高晨 李广磊 游文彪
航天神舟飞行器有限公司 天津市 300450
摘要：碳纤维早在二十世纪五十年代就开始被应用在火箭上,在二十世纪八十年代高性能的复合材料的发展为碳纤维技术发展带来了新的革命碳纤维符合材料由于其比重小、刚性好和强度高的特点被广泛应用与航天领域。本文简单分析碳纤维复合材料在航空领域中的应用现状，提出在航空领域中扩大应用的改进。
关键词：碳纤维复合材料；航空领域；应用现状；改进
1、前言
随着我国经济的不断发展，科学技术也在不断的进步，对于传统原材料的更新也在不断加速，随着我国神十的成功飞行，让我们看到了在航天领域我国取得的瞩目成就，在成功的背后离不开我国航天工作者的辛勤劳动，更重要的是科研工作者对于新型材料的研究，碳纤维复合材料在航空航天中发挥了不可替代的作用。
2、航空领域中的应用现状
复合材料是除铝之外最重要的航空和航天材料。由于它们具有轻质的优点，在过去40年在民用飞机结构重量中所占的份额超过15%，在直升飞机和战斗机结构重量中所占的份额超过50%，同时广泛应用不同的航天设备中。
2.1碳纤维复合材料应用于飞机制造
空中客车公司和波音公司的新型客机的投产给碳纤维工业带来了显著的推动作用。空客A350中复合材料用量已接近机体总质量的53%，波音787使用的复合材料超过了50%。空客公司研制的世界最大民用客机A380，也更多地采用碳纤维材料，其中仅机身壁板采用碳纤维复合材料就达30多吨。我国国内飞机制造材料中碳纤维复合材料所占的比例也在不断提高。大型客机C919是先进材料首次在国产民机大规模应用，先进复合材料和第三代铝锂合金材料在C919机体结构用量分别达到12%和8.8%。我国第四代战斗机的各个零件设备中碳纤维复合材料所占比重就占24%左右，应用于机身和机翼的制造。由于国内研制的碳纤维复合材料耐高温性、抗疲劳性、阻燃性优异的特点，将碳纤维复合型材料用于对飞机前机身段、阻力板、机翼外翼、整流壁板等构件的建造，也用于制造飞机主承力构件。此外，碳纤维复合材料也逐渐的应用到飞机隐身上。由于碳纤维复合材料能够满足隐身材料所需要的薄、轻、频谱宽、耐冲击耐高温性好的特点，因此就将碳纤维复合材料作为飞机的隐身主要材料。用于飞机隐身的材料起始有多种碳纤维复合材料，后来由于技术的不断进步将这些隐身材料更新成为一种。碳纤维复合材料的应用使得原有的隐身技术规程减少一半以上，飞机的维修时间也大大缩小，使得飞机的隐身性能更加出色。将来的碳纤维复合材料对于飞机制造设备会有质的飞跃，从各方面提升飞机的性能。
2.2碳纤维复合材料在航空发动机的应用
由于碳纤维复合材料的耐高温性、密度小、强度高等的特性，将它应用于航天涡轮发动机上，将航空涡轮发动机推向非金属、复合材料的发动机的方向发展。航空发动机的冷却系统、发动机短舱和反推力装置的设备零件都有碳纤维复合材料的应用。因为这些零件需要比强度高、隔噪声强和耐腐蚀性强等苛刻的要求，而碳纤维复合材料这些方面都非常的出色，因此而被广泛应用于这些零件的制造上。在发动机的压气机叶片、盘、轴、机匣、传动杆等部件上，碳纤维复合材料由于密度小、刚度大、耐温性好等特点而被广泛的应用。陶瓷基复合材料由碳、硅以及氮等元素组成的复合材料，它具有耐高温、耐腐蚀和力学性能好等特点而被应用于发动机的喷嘴、涡轮的零部件等。碳纤维复合材料也被应用于火箭发动机上。火箭发动机对于材料的要求是非常严格的，火箭发动机工作条件恶劣，所以对其材料要求很高，必须具有高抗热震性以及抗氧化。新的碳纤维复合材料还在研究当中，会满足火箭发动机的各种高要求的碳纤维复合材料。新的碳纤维复合材料也被研究用作与固体火箭发动机结构承载问题。
2.3碳纤维复合材料在卫星和宇航器的应用
