919大型客机2014年首飞,2016年完成适航取证并投放市场。2010年底的珠海航展上,中国商飞与中国国际航空股份有限公司等签署了C919客机启动用户协议,总共获得了100架C919大型客机启动订单,标志着C919客机已被主流市场所接受。100架C919飞机使用的复合材料将超过1600t。
3.2 中国大飞机C919及其复合材料市场预测
我国军用飞机、支线飞机ARJ21以及大型商用客机项目的开展和我国航天事业的发展,CF复合材料的用量会不断增加。2010年总需求300t碳纤维,到2015年将需求碳纤维800t。航空航天碳纤维复合材料将达到1600t。配套环氧树脂或乙烯基树脂800t。我国的航空航天和民用大飞机复合材料占碳纤维复合材料总需求量的3.7%。未来5年发展趋势预测见图4。图4预测,只是与100架C919订单完成交付相符,并没有包括未来5年我国军用飞机和航天复合材的发展预测。
C919市场前景看好。中国未来还需要2000~3000架的单通道飞机。到2029年,全球共需要30230架干线和支线飞机,其中双通道飞机6916架,单通道飞机19921架,涡扇支线飞机3396架,总价值近3.4万亿美元。预计到2029年中国市场需要3750多架大型客机。20年内将售出超过2000架C919,复合材料需求量将超过3.2万t。
2008~2017年需要通用飞机近5000架,约占全球总需求量的12%,其中有21%是公务机,其余79%是通勤、作业、培训和运动等用途的飞机。复合材料需求量将超过8万t。
4 结语
我国现在开始抓飞机复合材料的预研,当然有利于缩小与世界先进水平的差距。但是从长远来看,要从根本上解决我国民机技术上的差距,还得从解决我国民机技术长期落后的3个原因做起,即要加大民机研制的频度、成立专门的民机研究所、建立科技转化生产力体制机制的航空工业最佳模式。
随着国际经济环境发生深刻变化,国内外企业都比以往更加注重中国内地市场的开发,更多的海外企业希望拓展中国市场。先进复合材料技术不断发展更新,其应用领域不断扩展,并在能源、电子、汽车、建筑、桥梁、环境和船舶等领域扮演着越发重要的角色,同样给建造者带来越来越多的好处。
碳纤维航空航天材料 篇8
【摘 要】碳纤维是一种具有良好力学性能的新材料，在当前的很多新型结构材料的制作中有着广泛的应用。碳纤维复合新材料具有强度大、耐热性良好、抗冲击性强、变形量小、节能环保、自重较轻以及良好的抗腐蚀性，是很多对强度等级要求较高的建设工程最常用到的建设材料。现本文就来探讨在桥梁的建设施工中，碳纤维复合材料的应用问题。文章首先分析了碳纤维复合材料的基本性能，继而指出了其在桥梁结构施工和桥梁加固施工中的应用，并就碳纤维复合材料的发展前景作出了展望。
【关键词】碳纤维；复合材料；桥梁施工；加固工程
随着我国桥梁道路工程建设的不断发展，桥梁工程施工技术也得到了很大的提高。同时在科技的推动下，建设施工的新型材料也在不断研发应用，这些都是我国桥梁道路施工水平提高的体现。其中碳纤维复合材料就是其中一个具有很大优越性的现代新型桥梁施工材料，在当前的桥梁道路施工中有着极为广泛的应用。尤其是近年来，社会的发展使得车辆对桥梁的通行能力提出更高的要求，并对桥梁的荷载能力、抗压能力、耐腐蚀能力等基本性能也提出了更高的要求。为了满足这一需求，新型施工工艺和施工材料的应用就显得非常有必要。本文中主要探讨了碳纤维复合材料这种新型材料的应用工艺和发展前景，指出了在新时代的发展下，利用碳纤维复合材料进行桥梁施工是未来桥梁建设施工中的一个主要发展方向。
1.碳纤维复合材料的基本性能
碳纤维复合材料是一种具有高强度和高弹性模量的新型复合材料，其基本构成是由基体材料与增强材料相互结合而形成的，与其具有同种特点的复合材料还有玻璃纤维复合材料和芳纶纤维复合材料。这三种复合材料都是通过物理组合而实现材料性能的提升，比普通的材料要具备更大的优越性。而其中碳纤维复合材料是其中物理力学性能最好的一种复合型材料，因为在很多建设施工中都有着广泛的应用。其主要的应用方法是以替代钢筋作为结构材料的形式，目前在桥梁的张拉施工以及加固施工中也都是较为常用的施工材料。那么碳纤维复合材料的优越性能有哪些呢？现笔者将其优越性总结为下述几点：
1.1碳纤维复合材料具有比钢材高出十几倍的抗拉强度和相当钢材1～2倍的强行模量。
1.2碳纤维复合材料减震性能好，其自振频率很高，可避免早期共振，同时内阻也很大，一旦激震起来，衰减也快。
