碳纤维及其复合材料的发展和应用(精)
T1000 级碳纤维及其复合材料研究与应用进展
摘要本文介绍了T1000 级碳纤维的发展历程，综述了T1000 级碳纤维及其复合材料的研究及应用情况，指出了国产T1000 级碳纤维应用研究需要关注的问题。
1引言碳纤维是一种碳元素组成占总质量90％以上，具有高强度、高模量、耐高温等优点的纤维材料。
最早可追溯至18 世纪的爱迪生和斯旺，1959年日本首先发明了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，而当下碳纤维的核心技术和产能被日本、美国以及一些欧洲发达国家和地区掌控。
T1000 级碳纤维作为碳纤维中的高端产品，在航空航天领域有着极大的用途。
高性能碳纤维的研究可以改善固体火箭发动机消极质量、提升载药量、提高质量比，对于先进武器的发展研究以及航天探索有重大意义。
目前国外已经大量使用T1000 级碳纤维的缠绕容器和固体火箭发动机壳体，因此开展国产T1000级碳纤维及其复合材料的应用研究迫在眉睫。
碳纤维的制备包括物理、化学、材料科学等多个领域的内容，总体分为纺丝原液的聚合、聚丙烯腈原丝的纺制、预氧化和碳化三个步骤，有众多因素需要调控。
根据缺陷理论和最弱连接理论，制备过程中产生的缺陷是影响碳纤维性能的主要因素，为保证碳纤维的性能，需要对每个工艺流程中工艺参数精准调控，由于加工过程中的各参数之间相互作用十分复杂，且目前一些工艺流程中的实际形成和演变机理不明，也使得高性能碳纤维，尤其是T1000 级碳纤维的研制有很大困难。
T1000 级碳纤维的研究主要包括碳纤维本身性能的研究、碳纤维复合材料的改性研究、碳纤维复合材料使用性能的研究几个方面。
由于T1000 级碳纤维本身的高性能、价格昂贵等原因，且国产T1000 级碳纤维还没有正式投入应用的报道，在实际应用方面主要介绍国外T1000 级碳纤维在航空航天以及其他领域的应用情况。
2T1000 级碳纤维性能研究现状1962 年正式开展PAN 基碳纤维的研制，1986 年研制出T1000G 碳纤维。
2014 年 3 月，通过碳化精细控制技术在纳米层级内控制纤维结构，成功研发出T1100G 碳纤维，2017 年 6 月强度由6600MPa 更新至7000MPa，目前东丽已完成了T1200 碳纤维的量产。
碳纤维的发展及其应用现状
碳纤维的发展及其应用现状目前，碳纤维工业化产品主要包括PAN基和沥青基，世界上消费高性能碳纤维主要是美国，而生产高性能碳纤维主要是日本，碳纤维已广泛应用于各行各业中。
碳纤维大多应用于复合材料的生产，且广泛应用于各行各业。
论文主要分析了国内外碳纤维发展现状，着重介绍了碳纤维在宇航、体育用品领域、工业领域、交通运输领域及土木建筑领域的应用。
标签：碳纤维;复合材料;领域;应用一、碳纤维的发展现状研究1.国外发展现状1959年日本进藤博士采用PAN奥纶为原材料研究开发基碳纤维，日本大谷教授利用煤焦、石油炼制过程中的副产品（沥青）研究成功开发了沥青基碳纤维。
1965年，粘胶纤维基碳纤维是由美国的UCC公司开发成功的，主要材料是粘胶纤维。
于20世纪70年代初就开始生产碳纤维，主要应用于火箭喷嘴，其能有效防止热气流传。
1971年至1983年，日本东邦人造丝公司、东丽公司等对碳纤维研究比较早，在此期间已经能进行大批量的生产，主要用于体育器具，欧美则用于航空和航天工业。
