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碳纤维复合材料在无人机领域的潜力有多大?


碳纤维复合资料是出产飞机的重要资料。特别是在无人战斗机和直升机上,碳纤维复合资料运用于战机主结构、次结构件和战机特别部位的特种功用部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合资料运用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了显着的减重效果,大大提高了抗疲惫、耐腐蚀等功用。
 
碳纤维应宇航工业对耐烧蚀和轻质高强资料的迫切需求开展起来,它首要是由碳元素组成的一种特种纤维,是继玻璃纤维之后呈现的第二代纤维增强复合资料。碳纤维的含碳量在90%以上,具有优异的力学功用,与其它高功用纤维比较具有最高比强度和最高比模量。在2000℃以上高温慵懒环境中,碳纤维是仅有的一种强度不下降的物质,更可贵的是,碳纤维与其它资料具有很高的相容性,兼备纺织纤维的柔软可加工性,并且简单复合,具有很大的规划自由度。这就使得碳纤维成为纤维增强资料中开展最敏捷、运用规模很广、适于不同范畴要求的纤维资料。
 
碳纤维的首要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,制成结构资料。自玻璃纤维与有机树脂复合得到的玻璃钢面世以来,碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合资料相继研制成功,并且功用不断得到改善,使复合资料范畴呈现出一派生气勃勃。碳纤维复合资料与铝合金、钛合金、合金钢一同成为飞机机体的四大先进结构资料。
 
据了解,现在全球碳纤维产能约3.5万吨,我国商场年需求量6500吨左右,属于碳纤维消费大国。2007年,我国碳纤维产能仅200吨左右,并且首要是低功用产品。由于短少具有自主知识产权的技能支撑,现在国内企业没有掌握完好的碳纤维中心关键技能。这就使得我国碳纤维在质量、技能和出产规模等方面均与国外存在很大距离,绝大部分高功用增强资料都长期依靠进口,价格十分贵重,比方标准型T300商场价格曾高达4000~5000元/千克。由于缺少立异与集成和运用范畴的拓宽,极大地制约了我国碳纤维复合资料工业的开展。
 
近几年,国家重点支撑碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维及其高功用复合资料的出产技能及关键配备的产业化项目,以满意国民经济以及航空航天等高技能产业开展的需求。
 
碳纤维复合资料因其共同、杰出的功用,在航空范畴特别是飞机制造业中运用广泛。计算显现,现在,碳纤维复合资料在小型商务飞机和直升飞机上的运用量已占70%~80%,在军用飞机上占30%~45%,在大型客机上占35%~50%。
 
碳纤维增强树脂基复合资料(CFRP)具有质量轻等一系列杰出的功用,在对分量、刚度、疲惫特性等有严格要求的范畴以及要求高温、化学安稳性高的场合,碳纤维复合资料都具有很大优势。
 
碳纤维增强树脂基复合资料已成为出产武器配备的重要资料。在战斗机和直升机上,碳纤维复合资料运用于战机主结构、次结构件和战机特别部位的特种功用部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合资料运用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了显着的减重效果,大大提高了抗疲惫、耐腐蚀等功用。数据显现选用复合资料结构的前机身段,可比金属结构减轻质量31.5%,削减零件61.5%,削减紧固件61.3%;复合资料笔直安靖面可减轻质量32.24%。用军机战术技能功用的重要目标――结构分量系数来衡量,国外第四代军机的结构分量系数已到达27~28%。以F-22型机为例,复合资料用量份额需求为35%左右,其间碳纤维复合资料将成为主体资料。美国军用飞机AV—8B改型“鹞”式飞机其机翼、前机身都用了石墨环氧大型部件,全机所用碳纤维的分量约占飞机结构总分量的26%,使整机减重9%,有效载荷比AV—8A飞机增加了一倍。
 
