碳纤维复合材料在航空航天领域的应用PPT课件
碳碳复合材料ppt课件
循环浸渍－碳化曲线反映了浸渍－碳化工艺特点：
❖ 在进行1～3次浸渍碳化时，复合材料的密度增加较快， 从预制体密度（约1.2～1.3g/cm3）增加到1.6g/cm3以上；
❖ 从第四次循环浸渍碳化开始，则每次复合材料的密度增 加相对较慢。
❖ 为了减少浸渍－碳化次数，提高浸渍碳化效率和改善复 合材料的性能，一般采用真空压力浸渍工艺，形成了压 力浸渍碳化工艺（PIC, Pressure Impregnation Carbonization）。并且在沥青液态浸渍－碳化工艺中得 到应用。
沥青碳化率＝0.95QI＋0.85(BI-QI)+(0.3-0.5)BS
因此，沥青的碳化率随高分子量芳香族化合物的含量增加而增加。 最高的碳化率达90％，但与碳化时的压力有关。当碳化压力增强时， 低分子量物质挥发气化，并在压力下热解得到固态沥青碳。
★ 沥青碳化特性
★ 沥青碳化特性
沥青的压力碳化经历以下过程：
沥青液态压力浸渍－碳化 工艺是在常压、250℃下先浸 渍，然后在此温度下加压至 100MPa压力下继续浸渍，再 此压力下经650℃碳化。
同样需经历多次PIC工艺 使/C复合材料致密化。
● HIPIC工艺
HIPIC工艺是热等静压浸 渍碳化工艺（Hot Isostatic Pressure Carbonization）,即 在等静压炉中进行PIC工艺。
沥青、树脂浸渍-碳化与CVD裂解碳填充孔隙的区别
C/C复合材料CVD/CVI工艺的种类主要有：
❖ 等温 (Isothermal)法； ❖ 压力梯度 (Pressure gradient)法； ❖ 温度梯度(Thrmal gradient)法； ❖ 化学液气相沉积法（Chemical Liquid Vapour
碳纤维材料PPT优秀课件
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六、耐高温性能好
碳纤维在400℃以下性能非常稳定，甚至在1000℃时 仍无太大变化。复合材料耐高温性能主要取决于基体的耐 热性，树脂基复合材料其长期耐热性只达300℃左右，陶 瓷基、碳基和金属基的复合材料耐高温性能可与碳纤维本 身匹配。因此碳纤维复合材料作为耐高温材料广泛用于航 空航天工业。
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四、耐化学腐蚀性好
从碳纤维的成分可以看出，它几乎是纯碳，而碳又是 最稳定的元素之一。它除对强氧化酸以外，对酸、碱和有 机化学药品都很稳定，可以制成各种各样的化学防腐制品。 我国已从事这方面的应用研究，随着今后碳纤维的价格不 断降低，其应用范围会越来越广。
五、耐磨性好
碳纤维与金属对磨时，很少磨损，用碳纤维来取代石 棉制成高级的摩檫材料，已作为飞机和汽车的刹车片材料。
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碳纤维原丝企业
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就全球碳纤维产能来看，前 5大碳纤维生产企业市场 占有率达到 60%以上，其中 Toray 产能占比 18%
全球前 5 大碳纤维生产企业产能占比 61%
全球小丝束碳纤维行业集中度
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主要碳纤维企业产品领域
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碳纤维材料
碳纤维的分类
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碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、 沥青基 碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维
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根据丝束大小可分为： 大丝束 • 工业级 • 每束碳纤维的根数等于或大于 46000-48000根。 • 一般指48~480K • 价格便宜。
《碳碳复合材料简介》课件
高强度与高刚度
具有出色的强度和刚度，适用 于要求高强度和轻质化的领域。
良好的耐损性
具有优异的耐磨、耐热疲劳和 耐腐蚀性能。
碳碳复合材料的应用领域
1
航空航天
广泛应用于飞机结构、发动机部件和导弹热防护等领域。
2
能源工业
用于核电站中的炭碳复合材料管道和储罐，以及燃烧器等高温设备。
3
汽车工业
用于制造高性能汽车制动系统、排气系统和座椅结构。