1980年前，波音公司首次将碳纤维使用在757飞机上，1985年-1990年，欧美主要对复合材料产品性能和深加工技术进行了研究。
国外利用电磁辐射等离子技术由碳纤维原丝来生产碳纤维;并把纳米技术应用于碳纤维上，研制出纳米碳纤维，超高模量的沥青碳纤维长丝发展迅速。
2.国内发展状况20世纪70年代中期，我国开始研究碳纤维，经过多年的发展，碳纤维在研发领域上取得了很大的成就，但总的来说，国内碳纤维的研制与生产水平还较低。
吉林省长春应用化学研究所于1960年代初，开始对PAN基碳纤维进行研究，并先后完成了连续化中试装置。
上海合成纤维研究所等单位也开始研究，于1980年通过了中试。
总之，我国在碳纤维领域的研究方面起步晚、发展也缓慢。
二、碳纤维的应用状况研究1.宇航领域碳纤维重量很轻，但其尺寸稳定性，刚性和导热性能均很好，最初的高模量碳纤维广泛在人造卫星技术当中使用。
碳纤维增强热塑性复合材料在航空领域的应用及其发展
碳纤维增强热塑性复合材料在航空领域的应用及其发展摘要：本文介绍了碳纤维增强热塑性复合材料在航空领域的应用，阐述了其特点，最后总结了未来纤维增强热塑性复合材料的发展趋势。
关键词：碳纤维；热塑性复合材料；发展趋势引言目前，世界各国在航空飞行器市场上的竞争越来越激烈，航空领域复合材料的应用对飞机减重、耐腐蚀性能和降低成本方面起到重要的作用。
由于环境污染和资源回收问题引发了全球的重视，已经得到广泛应用的碳纤维热固性树脂复合材料遭到了一定程度的冲击。
此时韧性、耐湿、耐腐蚀性好、可冋收性、具有电磁屏蔽能力、在恶劣环境具有稳定性、耐久性的碳纤维热塑性复合材料得到了各国的关注。
碳纤维增强热塑性树脂复合材料(CFRTP)是以热塑性树脂为基体、以碳纤维为增强体而制成的复合材料。
碳纤维是一种含碳量在90%以上且具有高强度、高比模量、低密度、耐高温、耐化学腐蚀、低电阻、高导热、耐辐射以及优良阻尼减震降噪等性能的纤维材料[1]。
热塑性树脂可分为高性能树脂和通用树脂，常见的高性能树脂有聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫酰(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)等。
1 碳纤维增强热塑性复合材料在航空领域的应用1.1国外应用现状洛克希德•马丁公司生产的C-130运输机中许多结构采用了纤维增强热塑性复合材料。
起落架舱门使用的是碳纤维增强聚醚醚酮(C/PEEK)高性能热塑性复合材料，C/PEEK 复合材料的韧性好，可以有效防止沙石等颗粒物的冲击损伤[2-3]。
西科斯基公司生产的CH-53K直升机货厢地板采用的材料为C/PEEK，并使用了电磁感应熔焊技术，增加了飞机的有效载重和容量［4］。
空客公司一直是先进材料应用方面的领军者，并已经成功地将PPS树脂基热塑性复合材料应用在了一些结构简单、尺寸较小的肋、梁等飞机的简单零件上，其中A350XWB机身就采用了很多热塑性复合材料支架和加强角片等[5-6］。
随着高性能热塑性复合材料的材料性能、成形工艺，以及装配技术的提高，已被逐步应用在空客飞机的次承力结构件上，如A340/500, A380固定翼前缘的结构中采用了C/PPS 热塑性复合材料［5］。
碳纤维及其复合材料的发展和应用
制 造 碳 纤 维 的 新 方 法 。 紧 接 着 英 国 皇 家 航 空 研 究 院 研 究