卫星质量的轻型化对于运载火箭的要求是非常重要的，所以卫星结构质量的轻型化是卫星最基本的要求。在将碳纤维复合材料取代铝材料后，卫星的质量较以前减少了30%左右，极大的节约了卫星发射的费用，碳纤维复合材料具有密度小、质量轻、强度高的优点，卫星本身结构质量的减少可以节约卫星发射时的燃料以及在运行时的费用。我国的“风云二号气象卫星”和“神州”系列飞船均采用了先进的碳纤维复合材料做主承力构件，很大程度上减少了卫星本身结构的质量，节约了发射成本。在卫星方面发达的国家就是因为采用新型碳纤维复合材料而使卫星的质量减轻10%。所以说碳纤维复合材料在卫星结构质量要求上有很大的优势。
3、碳纤维复合材料改进
3.1原材料技术的改进
基体和增强体这两个原材料技术是任何复合材料的发展基础与前提。碳纤维复合材料对于增强纤维技术是非常重要的。增强纤维不仅可以提高材料阻碍裂纹的扩展的能力，还可以为材料的基体分担外加应力。增强纤维就是要增强碳纤维的模量和强度，这两样的增强会给材料内部带来很大的好处，当局部纤维发生断裂时，高模量和高强度的纤维就会以某种形式消耗内部的部分能量，起到提高断裂能并克服脆性的效果。目前关于碳纤维的研究主要是要提高碳纤维的模量和强度，降低成本。对于高强高模纤维的碳纤维制造得通过控制微观结构缺陷、结晶取向、杂质和改善工艺条件，利用其它物质的纤维获得高模量高强度的纤维。碳纤维的压缩强度较低，离子注入技术可以改善纤维的压缩强度，但是这种工艺成本太高。因此得不断地研究，通过改进原材料技术来获取高模量高强度的碳纤维复合材料。
3.2低成本技术
由于碳纤维复合材料的优势明显，碳纤维复合材料的需求量在快速增长，但是碳纤维复合材料的高成本成为制约其广泛发展和使用的一个主要的问题。而提高碳纤维复合材料的性比价，降低其生产成本是必要的。降低成本包括原材料的生产、装配和维护这几个方面进行改善，最主要的还有要降低碳纤维富恶化材料的制造成本。低成本制备技术也是碳纤维复合材料低成本技术发展的一个必然趋势。对于大尺寸和复杂构件的制造可以用自动铺带技术和自动纤维铺放技术来实现高效而又低成本的生产，并且不仅降低生产制造工时还能最大的发挥材料的性能，不浪费材料。
电子束固化工艺是目前最有发展前景降低成本的技术，也是目前研究最多的技术。该工艺有很多的优点，固化温度低、耗能低、模具材质要求不高是其最突出的优点。该技术在固化过程中所需时间短、效率高、环境污染小，还能与多种自动化工艺相结合。改进后的纤维缠绕和多维编织技术RTM和RFI工艺，智能化技术也是新兴复合材料低成本制造技术。
3.3新型复合材料的研究
向着超轻型材料与结构的方向不断研究，而格栅增强结构的概念的提出为碳纤维复合材料的研究提供了方向，要向着超轻型材料和结构不断发展，发掘这种材料的可设计性和优越的潜在性能。还可以向着纳米复合材料的方向发展，纳米碳纤维复合材料是有2种或者2多种固相至少在以纳米为单位计算的复合而成的碳纤维复合材料。纳米技术现在是科学研究的主要方向，纳米碳纤维复合材料也是先进碳纤维复合材料的代表，是先进复合材料技术研究的最前沿领域之一。纳米碳纤维复合材料主要包括纳米颗粒、纳米片层、纳米纤维和纳米管的增强型的复合材料。纳米碳纤维复合材料在航空航天领域具有广泛的应用前景。
4、结语
在全球化经济不断加速的今天,国与国之间的联系日益紧密,相互之间的技术交流和技术竞争也在不断加强。我国在碳纤维复合材料上的发展确定了举世瞩目的成就,但是在发展中也存在着一些问题,产品质量处于低层次,生产成本过高,能耗较大,环境污染大等,因此在日后的发展中一定要高瞻远瞩,制定好长期的发展规划,才能更好促进产业的更新研究。
参考文献
[1]特约记者.顾定槐;院士寄望碳纤维复合材料有突破[N].中国化工报,2010.
[2]美联社/吴汉兴译.美国研制出单人电动隐形飞机[N].北京科技报,2010.