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1、碳纤维材料航空领域应用 主讲人王姗 1 2 概述 碳纤维 carbonfiber 简称CF 是一种含碳量在95 以上的高强度 高模量纤维的新型纤维材料 它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成 经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料 3 工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈 PAN 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 碳纤维 PAN原丝制备 预氧化 碳化 石墨化 表面处理 卷取 4 世界碳纤维产量达到每年4万吨以上 世界主要是日本美国德国以及韩国等少数国家掌握了碳纤维生产的核心技术 并且有规模化大生产 5 中国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代80
2、年代开始研究高强型碳纤维21世纪以来发展较快 安徽率先引进了500吨每年原丝 200吨每年PAN基碳纤维 使中国碳纤维工业进入了产业化2011年中国碳纤维市场规模达到6811吨 技术的落后直接导致中国碳纤维产品质量与进口产品之间的明显差距中国碳纤维产品在应用上集中于低端领域 在碳纤维质量要求较高的航空航天领域的应用比例仅为3 6 结构 碳纤维的微观结构类似人造石墨的乱层石墨结构 各层面间的间距约为3 39A到3 42A 各平行层面间的各个碳原子 排列不如石墨那样规整 层与层之间靠范德华连接在一起 通常也把碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成 7 性能 强度 弹性模量高 其强度比钢大4 5
3、倍密度小 质量轻碳纤维的密度为1 5 2g cm3 相当于钢密度的1 4热膨胀系数小 导热率随温度升高而下降 耐骤冷 急热 摩擦系数小 并具有润滑性导电性好耐高温 非氧化条件 和低温性好耐酸性好 耐油 抗辐射 8 CF拉伸强度约为2到7GPa 拉伸模量约为200到700GPa 1GPa就等同于10000个大气压 CF具有极好的纤度 纤度的表示法之一是9000米长纤维的克数 一般仅约为19克碳纤维比钢坚硬 比头发还轻软 9 碳纤维之所以具有如此高的强度 目前普遍认为是由于碳原子排列很整齐所致 纤维越细其相对强度也越大 这是因为细纤维上的缺陷少 增大层状结构的面积 并把它们像层层地叠加起来 可以提
4、高纤维的硬度模数 10 碳纤维的主要用途是与树脂 金属 陶瓷等基体复合 制成结构材料简称碳纤维复合材料碳纤维复合材料在密度 刚度 重量 疲劳特性等有严格要求的领域 在要求高温 化学稳定性高的场合都颇具优势 应用 11 美国阿波罗飞船指挥舱表面的最高温度达2740 利用CFRP系列中的分支 碳 碳复合材料制成烧蚀材料 热力学性能优异 防热效果好 12 我国的第一颗实用通信卫星应用了碳纤维 环氧复合材料抛物面大线系统第一颗太阳同步轨道 风云一号 气象卫星采用了多折迭式碳纤维复合材料刚性太阳电池阵结构2011年发射的嫦娥二号探月卫星 其定向天线的重要支撑部分 定向天线展开臂 13 树脂基碳纤维复合材
5、料应用在火箭的排气锥体 发动机的盖 壳体 整流罩等部位 14 树脂基碳纤维复合材料由于具有密度小比强度高和耐高温等固有特性在航空涡轮发动机上应用的范围越来越广 15 碳化硅纤维增强的钛基复合材料在压气机叶片 整体叶环 盘 轴 机匣 传动杆等部件上已经得到了广泛应用 16 陶瓷基复合碳纤维材料已经开始应用于发动机高温静止部件 如喷嘴 火焰稳定器 并正在尝试应用于燃烧室火焰筒 涡轮转子叶片 涡轮导流叶片等部件上 17 波音公司的B787飞机 复合材料应用率50 CFRP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 18 中国自行研制的碳纤维复合材料刹车预制件性能达到国际水平 采用这一预制件技术所制备的的国产碳和碳刹车盘已批量装备于国防重点型号的军用飞机 并在B757型民航飞机上使用 19 谢谢 20