了高 性 能 Ｐ Ｎ 基碳 纤维 的技 术 流程 ，使 Ｐ Ｎ 基碳 纤 维 Ａ Ａ 成 为 碳 纤维 工 业 的 主 流 。２ ０世 纪 ７ ０年 代 中 期 ．美 国联 合 碳 化公 司在美 国空 军 和海 军 的资 金 支持 下 。研 发高 性 能 沥 青 基 碳 纤 维 。碳 纤 维 的 民用 商 业 化 也 正 是 始 于 ７ ０ 年 代 。 日本 东 丽公 司 最早 于 １ ７ ９ １年 开 始 生 产 钓 鱼 杆 和 高 尔夫 球棒 。１ ７ ９ ４年 ，美 国最 早把 碳纤 维用 于 网球 。接 着 羽 毛 球 拍 也 都 实 现 了 Ｃ Ｒ （ ａｂ ｎ ｆ ｅ ｅ ｆｒｅ Ｆ Ｐ ｃ ｒｏ —ｉ ｒｒｉ ｏｃｄ ｂ ｎ
递 增 。 碳 纤 维 的 主 要 性 能 见 表 １ 表 ２是 不 同 领 域 碳 纤 。 维 的 需 求 及 预 测 见 表 ２ 。
１ 碳 纤 维 的 发 展 史
１１ 国外碳 纤 维的 发展 历史 ．
２ ０世 纪 ５ ０年 代 美 国 开 始 研 究 粘 胶 基 碳 纤 维 ， １５ ９９ 年 生 产 出 了 粘 胶 基 纤 维 Ｔ ｏｍ ｌ２ ｈ ｒ ｅ一 ５，这 是 最 早 的 碳 纤 维 产 品 。 同 一 年 ， 日本 发 明 了 用 聚 丙 烯 腈 基 （ＡＮ） 原 丝 Ｐ
摘
要 ：介 绍 了碳 纤 维 的 性 能及 其 特 性 ，概 述 了碳 纤 维 的 发 展 史 ， 包括 国 外 和 国 内 。 分 析 了碳 纤 维 复 合 材 料 的 特 性 和 应 用 ， 着 重 说 明 了碳 纤 维 增 加 金 属 基 复 合 材 料 的 相 关 性 能 ，并 指 出 了 其 研 究 前 景 。
碳纤维及其复合材料的发展及应用
. 碳纤维的复合方式也会对复合材料的性能产生影响 . 在制备复合材料时, 碳
纤维大致可分为两种类型 : 连续纤维和短纤维 . 连续纤维增强的复合材料通常具有更好的机械性能, 但 由于其制造成本较高 , 并不适应于大规模的生产. 短纤维复合材料可采用与树脂基体相同的加工工艺, 如模压成型、 注射成型以及挤出成型等. 当采用适合的成型工艺时 , 短纤维复合材料甚至可以具备与连
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上海师范大学学报 ( 自然科学版 )
2008年
续纤维复合材料相媲美的机械性能并且适宜于大规模的生产 , 因此短纤维复合材料近年来得到了广泛 [ 5] 的应用 . 碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域有着大量的应用, 如航天飞机的舱门、 仿生机械臂以及压 力容器等 , 因采用碳纤维增强树脂基复合材料而具有质量轻、 强度高的优点. 随着航空制造技术的不断发 展, 先进民用飞机在结构中大量地使用了碳纤维增强树脂基复合材料, 主要部位有: 整流包皮、 副翼、 发动 机罩、 阻力板、 扰流器、 起落架舱门、 水平和垂直尾翼、 方向舵及其他主要及次要承力结构件等. 在民用领 域, 碳纤维增强树脂基复合材料的应用也不断扩大, 如汽车结构件、 风力发电机叶片、 体育器材等. 随着碳纤维成本的降低以及复合材料制造技术的发展 , 土木建筑和海底油田将是碳纤维复合材料 应用领域的新增长点 . 以碳纤维复合材料代替传统金属材料制作建筑物的横梁、 抗震结构 , 补强、 修补或 加固桥梁, 制造油田勘探和开采器材以及平台、 油、 气储罐等将会有很大的发展.