碳碳复合材料的优势与局限性
优势
高温性能卓越，具有较高的强度和刚度。
局限性
制备工艺复杂，生产成本较高。
碳碳复合材料的发展趋势
随着技术的进步，碳碳复合材料将继续发展，更广泛地应用于航空航天、能 源、汽车等领域。同时，制备工艺将更加成熟，并不断降低生产成本。
结论和总结
碳碳复合材料具有独特的优点，是一种重要的高性能材料。它在航空航天、能源和汽车工业等领域发挥着重要 作用，并有着广阔的发展前景。
《碳碳复合材料简介》 PPT课件
碳碳复合材料是一种由碳纤维和炭素基体组成的高性能复合材料。它具有高 强度、高刚度、高温性能和优异的耐损性。
什么是碳碳复合材料
碳碳复合材料是一种由碳纤维和炭素基体组成的复合材料。碳纤维提供高强 度和高刚度，炭素基体则提供高温抗氧化性能。
碳碳复合材料的制备方法
1 化学气相沉积 (CVD)
通过化学反应在碳纤维表 面沉积炭素来制备碳碳复 合材料。
2 航空电弧加热法 (AIR) 3 热解石墨化 (HTI)
利用航空电弧对碳纤维进 行加热，使其与炭素基体 结合。
先将碳纤维石墨化，然后 与绿石墨和残余碳反应形 成碳碳复合材料。
碳碳复合材料的性质与特点
碳纤维复合材料在飞机上的应用
碳纤维复合材料在飞机上的应用1.碳纤维复合材料在飞机上广泛用于制造机身和机翼。
Carbon fiber composites are widely used in aircraft for manufacturing fuselage and wings.2.碳纤维复合材料具有轻量化和高强度的特性，能够减轻飞机的重量并增加其飞行性能。
Carbon fiber composites have the characteristics of lightweight and high strength, which can reduce the weight of the aircraft and increase its flight performance.3.碳纤维复合材料还具有优异的耐腐蚀性能，能够延长飞机的使用寿命。
Carbon fiber composites also have excellent corrosion resistance, which can prolong the service life of the aircraft.4.部分飞机结构采用碳纤维复合材料制造，能够提高飞机的整体刚性和稳定性。
Some aircraft structures are made of carbon fiber composites, which can improve the overall rigidity and stability of the aircraft.5.由于碳纤维复合材料的优异性能，飞机燃油消耗量减少，降低了运营成本。
Due to the excellent performance of carbon fiber composites, aircraft fuel consumption is reduced, which lowers the operating costs.6.碳纤维复合材料还能够提高飞机的动力性能，加速起飞和爬升过程。
碳纤维在航空领域的应用
碳纤维结构
理想的石墨点阵结构 属六方晶系，真实的 碳纤维结构属于乱层 石墨结构。
石墨的六方晶体结构
石墨层片
石墨微晶 乱层结构
石墨原纤 条带结构
碳纤维
一级结构单元
二级结构单元
三级结构单元
特性/性能——轻且强 轻质——密度 1.5∼2.1 g/cm3 高比强度——比绝大多数金属高7倍以上 高比模量——金属的5倍以上 拉伸强度在2.2Gpa以上 热膨胀系数小 导热性好，接近于钢铁——可作为太阳能集热 器材料、传热均匀的导热壳体材料。 • 耐高温，3000℃不融不软 • 耐强酸、强碱及强有机溶剂的浸蚀 • 耐磨性好——已做为飞机和汽车的刹车片 • • • • • •
碳纤维及其复合材料的成型制备技术
准备模具 碳纤维铺于模腔内 注入树脂胶液 固化 脱模
热缩工艺
碳纤维及其复合材料的成型制备技术
真空袋压成型
预浸料叠层和其他工艺辅 助材料组合在一起，构成
一个真空袋组合系统，在
热压罐中一定压力（包括 真空袋内的真空负压和袋
外正压）和温度下固化，
制成各种形状的制件。
碳纤维复合材料应用
碳纤维复合材料的成型
碳纤维复合材料 • 碳纤维可与树脂，塑料，陶瓷、玻璃、金属等 多种材料形成复合材料。 • 特点： 强度高，重量轻，刚性好，抗疲劳性能好 • 主要作为减重结构材料和烧蚀放热材料，应用 于航天航空，也广泛用于机械，如汽车工业、 体育用品及生物材料。
碳纤维复合材料的制备技术
RTM/RFI工艺 模压成型 缠绕成型 电子束固化成型 拉挤成型 真空袋压成型 化学气相沉淀法 静电纺丝法
碳纤维及其在航空：
提 纲
