碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用戴福洪哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所2023,08提綱引言碳纖維復(fù)合材料在航天應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料在航空應(yīng)用國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用根底研究進(jìn)展結(jié)語鋁合金復(fù)合材料鈦合金鋼引言

高比強(qiáng)高比模的碳纖維復(fù)合材料成為航空航天器用的最重要結(jié)構(gòu)材料之一引言大幅度減重可設(shè)計(jì)性結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化降低全壽命本錢20％－30％

增加有效載荷提升飛行器功能增大航程、降低油耗翼身融合、整體成型減少零件數(shù)前掠翼、顫振、承力/隱身一體化應(yīng)用效益B787機(jī)體維護(hù)本錢與B767相比大幅下降R.ByronPipes，ICCM-16復(fù)合材料研究領(lǐng)域1970-20002000-2010纖維高強(qiáng)/低成本高性能有機(jī)纖維樹脂增韌/高溫RTM樹脂復(fù)合材料力學(xué)材料/結(jié)構(gòu)相互作用漸進(jìn)損傷耐久性壽命預(yù)報預(yù)埋器件環(huán)境考慮濕熱煙毒工藝與制造非熱壓罐預(yù)浸料RTM凈成型應(yīng)用高效減重復(fù)合材料機(jī)翼、機(jī)身成本效益降低全壽命成本制造成本設(shè)計(jì)方法多尺度計(jì)算方法虛擬設(shè)計(jì)與制造驗(yàn)證積木式方法凈成型結(jié)構(gòu)驗(yàn)證TheEvolutionofComposites引言碳纖維復(fù)合材料在航天應(yīng)用以高性能碳(石墨)纖維復(fù)合材料為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)、功能或結(jié)構(gòu)/功能一體化構(gòu)件材料，在導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和衛(wèi)星飛行器上也發(fā)揮著不可替代的作用。其應(yīng)用水平和規(guī)模已關(guān)系到武器裝備的跨越式提升和型號研制的成敗。碳纖維復(fù)合材料的開展推動了航天整體技術(shù)的開展。碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)部件和衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)承力件上衛(wèi)星和空間站高模量碳纖維質(zhì)輕，剛性，尺寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性好，很早就應(yīng)用于人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線中?，F(xiàn)今的人造衛(wèi)星上的展開式太陽能電池板多采用碳纖維復(fù)合材料制作，而太空站和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)上的一些關(guān)鍵部件也往往采用碳纖維復(fù)合材料作為主要材

料

導(dǎo)彈導(dǎo)彈發(fā)射筒采用先進(jìn)復(fù)合材料保守估計(jì)可降低重量30%，對于提高地面生存能力至關(guān)重要，同時，復(fù)合材料的耐環(huán)境腐蝕、耐疲勞性能優(yōu)異等特點(diǎn)，可以顯著提高發(fā)射筒的重復(fù)使用壽命，降低發(fā)射本錢動力系統(tǒng)美國、日本、法國的固體發(fā)動機(jī)殼體主要采用碳纖維復(fù)合材料，美國三叉戟-2導(dǎo)彈、戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈、大力神一4火箭、法國的阿里安一2火箭改型、日本的M-5火箭等發(fā)動機(jī)殼體，其中使用量最大的是美國赫克里斯公司生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度為5.3GPa的IM-7碳纖維，性能最高的是東麗T-800纖維，抗拉強(qiáng)度5.65Gpa、楊氏模量300GPa

碳纖維復(fù)合材料在航空應(yīng)用飛機(jī)發(fā)展目標(biāo)高比強(qiáng)可設(shè)計(jì)抗疲勞多功能耐腐蝕先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料輕量化高可靠長壽命高效能結(jié)構(gòu)/功能第三階段（90年代末開始）受力復(fù)雜規(guī)模大中機(jī)身段、中央翼盒A380中央翼盒用量25%B787機(jī)身用量50%第四階段（21世紀(jì)初開始）起落架用復(fù)合材料F-16起落架后撐桿NH-90直升機(jī)起落架受力很大代替鋼結(jié)構(gòu)艙門、口蓋、整流罩、方向舵、襟副翼、雷達(dá)罩、起落架艙門第一階段（70年代初完成）受載不大簡單零部件第二階段（80年代初開始）尾翼(垂尾、平尾)、前機(jī)身段、機(jī)翼F－14硼/環(huán)氧復(fù)合材料平尾F/A-18機(jī)翼用量13％AV-8B

機(jī)翼和前機(jī)身

用量26%承力大規(guī)模較大國外航空復(fù)合材料開展歷程MirageF18CDC17AV8BRafaleF18E/FUCAVEuroFighterF35F/A22B2A-380A-320A-340A-330F15787PremierHorizon用量開展情況飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用量是飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志F2225%F3535%EF200040%F162%軍機(jī)應(yīng)用Tiger80%直升機(jī)應(yīng)用V-22

50%無人機(jī)應(yīng)用全球鷹〔GlobalHawk〕捕食者(Predator〕暗星〔DarkStar〕先鋒〔Pioneer〕搜索者〔Searcher〕X-45C90%Predator民機(jī)應(yīng)用——A380復(fù)合材料22%Glare3%鋁61%鈦和鋼10%其他5%

機(jī)身結(jié)構(gòu)機(jī)翼結(jié)構(gòu)民機(jī)應(yīng)用——B787機(jī)翼結(jié)構(gòu)中央翼盒Boeing787第一個全尺寸復(fù)合材料機(jī)身段，長7m寬6m，減重20%民機(jī)應(yīng)用——B7872000年2023年〔預(yù)測〕應(yīng)用趨勢——復(fù)合材料成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)最為重要的根本材料飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用根底研究國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)高效可靠應(yīng)用支撐纖維樹脂界面改進(jìn)提高國產(chǎn)碳纖維高效可靠應(yīng)用復(fù)合材料性能轉(zhuǎn)化

性能評價外翼穩(wěn)定性逐步提高與進(jìn)口碳纖維水平相當(dāng)?shù)诙A段：2007年05月—2023年02月拉伸強(qiáng)度拉伸模量第一階段：2005年06月—2007年04月第三階段：2023年03月—2023年05月碳纖維性能分散性的開展CCF300單絲的綜合力學(xué)性能測試常規(guī)性能測試?yán)炷Ａ俊⒗鞆?qiáng)度、斷裂延伸率綜合力學(xué)性能測試碳纖維壓縮強(qiáng)度碳纖維斷裂韌性碳纖維單絲的拉伸性能碳纖維泊松比壓縮強(qiáng)度(GPa)拉伸強(qiáng)度(GPa)CCF3002.293.28T3002.023.53T700SC2.455.30M40JB2.074.46M55JB1.684.08CCF300CCF300斷裂截面強(qiáng)度：1.3