上官倩芡, 蔡泖华
( 上海师范大学 机械 与电子工程学院 , 上海 201418)
摘 要 : 叙述了碳纤维的结构形态 、 分类以及在力学、 物理 、 化学方面的性能, 介绍了碳纤维增 强复合材料的特性, 着重阐述了碳纤维增强树脂基复合材料中基体的分类 、 选择和应用 , 指出 了碳纤维及其复合材料进一步发展的趋势 . 关键词 : 碳纤维 ; 复合材料 中图分类号 : O 636 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 5137( 2008) 03 0275 05
无人机用碳纤维复合材料的性能及应用现状
0引言无人机技术自诞生以来，轻量化一直是该研发领域追求的目标，碳纤维复合材料与传统金属材料相比，具有质量轻、强度高、耐疲劳等优点，因此碳纤维复合材料在无人机上的应用成为无人机领域主要的研究方向［1］。
碳纤维复合材料应用于无人机结构件的制造，能极大地改善和提高无人机的性能。
近年来，世界各国在无人机制造中大量使用碳纤维复合材料，使用量占其结构总量的60%～80%，可使机体减重25%以上［2］。
碳纤维树脂基复合材料是应用最广泛的碳纤维复合材料，由碳纤维与树脂复合而成，可增强机体的结合程度，提升材料的力学性能。
韩艳霞［3］采用环氧树脂基对碳纤维进行铺层设计，并采用有限元分析碳纤维树脂基复合产品，证实其具有优异的力学性能。
碳纤维复合材料作为一种特殊材料，其加工需要采用特殊的工艺。
刘向等［4］研究一种新型的无人机机翼一体成型技术，采用该技术的机翼表面均匀性好、平整度高、不易断裂，提高了机翼的整体性及使用寿命。
我国碳纤维复合材料的研发起步虽然较晚，但是经过科研工作者多年的努力，已拥有生产碳纤维复合材料的自主产权，并且应用碳纤维复合材料制造的无人机在农林植保、电力巡检、地理测绘、航拍等领域得到成熟的应用。
1碳纤维的制备过程碳纤维是高分子有机母体纤维在特定条件下进行热解制得到的一种新型纤维状材料，其含碳量在90%以上。
目前，碳纤维工业化生产采用的母体纤维主要有聚丙烯腈（PAN）纤维、沥青纤维和粘胶纤维，由这三大纤维生产出的碳纤维分别称为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。
沥青基碳纤维虽然碳化收率高、原料来源丰富、成本低，但是强度较低，因此其应用受到一定的限制；粘胶基碳纤维不仅制造工艺复杂，而且碳化收率低、产量小，成本相对较高；聚丙烯腈基碳纤维生产工艺简单，产品具备优异的力学性能，因此应用广泛，在市场中占据主流地位。
聚丙烯腈基碳纤维的制备过程分为预氧化、碳化、石墨化3个阶段。
1.1预氧化阶断（第一阶段）PAN原丝的预氧化一般在180～300℃的空气中进行。
碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势
国内外碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势自上世纪60年代碳纤维首次商业化以来，产业规模不断扩大，产品品质不断提高，2014年全球碳纤维产能（365天连续生产12K/24K 碳纤维丝束计算）已达到12.6万吨。
尽管碳纤维与传统的玻璃纤维在价格上仍不能相比，但高性能碳纤维以其高比强度、高模量、可设计、防腐蚀和抗疲劳等突出特点，具有玻璃纤维所不能比拟的优势，已成为发展先进武器装备的关键材料，并在航空航天、国防军工、风能产业、土木工程、体育休闲等领域得到了广泛应用。
当前，国际复合材料产业呈现蓬勃发展态势，据估计，未来5年，先进复合材料将以每年5%的增速发展，而随着民用航空、汽车工业等领域的快速发展，全球高性能碳纤维需求量的年增幅可达10%，亚太地区将会有更高的增长率，即碳纤维及其复合材料产业将面临前所未有的发展空间和机遇。
因此，在目前碳纤维产业快速发展的关键时期，我们更应该认清国际碳纤维产业的发展形势、对照国外先进企业找差距找问题，通过理性思考寻求解决途径，适时把握发展机遇，落实行动、注重实效，努力推进国内碳纤维及其复合材料产业的健康快速发展。
1、国外碳纤维产业现状及发展趋势1）产业方面根据前躯体原料的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基碳纤维等。
