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        碳纖維及其復(fù)合材料

        2020-12-10 07:51:58
        硅酸鹽通報(bào) 2020年11期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)件空客模量

        加速、滑行、拉桿、離地、飛入云霄——2017年5月5日,C919成功首飛。為減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量,C919中型客機(jī)采用大比例先進(jìn)金屬材料和復(fù)合材料,其中復(fù)合材料占比20%。

        圖1 C919中型客機(jī)

        先進(jìn)復(fù)合材料專指可用于主承力結(jié)構(gòu)或次承力結(jié)構(gòu),其剛度和強(qiáng)度相當(dāng)于或超過鋁合金的復(fù)合材料。從技術(shù)成熟程度與應(yīng)用范圍來看,碳纖維復(fù)合材料,尤其是樹脂基碳纖維復(fù)合材料最為突出。其性能特點(diǎn)如下:

        (1)高比強(qiáng)度和比模量,相當(dāng)于傳統(tǒng)材料的4~5倍;

        (2)各向異性和可設(shè)計(jì)性良好;

        (3)抗疲勞特性良好;

        (4)由于層面吸能和夾層結(jié)構(gòu),減振性良好;

        (5)易于大面積整體成型。

        碳纖維是含碳量在90%以上的高強(qiáng)度高模量纖維。耐高溫居所有化纖之首,同時(shí)具有抗摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性,外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物,由于其石墨微晶結(jié)構(gòu)沿纖維軸擇優(yōu)取向,因此沿纖維軸方向有很高的強(qiáng)度和模量。

        20世紀(jì)50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要加之前驅(qū)纖維炭化工藝的出現(xiàn)使得碳纖維工業(yè)化成為現(xiàn)實(shí)。隨著尖端技術(shù)對(duì)新材料性能要求的日益苛刻,科技工作者在碳纖維生產(chǎn)技術(shù)上不斷攀升,80年代初期,高性能及超高性能的碳纖維相繼出現(xiàn)。

        碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料,由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料,尤其是民用飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料用量在近幾十年的增長(zhǎng)速度十分迅速,從1980年,波音公司B757、B767復(fù)合材料用量占比4%,發(fā)展到1993年空客A340復(fù)合材料用量占比14%,再到目前,空客公司A350復(fù)合材料占比已達(dá)到52%。碳纖維復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的用途不僅是作為飛機(jī)制造的基礎(chǔ)材料更重要的是作為結(jié)構(gòu)件。以波音787為例,碳纖維復(fù)合材料用作裝飾件的占比為30%,用作結(jié)構(gòu)件的占比為70%,其使用涉及整個(gè)機(jī)身、機(jī)翼、垂尾、艙門等重要結(jié)構(gòu)。

        圖2 碳纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)件應(yīng)用

        除了航空航天領(lǐng)域,碳纖維及其復(fù)合材料還走進(jìn)了人們的生活,體育器械、紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等處處可見其身影。我們?nèi)粘蕵肥褂玫挠鹈蚺?、釣魚竿、游艇,出行使用自行車、高端汽車、F1賽車,生產(chǎn)使用的驅(qū)動(dòng)軸、工業(yè)機(jī)器人,醫(yī)學(xué)上的牙體修復(fù)、再生醫(yī)療和創(chuàng)傷治愈、骨骼修復(fù)材料等碳纖維及其復(fù)合材料不斷發(fā)展,更加貼近人們的日常需求。

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