碳纤维复合材料在航空航天领域相关发展

航天领域碳纤维复合材料发展分析我们分为航空和宇宙两个方面，稍微介绍一下CFRP应用程序。这个的很多技术术语在前面的文章中介绍。拿那些屁再读一遍，会觉得不那么陌生。因知道前因后果，更觉所谓门外汉看热闹，内门。对于应用程序，海外的数据虽然都爆炸了，但对国内产品公开的信息并不多，所以无机光只能有限地告诉你。只有一个小菜所有国内资料来自网络官方报道和公开出版物，表明了相关来源。罐子的目的，第一个是学习，第二个是分享，第三个是科普。一、航空方面的CFRP应用产业界普遍认为，碳纤维复合材料在军用航空中的应用主要分为3个阶段(4个阶段的差异也不大)。民机对安全性、经济性、可靠性的要求高于军机，因此在应用方面更加保守、推迟，但大体上遵循了军机的步伐。在这里一起介绍。第一阶段非轴承结构：20世纪60-70年代：1公斤的CFRP可代替3公斤的铝合金，性能符合要求，因此也开始用于门、前、嘴盖、配对等尺寸较小的零件。在民营机器的情况下，除了这个应用程序外，飞机上的很多室内装饰也使用了复合材料。其中有很多芳纶或玻璃纤维增强材料，这里没有详细说明。国内：从难度来看，非轴承结构是航空材料的小外壳，但适用面最广。国内已经没有技术上的大障碍，基本上达到了与海外相似的水平，需要的是大规模的普及。我相信，ARJ21、C919、运输20等大型平台和众多无人机小型平台定型后，可以为此提供庞大的应用空间。这些典型应用程序大部分是低成本的大型线束产品，已经足够了。T300以上的产品贵得离谱，好钢用于刀刃，所以大部分用于轴承结构。第二阶段次承付款结构：20世纪70-80年代：随着机械性能的改善和电气应用效果的提高，CFRP逐渐扩展到飞机的下部承付款结构，即垂直尾部、鸭翼、辅助皮瓣舵面等力大、尺寸大的部件。其中，1971年美国F-14战斗机成功地将纤维增强环氧复合材料应用于扁平尾部，是复合材料历史上的里程碑。波音B777还将CFRP应用于垂直尾部、平尾等多个部件，共享复合9.9吨，占结构总重量的11%。国内：中国将CFRP用于军用飞机的方向舵和机翼也已经开始成熟。沈阳飞机设计所、航空材料研究所、沈阳飞机工厂根据玻璃钢等杂志的公开报道，与现有铝合金结构相比，重量减轻21公斤，体重减少30%的战斗机复合垂直壁板共同开发。北京航空工艺研究所开发和生产的QY 8911/ht3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸材料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼稳定面、机翼外翼、电阻板、整流器壁板等。战斗机7-A战斗机使用CFRP平尾。在2009年建国60周年国防成就展上，全列10报道说，鸭翼、尾翼、衣领、福利鳍等7个方向舵面和徽章鳍都采用了CFRP材料，这几乎与海外这一阶段的发展水平相当。在2011年通用航空大赛上，即将定型的猎鹰L15高等教育气道也使用木料的头罩、方向舵、垂直尾部，方向舵面是CFRP。在民用飞机上，ARJ21新型支线飞机的复合材料技术水平大体上达到了这个水平，相当于打开了头。但是大规模应用可能需要时间。图1中国的一个模型是基于“”接头盒结构的CFRP垂直稳定面图2:猎鹰L15使用由T300CFRP材质创建的稳定器方向舵曲面国内CFRP子轴承组件的广泛应用与T300生产过程密切相关。材料的国产化、扩大产量和低廉的价格分别为CFRP子轴承零件的应用提供了可能性、适用性和经济性。最终，将CFRP子力部件作为国产军民飞机的标准。这一阶段的材料和工艺都可以通过T300和手工包装工艺实现，因此以后的开发比较确定。但是如果有更大、更大的力，主轴承结构将随之而来。第三阶段，从20世纪80年代到现在，随着高性能碳纤维和预浸式热压罐整体成型工艺的成熟，CFRP逐渐进入了机翼、机身等力大、尺寸大的主轴承结构。美国原装销售飞机于1976年首次开发出F/A-18的复合机翼，复合材料的使用量增加到13%，成为复合材料历史上的另一个重要里程碑。后来，他们使用了自动包装技术，为FA-18E/F创建了12个机身蒙皮、10个进气机构蒙皮和4个水平尾翼蒙皮。