1.3碳纤维复合材料具有良好的耐久性、耐油、耐酸、耐腐蚀性能好，与生物有很好的相容性。除了强氧化剂外，一般如浓盐酸、30%的硫酸、碱等对其均不起作用。
1.4碳纤维复合材料材料是柔软的，树脂是可以流动的，其产品的形状几乎不受限制，还可以任意着色，从而达到结构形状和材料美学的高度统一。
1.5碳纤维复合材料材料施工便捷，在结构加固中，碳纤维布易成型，能够粘贴在曲面或不规则的结构表面上，考虑到其方向性，设计者可以进行裁减，使其在特定方向上达到预期的设计强度。
2.在桥梁结构施工中的应用
碳纤维复合材料在被研发成功后，是经过了一段时间方才被使用到桥梁的建设施工中的。直到上世纪的80年代，碳纤维复合材料才被应用在桥梁工程的设计施工中，并在后来的桥梁建设中迅速得到广泛应用，这是由其优良的特性来决定的。目前，在桥梁工程，尤其是在大跨度的桥梁工程中，碳纤维复合材料是最具有物理性能优势的建筑材料，在国内外的桥梁施工中都有应用碳纤维复合材料作为预应力筋的案例。
日本是第一个在混凝土桥梁中采用碳纤维复合材料绞线作为桥梁预应力筋的国家。从1988年～1992年，日本应用碳纤维复合材料材料作为预应力筋修建了一系列桥梁，为探求采用碳纤维复合材料力筋的预应力混凝土构件的承载力和耐久性，做了静载和疲劳试验。
3.在桥梁加固中的应用
为恢复和提高既有桥梁的承载能力，采用在桥梁结构受拉侧用环氧树脂粘贴碳纤维复合材料材料的加固方法，具有施工简便、加固费用低（代替钢板加固可节约资金25%）、不减少桥下净空、加固材料带来恒载增加不多等优点，并且加固施工能在不影响或少影响结构使用的情况下进行，同时可克服粘贴钢板受运输的限制、钢板锈蚀引起钢板与混凝土梁之间粘贴层损坏之不足。
在日本，碳纤维复合材料被广泛用于公路桥梁、铁路桥梁、隧道、码头、房屋建筑等结构物的加固，特别是在大地震维修工程及震后桥梁修复工程中都大量采用了碳纤维加固技术，并取得了显著的经济效益。
我国是在1997年以后正式开始对碳纤维复合材料加固修复上木建筑结构进行研究的，并在1998年以后开始了实际应用。如在某桥梁的加固工程中需重加固修复出现裂纹的T梁。在加固旧T梁工程中，共加固20m长的T梁130片，实际粘贴碳纤维240m2，共用15d完成全部加固施工，其他加固修复方法都无法在这么短的时间内完成的。T梁加固完成后，桥面开始施工，T梁受力，半年后观察加固节点，碳纤维布与T梁表面粘贴完好，无空鼓，无裂纹，取得了较满意的效果。
4.碳纤维复合材料的发展前景
碳纤维复合材料材料用于桥梁工程中也是国际土木工程界的一个热点，由于其优异的材料及使用性能，其应用范围与应用量正以惊人的速度在增长。碳纤维复合材料在我国处于科研及实用初级阶段，大规模使用还存在许多问题，如价格太高、强度不高、缺少设计规范及施工规程还很不完善等，为充分发展碳纤维复合材料在我国桥梁工程中的作用，应做好以下几个方面的工作：
4.1加快国产碳纤维复合材料大过摸生产的步伐并降低造价，提高国产碳纤维复合材料质量的稳定性，实现产品国产化。我国目前应用的粘贴树脂已实现了国产化，而碳纤维复合材料材料却依赖进口。扩大生产规模是降低成本的有效途径之一。国外一条碳纤维生产线的年生产能力均在200t以上，而我国至今还没有一条百吨级碳纤维生产线。
4.2尽快制定便于材料品质管理及品质保证的标准化试验方法，并尽快制定完善的设计与施工规范。标准化工作是一项新技术，是新材料得以健康、快速发展的基础，它不仅仅是指碳纤维复合材料材料的技术标准，而是包括材料生产、使用、检验、加固设计、计算、工程施工与验收等一系列标准化工作。否则，该项技术会有在商业利益驱动下遭夭折的危险。在这个问题上，今后几年内，国内将有更多的学校及研究单位加入到碳纤维复合材料材料研究开发中来，从而使我国在该项技术领域得到更快速的发展。
4.3加强与国际间的学术交流和技术合作。尽量避免在研究上的低水平生产与应用上的重复研究，共同促进该项技术的应用研究及发展，成立行业性或学术性组织。只有这样，才能促进该项技术的健康、快速发展。
5.结语
总之，在当代新型桥梁工程的施工中，采用碳纤维复合材料作为结构施工的重要材料是我国桥梁建设水平的一大提升，碳纤维复合材料的应用极大的提高了桥梁的强度、抗拉能力和抗腐蚀性能力，缩短了桥梁施工的时间，简化了施工技术工艺，提高了施工效率，因而碳纤维复合材料是一个值得大力推广应用的新型桥梁工程建设材料。
【参考文献】
[1]尤平若.新型建筑材料在桥梁建设中的应用[J].山西建筑，2012，（01）.