• 碳纤维的基本介绍
图文解说高性能碳纤维在航空领域的应用
图文解说高性能碳纤维在航空领域的应用1 碳纤维在飞机结构中应用飞机结构分为主要结构(primary structure，又称初级结构)和辅助结构（secondary structure，又称次级结构)两大类。
其中初级结构包含重要结构和其它主要结构。
重要结构指传递飞行、地面或者增压载荷的关键结构件或者关键结构组件，结构件一旦失效，将导致飞机灾难性事故。
次级结构仅传递局部气动载荷或者自身质量力载荷的结构，结构失效不影响结构持续适航性/飞行安全。
大多数次级结构主要作用为保证飞机气动外形、降低飞行。
飞机主要结构和辅助结构主要结构如图1所示。
图1 飞机初级、次级结构主要组成碳纤维在飞机结构件中首先是作为次级结构件应用，而且一般用量也不高，后续碳纤维性能稳定和提升，开始逐渐用于航空飞机的初级结构，碳纤维在飞机中初级、次级结构应用实例分别如图2、图3所示。
图2 碳纤维在飞机初级结构中应用图3 碳纤维在飞机次级结构中应用2 碳纤维复合材料在飞机领域用量碳纤维复合材料在军机应用比例逐渐增加（图4），如欧洲台风战机碳纤维复合材料用量已占总重50%左右。
碳纤维复合材料在军机应用转折点发生于上世纪70、80年代，由美国原麦道公司（现波音/Boeing）研发的F/A-18系列战机。
1976年原麦道公司率先研制了F/A-18的复合材料机翼，碳纤维复合材料的用量首次超过10%，后续通过进一步采用自动铺丝技术为FA-18E/F制造CFRP的12块机身蒙皮，10块进气管蒙皮，4块水平尾翼蒙皮，碳纤维复合材料用量也突破20%。
目前国外军机上碳纤维复合材料用量约占机重20%~50%。
图4 碳纤维复合材料在军机中用量目前碳纤维复合材料在波音787和空客A350商业民用飞机中用量也达到50%及以上（图5）。
在波音B787飞机中，碳纤维复合材料已广泛应用在机翼、机身、垂尾、平尾、机身地板梁、后承压框等部位。
波音787是全球首个同时采用碳纤维复合材料机翼和机身的大型商用客机。
碳纤维课件ppt
碳纤维的环保意义
05
与价值
减少对传统材料的依赖
01
碳纤维作为一种高性能材料，可 以替代部分传统金属材料，降低 对矿产资源的开采和加工需求， 从而减少对环境的破坏和污染。
02
碳纤维的制造过程相对环保，不 需要经过高温熔炼，可以减少能 源消耗和碳排放。
降低碳排放，助力碳中和目标
碳纤维的制造和使用过程中，碳排放 量相对较低，有助于实现碳中和目标 。
汽车工业领域
车身结构
碳纤维复合材料能够显著 减轻汽车重量，提高燃油 效率和性能，因此在车身 结构中广泛应用。
汽车零部件
碳纤维复合材料也用于制 造汽车零部件，如发动机 罩、车门、车顶等。
电动汽车电池组
碳纤维复合材料在电动汽 车电池组中作为结构材料 ，能够提高电池组的强度 和刚度。
体育器材领域
自行车
VS
建筑补强
碳纤维复合材料也用于对建筑结构进行加 固和补强，提高结构的承载能力和耐久性 。
其他领域
压力容器和管道
碳纤维复合材料在制造高压容器和管道中作为结构材料，能够承受高压力和温度。
电子设备
碳纤维在制造电子设备中也有广泛应用，如电路板、连接器和外壳等。
碳纤维的未来发展
04
与挑战
碳纤维的研发进展
影响因素：生产工艺对碳纤维的性能 有很大影响，如温度、压力、时间等 工艺参数都会影响碳纤维的结构和性 能。
碳纤维的性能优势
02
高强度与轻量化
总结词
碳纤维具有高强度和轻量化的特性，使其成为高性能材料的 重要选择。
详细描述
碳纤维是一种高性能纤维，其强度和刚度都非常高，能够承 受较大的压力和弯曲应力。同时，碳纤维的密度非常低，比 传统的金属材料轻得多，因此使用碳纤维可以大大减轻产品 的重量。
碳纤维复合材料在航空航天领域的应用
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。
1 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%。
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纤维增强复合材料在航天航空领域应用
戴福洪 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所
2011,08
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
HITCCM
提纲
• 引言 • 碳纤维复合材料在航天应用 • 碳纤维复合材料在航空应用 • 国产碳纤维复合材料应用基础研究进展 • 结语
HITCCM
引言 The Evolution of Composites
复合材料研究领域 1970-2000
2000-2010
纤维
高强/低成本