F16战斗机BLOCK50后也开始采用CRPR复合机翼。F22战斗机的复合材料用量增加到结构重量的22%。现在西方国家军机的复合材料使用量约占机器结构总重量的20%到50%。在民用飞机上，波音777号以自动包装技术制造了所有复合尾翼、机翼和机翼箱部件。空中客车A330/A340飞机长9米，宽2米，重量200公斤的大型皮肤壁板。A380的后部机身所有蒙皮壁板的19个分段，机身重量的22%为CFRP。特别是A380的8*7*2.4米中央附楼重量为8.8吨，CFRP使用5.5吨，比金属材料减少了1.5吨左右，燃料经济性相当高。这方面的先驱是波音公司的B787“梦想”飞机，复合材料适用率为50%。CFRP广泛用于机翼、机身、垂直尾部、机身底板梁、后部压力箱等，CFRP是第一款同时采用CFRP复合机翼和机身的大型商用客机中23%采用自动布线机制的CFRP材料。最关心的是机身：787机身工艺是通过直径5.8米的成型框架沿长轴旋转，先铺上长枷，再铺上皮革，形成由光滑外形厚度和恭敬长度构成的机身段，然后通过热压桶凝固，再去除模具。您可以使用数百个蒙皮壁板、加强筋和檩条以及数千个紧固件来替代构建机身的过程，如下图所示。图3:波音787直径5.8米整体CFRP框架段在研发方面，波音公司的X-45系列飞机复合材料使用量超过90%，诺斯罗普格曼的X-47系列飞机基本上也是全复合飞机。看到波音的CFRP主轴承结构产品，武器迷们想问哪些网友，美国是产业中途退出，只剩下金融和房地产。别人接受安史病危、谦虚的自我毁灭的几句话，完全按照我们刚进入工业化不久的照片进行主观放大，不足以作为落伍者的根据。国内方面据中广网公开报道，2012年12月，中航产业西飞向中国商用飞机(中国商飞)传达了C919大型客机中央机翼、襟翼、运动机关部。这是C919大型客机7大区间中最困难、工作量最大的两个部分。这两个部门大小大，结构复杂，外形公差要求高。特别是国内民机最大尺寸最大15米的襟翼加工，技术困难很大。Xifei突破了复合材料大型成型模具设计和制造技术、复合零件预装配变形控制技术等多个技术难关，开发全过程全部采用先进的三维数字设计、传递和制造，中央翼段1号筋是金属零件除外，全部采用先进的冲模高强度碳纤维/增强环氧树脂复合材料制造。在国内，将复合材料用于固定翼飞机最重要的主轴承结构，这是中国制造的碳纤维航空复合材料应用最高水平的第一次。图4在国内根据t型接头同时硬化/粘合成型工艺开发的箱体零件。图5使用CFRP制作的国内模型垂直和水平加强机身壁板。图5的产品仍然很小，需要加工多块以形成大型上浆。波音787可以成型复盖两个大型工艺分离面(核心大型机段)之间的超长超宽壁板，例如5.8m7m的47段和4.3m4.6m的48段CFRP壁板。还能制造786这样的大规模壁板吗？答案是：是的。这双眼睛是。为什么不需要？国内C919对比行在初期也有成为像波音787这样的大型整体壁板的野心。但是我们的工艺水平可以达到不成熟的程度，但不能控制批次质量的稳定性。高品率高，费用自然不来。C919不是常备、技术验证机，安全和经济都是一票否决，不管考虑了多久都放弃了。仍然使用分割缝缝合。其他强烈的意图，也是无奈。为了学习CFRP大型零部件整体成型的新技术、新技术，hafei复合公司与外国合作伙伴合作开发C919的零部件。下图6显示，参与制造的C919气候框架从2.4米长过渡到直径2米到1.2米，一个整体成型是目前国内联合显示的最大规模的CFRP零件。请参阅图6图6: c919尾76-81帧的CFRP整体框架段CFRP主轴承结构部件、高性能军用碳纤维生产(如T700、T800)以及对大型复合材料整体成型技术的要求更高。国内在这两方面都有短板或空白。因此，大多数应用程序都是导航、合作和阶段性的。主力结构CFRP不能在短期内大规模应用。对此的正确态度是学习和习习。中国人有差异，不怕。我们学习，我们追逐，有一天我们像警察一样超过。害怕的是妄想和夜郎自大这两个极端的心。这种思维方式离事实很远。距离成功，它无限远。完成CFRP第3阶段应用程序介绍后，我们再看一下直升机、旋转机、风扇刀片等高级复合材料(包括CFRP)的使用量要高得多。