由于粘胶基碳纤维在制备过程中会释放出毒性物质二硫化碳，且工艺流程长、生产成本高、整体性能不高，因此目前，国际碳纤维产业领域，前两种碳纤维获得了更大规模的生产和应用。
其中，PAN基碳纤维又占据绝对优势，国际市场占有率超过90%。
PAN基碳纤维的九大生产商包括：日本东丽、东邦、三菱丽阳、美国赫氏（Hexcel）、氰特（Cytec）、卓尔泰克（Zoltek，已被东丽收购）、台塑、土耳其阿克萨（AKSA）和德国西格里（SGL）。
沥青基碳纤维的生产和应用居其次，主要生产企业三家，分别是Cytec、三菱塑料和日本碳素纤维。
PAN基碳纤维分为小丝束（1-24K）和大丝束（36K及以上）两类。
碳纤维复合材料研究报告
碳纤维价值链
原材料
PAN纤维
碳化
复合
测试
应用
PAN
高柔韧性热
树脂设计 结构设计
预浸 编织 预成型 实验设计和 样板测试
汽车 风力
军工 航空 基础设施 石油和 天然气
溶液纺丝
TEXTILE PAN
处理 等离子技术 微波技术
POLYOLEFIN
熔体纺丝
UGNIN
先进表面
成型 缠绕
固化
处理
3.市场需求分析
24880
30450 192780
27000
34840 215620
30440
38960 238030
31760
40630 248900
35870
41290 275280
37140
44850 298740
40770
44580 321440
Source: Composites Forecasts and Consulting LLC
66%
三菱 14%
东邦 23%
东丽
东邦
三菱
CYTEC
台塑
HEXCEL
ZOLTEK
SGL
Fotafil
Aldila
东丽
1. PAN基碳纤维产品主要以日本为代表的小丝束碳纤维（1K-24K）和以美国为代表的大丝束碳纤维（48K-480K）两 大类。 2. 全球小丝束碳纤维生产基本上被日本碳纤维生产厂家控制，主要是东丽，东邦和三菱三大企业 3. 全球大丝束碳纤维由美国Fortafil和美国Zoltek公司商品化。主要大丝束碳纤维厂家是美国Fortafil、Zoltek和Aldila 三大公司，生产能力综合占世界总量的75%。 Source：复材在线，上市公司年报
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·开发与创新·Development and Applications of Carbon Fiber and Its CompositesGAO Bo ,XU Zi-Li(Wuhan Textile University ,Wuhan Hubei 430073,ChinaAbstract:This paper introduces performance and features of carbon fiber,briefly overviews the history,including both foreign and domestic.And analyses the properties and applications of carbon fiber composite material,emphasizes the related performance that carbon fiber adds to the metal matrix composites and points out its research prospects.Key words:carbon fiber ;composite ;metal matrix0引言碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等采用高温分解法在1000~3000℃高温的惰性气体下碳化制成的。
它是一种力学性能优异的新材料,比重不到钢的1/4,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,而其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 ,也高于钢。