高性能有机纤维
树脂 复合材料力学
增韧/高温 材料/结构相互作用
RTM树脂 渐进损伤
耐久性
寿命预报
预埋器件
环境考虑 工艺与制造
湿热 非热压罐预浸料
烟毒 RTM净成型
HITCCM
引言
应用效益
➢ 大幅度减重 20％－30％
增加有效载荷 提升飞行器功能 增大航程、 降低油耗
➢ 可设计性
前掠翼、颤振、承力/隐身一体化
➢ 结构整体优化
翼身融合、整体成型减少零件数
➢ 降低全寿命成本
B787机体维护成本与B767相比大幅下降
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
应用
高效减重
复合材料机翼、机身
成本效益
降低全寿命成本
制造成本
设计方法
多尺度计算方法
虚拟设计与制造
验证
积木式方法
净成型结构验证
R. Byron Pipes ，ICCM-16
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
碳纤维复合材料在航天应用
HITCCM
HITCCM
• 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
舱门、口盖、整流罩、方向舵、 襟副翼、雷达罩、起落架舱门
第二阶段 承力大
（80年代初开始） 规模较大
尾翼(垂尾、平尾)、前机身段、机翼 F－14 硼/环氧复合材料平尾 F/A-18 机翼 用量13％ AV-8B 机翼和前机身 用量26%
第三阶段 受力复杂
（90年代末开始） 规模大
中机身段、中央翼盒 A380中央翼盒 用量25% B787 机身 用量50%
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
HITCCM
碳纤维复合材料在航空应用
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
HITCCM
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
HITCCM
引言 高比强高比模的碳纤维复合材料成为航空航天器用的 最重要结构材料之一
钢 钛合金 复合材料 铝合金
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
40% 30%
AV 8B
Euro Fighter B2
Rafale
Premier Horizon
F35 F/A 22
20%
F18CD
A-320
A-330 A-340
F18 E/F
A-380
10%
F15
Mirage
C17
0%
1970
1980
1990
2000
2010
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
高比强
先
飞
轻量化
进
机
高可靠
可设计
树
发
脂
展
长寿命
抗疲劳
基
目 标
复
高效能
耐腐蚀
合
结构/功能
多功能
材 料
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
HITCCM
国外航空复合材料发展历程
第一阶段 受载不大
（70年代初完成） 简单零部件
第四阶段 受力很大
（21世纪初开始） 代替钢结构
起落架用复合材料 F-16 起落架后撑杆 NH-90 直升机起落架
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
HITCCM用量发展情况60%源自50%UCAV 787
Composite Usage
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
HITCCM
动力系统
• 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，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T800 纤维，抗拉强度5.65Gpa、杨氏模量300GPa
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
HITCCM
导弹
• 导弹发射筒采用先进复合材料保守估计可降低 重量30%，对于提高地面生存能力至关重要， 同时，复合材料的耐环境腐蚀、耐疲劳性能优 异等特点，可以显著提高发射筒的重复使用寿 命，降低发射成本
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
HITCCM
卫星和空间站
• 高模量碳纤维质轻，刚性，尺寸稳定性和导热性好， 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