碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

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,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,铝合金,复合材料,钛合金,钢,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,引言,大幅度减重可设计性结构整体优化降低全寿命成本,2030,增加有效载荷提升飞行器功能增大航程、降低油耗,翼身融合、整体成型减少零件数,前掠翼、颤振、承力/隐身一体化,应用效益,B787机体维护成本与B767相比大幅下降,R.ByronPipes，ICCM-16,TheEvolutionofComposites,引言,碳纤维复合材料在航天应用,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,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,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,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T-800纤维，抗拉强度5.65Gpa、杨氏模量300GPa,碳纤维复合材料在航空应用,飞机发展目标,高比强,可设计,抗疲劳,多功能,耐腐蚀,先进树脂基复合材料,轻量化高可靠长寿命高效能结构/功能,国外航空复合材料发展历程,用量发展情况,飞机结构复合材料用量是飞机先进性的重要标志,F2225%,F3535%,EF200040%,F162%,军机应用,Tiger80%,直升机应用,V-2250%,无人机应用全球鹰（GlobalHawk）捕食者(Predator）暗星（DarkStar）先锋（Pioneer）搜索者（Searcher）,X-45C90%,Predator,民机应用A380,复合材料22%Glare3%铝61%钛和钢10%其他5%,机身结构,机翼结构,民机应用B787,机翼结构,中央翼盒,Boeing787第一个全尺寸复合材料机身段，长7m宽6m，减重20%,民机应用B787,2000年2020年（预测）,应用趋势复合材料成为飞机结构最为重要的基本材料,飞机机体结构材料,国产碳纤维复合材料应用基础研究,国产碳纤维复合材料航空结构应用标准,指导,高效可靠应用,支撑,改进提高,国产碳纤维,高效可靠应用,复合材料,性能转化,性能评价,稳定性逐步提高与进口碳纤维水平相当,第二阶段：2007年05月2008年02月,拉伸强度拉伸模量,第一阶段：2005年06月2007年04月,第三阶段：2008年03月2009年05月,碳纤维性能分散性的发展,CCF300单丝的综合力学性能测试,常规性能测试拉伸模量、拉伸强度、断裂延伸率综合力学性能测试碳纤维压缩强度碳纤维断裂韧性碳纤维单丝的拉伸性能碳纤维泊松比,CCF300,CCF300断裂截面,强度：1.34rH：1.56rH/c：4.2,结语,碳纤维及其复合材料行业面临良好的发展机