像V-22鹰式倾翼一样，50%的结构共享机身、机翼、尾翼、旋转机构等复合材料3000公斤以上，大部分是CFRP。V-22的整个后部机身最初由9个手动包装的壁板组件组成，然后改为自动钢丝工艺整体成型，紧固件34%，工作时间53%，废弃物90%减少。自动导线放置技术也适用于坦克、转子配对、主起落架门。已卸载的科曼奇(RAH- 66)有50%的复合材料，欧洲最新批次“老虎”式武装直升机结构部件的复合材料80%接近整体木结构。国内方面：2011年国际通用航空会议上表示，我国与法国新加坡一起开发的轻型直升机EC120的机身、垂直尾翼、水平稳定面、尾翼、前机舱等结构是用CFRP等复合材料制造的。近年来，所有国内直升机旋翼都经过CFRP双材料叶片的多维编辑，金属旋翼桨叶被完全移除。报道：复载叶片和尖端旋翼飞行器已经在中国直升机整体的短板下取得了不可小视的优势，水平几乎与海外相当的全歼20、无职10、辽宁号这种平台类的突破，当然也很高兴，但是在直升机叶片等长期困境下取得了一些进展，也很令人感动。因为说到叶子，唠叨两个航空涡轮风扇引擎。飞机风扇叶片大部分使用钛合金。金属叶片的一个弱点是振动衰减性能下降，高速旋转时不易抖动和衰减。而且，如果叶片本身已经有小裂纹，在这种持续的颤动中，向内的裂纹迅速膨胀，可能导致叶片在很短的时间内破裂。这是比共振更危险的振动现象。因此，一些风扇在每个刀片的两侧添加凸台，用“凸肩”的行话。建国60周年空军成就展表示，以这样的肩膀在11系列AL31FN和WS-10A引擎入口(见下图)。这样，当叶片全部高速旋转时，每个轴肩形状用加强环连接，从而增加叶片刚度。然后，刀片将前面的刀片分别叠加在“顶部”，有效减少阻尼振动。但是，这样做的结果是，单肩包在提高叶片厚度和重量的同时，增加叶片数，降低了发动机的传动比。图7: 10引擎进气口的肩部(红色圆圈)CFRP材料制成的风扇叶片具有多层纤维交叉，因此材料本身的“各向异性”性能优秀，裂纹扩展速度慢，振动衰减速度比钛合金快5-6倍，可以去除刀片肩部。据2010年珠海航展报道，GE和法国斯耐克玛为C919大飞行共同开发的引擎LEAP-X使用CFRP三维碳纤维编织面料整体成型的风扇刀片，重量减少了50%，刀片数量也减少了一半。国内引擎风扇叶片，目前只看到涡轮桨发动机的复合叶片，还没有报道实际涡轮风扇引擎使用CFRP。在2012年珠海航展上，CJ-1000A引擎是中国第一款商用涡轮风扇航空引擎研究产品，据悉采用CFRP宽码复合弯曲风扇刀片。我们等着瞧吧。在2011年的中国国际通用航空会议上，“弩”和“风之日”等无人飞机多种使用了CFRP材料、V750无人直升机、小型通用航空2机，甚至CFPR蒙皮，可以将国内碳纤维复合材料视为在通用航空领域有用的尝试。航空完了，我们再远一点看宇宙吧。二、航天CFRP应用犀角和机翼：洲际导弹，飞船高速进入大气层时，由于绝热压缩空气的阻力，飞机表面的温度很高。美国阿波罗飞船指挥室表面的最高温度达2740 。使用属于CFRP系列的碳纤维增强复合材料CFRC(也称为碳/碳复合材料)制作切削材料，热力学强，散热效果好。美国的碳/碳复合材料在高温下，在3837 到255秒的绳子去除率仅为0.005毫米/秒，使航天飞机在1650 环境下连续40分钟安然无恙。并且碳/碳复合材料用于制造洲际弹道导弹的犀角和翼尖，在切削过程中产生低切削速度、均匀切削和切削对称。飞机保持良好的气动外形，比喻也有助于减少误差，美国民兵-III导弹采用碳/碳复载鼻孔。喷嘴颈部内衬：固体火箭发动机推进剂燃烧时产生的高温高压和高能粒子从喷嘴喷射到3.0 4.5马赫的超音速，喷嘴可以承受3 500的高温、5 15 MPa的压力和高温精炼。据说，美国民兵-III导弹、第三极火箭喷嘴喉部使用碳布浸渍树脂满足了在3260 到60秒内工作的需求。MX弹道导弹第三级引擎的喷嘴主要部分(外部封口前面、整个喉衬入口和颈部下游段)使用CFRC。固定材料和柔性接头隔热材料用三元乙丙橡胶(epom)填充了碳纤维。海军三叉戟型(D-5)的主、次发动机采用了CFRC。发动机罩：导弹发动机罩的减重有助于改善导弹射程。美国“北极星”导弹的坚固发动机外壳由金属材料到CFR