碳纤维按其原料可分为三类:聚丙烯腈基(PAN 碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类。
其中聚丙烯腈基碳纤维用途最广,需求也最大[1]。
1碳纤维的发展史1.1国外碳纤维的发展历史20世纪50年代美国开始研究粘胶基碳纤维,1959年生产出了粘胶基纤维Thormel-25,这是最早的碳纤维产品。
同一年,日本发明了用聚丙烯腈基(PAN 原丝制造碳纤维的新方法。
紧接着英国皇家航空研究院研究了高性能PAN 基碳纤维的技术流程,使PAN 基碳纤维成为碳纤维工业的主流。
20世纪70年代中期,美国联合碳化公司在美国空军和海军的资金支持下,研发高性能沥青基碳纤维。
碳纤维的民用商业化也正是始于70年代。
日本东丽公司最早于1971年开始生产钓鱼杆和高尔夫球棒。
1974年,美国最早把碳纤维用于网球。
接着羽毛球拍也都实现了CFRP (carbon-fiber reinforcedplastic 化。
20世纪80年代,碳纤维开始广泛用于客机和航天飞机。
人造卫星也实现了CFRP 化。
进入21世纪,碳纤维的需求量随之增大,以大约13%的速度逐年递增。
碳纤维的主要性能见表1。
表2是不同领域碳纤维的需求及预测见表2。
1.2国内碳纤维的发展我国碳纤维起步于上世纪60年代末,在意识到碳碳纤维及其复合材料的发展和应用高波,徐自立(武汉纺织大学机电学院,湖北武汉430073收稿日期:2010-05-31作者简介:高波(1986-,在读硕士研究生。
研究方向:碳纤维增强;徐自立(1964-,硕士生导师,教授,博士。
摘要:介绍了碳纤维的性能及其特性,概述了碳纤维的发展史,包括国外和国内。
分析了碳纤维复合材料的特性和应用,着重说明了碳纤维增加金属基复合材料的相关性能,并指出了其研究前景。
关键词:碳纤维;复合材料;金属基中图分类号:F4文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2010.04.014机电产品开发与创新Development &Innovation of M achinery &E lectrical P roducts Vol.23,No.4July .,2010第23卷第4期2010年7月文章编号:1002-6673(201004-037-03表1碳纤维的主要性能性能聚丙烯腈基碳纤维石油沥青级碳纤维粘胶碳纤维拉伸强度(Mpa >300016002100~2800密度(g/cm 3 1.76~1.94 1.7 2.0拉拉弹性模量(Gpa>207379441-55237·开发与创新·纤维对军工和民用的价值后开始重视。
自1975年11月全国第一次碳纤维复合材料会议之后,一直将碳纤维及其复合材料纳入国家科技攻关项目。
经过四十多年的发展,我国碳纤维从无到有,从研制到生产取得了一定的成绩,但总的来说,我国碳纤维的研制与生产水平还较低,近些年来,由于我国对碳纤维需求量的日益增加,碳纤维又成为国内新材料业研发的热点。
但是,除极个别企业外,大多数引进项目的技术和设备水平属国际中下等,生产的碳纤维产品也未达到高端水平[2]。
国内生产聚丙烯腈碳纤维的厂家主要有:榆茨化纤厂、兰州石化公司化纤厂、兰州碳素纤维厂、衡水碳纤维材料厂、无锡宏泰机械厂、上海合纤所等。
这些厂家的生产能力比较低,无法满足国内市场对碳纤维的需求。
2004年我国碳纤维消耗量约为4500t,2009年达到9000t,而95%依赖进口[3]。
值得庆幸的是,2009年6月14日,我国首个百吨级碳纤维生产基地———中国石油吉林石化公司碳纤维厂在吉林省吉林市建成并投产。
其自主研发的聚丙烯腈基碳纤维产品性能已达到国际先进水平,打破了国外技术封锁,标志着我国高性能碳纤维产业化实现了新突破。
2碳纤维增强复合材料复合材料的组成相为增强相与基体相。
增强相一般有很高的力学性能(强度、弹性模量,其主要作用是承受载荷或显示功能。
增强相一般有三种:纤维、晶须、颗粒,它们是不连续相。
基体相也有三种:金属、陶瓷、聚合物,它们是连续相。
碳纤维是高性能复合材料最常用、最重要的增强相,是目前可作MMCs增强物中价格最便宜的一种。
一般是以500~12000根直径为5.6~14μm的细纤维组成束丝作为增强体使用。
而像硼纤维、碳化硅则是单丝做为增加体使用。
无论何种原丝纤维来制造碳纤维,都要经过五个阶段[4]:①拉丝:可用湿法、干法或者熔融状态三种中任意一种方法进行;②牵伸:在室温以上,通常是在100-300℃范围内进行, W.Watt首先发现结晶定向纤维的拉伸效应,而且这效应控制着最终纤维的模量;③稳定:通过400℃加热氧化的方法;④碳化:在1000~2000℃范围内进行;⑤石墨化:在2000~3000℃范围内进行。
经过以上五个阶段,所产生的最终纤维其基本成分都为碳,高模量碳纤维成分几乎为纯碳。
2.1碳纤维/聚合物复合材料碳纤维/聚合物复合材料,也就是通常说的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP,是目前最先进的复合材料之一,它以轻质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,是其他纤维增强复合材料所无法比拟的。
这些材料在上世纪60、70年代开始应用,现在技术已经非常成熟了,如碳纤维增强环氧树脂。
碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域有着大量的应用,如航天飞机的舱门、仿生机械臂以及压力容器等。
随着航空技术的不断发展,民用飞机在结构中大量地使用碳纤维增强聚合物复合材料,如副翼、发动机罩、阻力板、起落架舱门等[5]。
2.2碳纤维/陶瓷基复合材料碳纤维/陶瓷基复合材料,与陶瓷材料相比有较好的韧性和力学性能,保持了基本原有的优异性能。
比高温合金密度低,是比较理想的高温结构材料。
用碳纤维增强陶瓷可以有效地改善韧性,改变陶瓷的脆性断裂形态,同时阻止裂纹在陶瓷基体中的扩展,目前国外比较成熟的碳纤维/陶瓷复合基复合材料是碳纤维增强碳化硅材料,因其良好的高温力学性能,在航空发动机、航天飞行器领域等具有广泛的应用。
2.3碳纤维/碳复合材料碳纤维/碳复合材料汽化温度,抗热振,摩擦性能好,已用于制作刹车片、汽车和赛车制动系统、高温模具、高温真空炉内衬材料。
碳纤维/碳复合材料作为烧蚀材料早在20世纪70年代就被用于洲际导弹头的端头帽。
碳纤维/碳复合材料也是用做高温输送装置、核反应堆零件、电触头、热密封垫和轴承的优良材料。
由于碳/碳复合材料与人体组织生理上相容,弹性模量和密度可以设计得与人骨相近,并且强度高,因此,可以做人工骨头,如接断骨、作膝关节和髋关节等[6]。
2.4碳纤维/金属基复合材料碳纤维增强金属基复合材料是以碳为增强体,金属为基体的复合材料。
碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比,具有高的比强度和比模量;与陶瓷材料相比具有高的韧性和耐冲击性能。
金属一般采用铝、镁、镍、钛及其合金。
其中碳纤维增强铝基复合材料技术比较成熟,是应用最广的一种复合材料[7]。
下面以它为例来说明碳纤维/金属基复合材料的特性。
碳纤维铝基复合材料是一种较理想的轻质高强复合材料。
具有很高的高温强度和弹性模量、良好的耐磨性、导电导热性和高温稳定性。
其密度小于铝合金,弹性模量却比铝合金高2~4倍,在制造铝基复合材料通常并不是用纯铝而是用各种铝合金,这主要是因为,与纯铝相比,铝合金具有更好的综合性能[8]。
碳纤维/铝基复表2不同领域碳纤维的需求及预测年份宇航体育用品工业合计2002620066001150024300 2005710078001940034300 2008810092003020047500 2011980011300474006850038·开发与创新·4结论(1提出了一个二维转锥反应器瞬态传热过程的有限元模型,分析了转锥内部的瞬态传热过程,为转锥反应器的虚拟制造和优化设计提供了新的方法和途径。
同时,也为进一步的分析转锥的热应力奠定了一定的基础。
(2转锥的温度随时间变化而逐渐升高,温度分布情况大致为:在底端温度最高,从底端向顶端温度逐渐降底。
在底端开口处温度很高,很可能会发生应力集中,因此在生产加工时一定要保证开口处的质量。
(3通过实验验证,ANSYS 分析结果与实验所测结果基本一致,具有一定的可靠性。
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