碳/碳复合资料是以碳纤维及其制品作为增强资料的复合资料。由于它的组成元素只要一个(即碳元素),因而碳/碳复合资料具有许多碳和石墨资料的长处,如密度低(石墨的理论密度为2.3g/cm3)和优异的热功用,即高的热导率、低热膨胀系数,能接受极高的温度和极大的热加速率,有极强的抗热冲击,在高温文超高温环境下具有高强度、高模量和高化学慵懒。凭借着轻质难熔的优秀特性,碳纤维增强基体的(C/C)复合冲突资料在航空航天工业中得到了广泛运用。航天飞机轨迹的鼻锥和机翼前缘资料,都会优先选用碳/碳复合资料。别的还很多用作高超音速飞机的刹车片,现在,国际上大多数军用和民用干线飞机采均用碳纤维增强基体的复合资料刹车副。这种刹车副不只质量轻、抗热冲击性好、冲突系数安稳、运用寿命长,更为便利的是可规划性强,功用便于调理。还可制作发热元件和机械紧固件、涡轮发动机叶片和内燃机活塞等。
 
现在在无人机上运用的最多的碳纤维复合资料类型是碳板和碳管。其间以优质的石墨碳素资料增强耐酸性极强的有机复合物构成的石墨碳板功用最为优异。经高压成型、真空浸渍、高温热处理工艺精制而成,具有非凡的耐酸和耐温功用,是无人机上首要承力构件的首选资料,如主承力框、主承力梁。碳纳米管的结构尽管与高分子资料的结构类似,但其结构却比高分子资料安稳得多。碳纳米管是现在可制备出的具有最高比强度的资料。若将以其他工程资料为基体与碳纳米管制成复合资料可使复合资料表现出杰出的强度、弹性、抗疲惫性及各向同性,给复合资料的功用带来极大的改善。现在碳纳米管首要运用于无人机上的主承力框梁之间的衔接、支撑效果,一起还有很好的承载效果。,
 
高密度石墨碳板具有许多优异功用,如1、优秀的耐磨功用:制品选用了优质的石墨碳素资料,有效地降低了制品的气孔率,提高了制品的体积密度,因而其具有优异的耐磨功用。2、功用安稳,耐久功用强:该制品选用石墨碳素资料结合高强有机胶作结合剂,一起引进高新技能添加剂,因而制品强度大,耐磨功用好,结构极为安稳,随温度改动制品结构不发生改动。3、外形尺寸准确:选用模压成型,制品成型质量好,外形尺寸准确,并能按用户要求出产特异制品,能充沛满意施工砌筑工艺要求。4、优异的力学功用:高强度碳板具有碳纤维复合资料相同乃至更好的力学功用。其间高功用碳板运用很多的美国赫克里斯公司出产的IM-7碳纤维抗拉强度到达5.3GPa的,而功用最高的东丽T-800纤维,抗拉强度5.65Gpa、杨氏模量300GPa。
 
首要由T300级和T700级小丝束碳纤维增强的碳纳米管具有高模量、高强度。碳纳米管的莫斯科大学的研究人员曾将碳纳米管置于1011MPa的水压下(适当于水下10000米深的压强),由于巨大的压力,碳纳米管被压扁。撤去压力后,碳纳米管像绷簧一样当即康复了形状,表现出杰出的耐性。此外,碳纳米管的熔点抗拉强度到达50~200GPa,是钢的100倍,密度却只要钢的1/6,至少比惯例石墨纤维柔耐性,能够拉伸。现在在工业上常用的增强型纤维中,决议强度的一个关键因素是长径比,即长度和直径之比。现在资料工程师期望得到的长径比至少是20:1,而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上,是抱负的高强度纤维资料。碳纳米管具有杰出的力学硬度与金刚石适当,却具有杰出的功用,CNT高一个数量级;它的弹性模量可达1TPa,与金刚石的弹性模量适当,约为钢的5倍。关于具有抱负结构的单层壁的碳纳米管,其抗拉强度约800GPa。是现在已知资料中最高的。
 
碳纤维复合资料的密度大概在1.8~2.1g/cm3,而一般铝型材的密度大概在2.7~2.8g/cm3,钢材的密度大概在7.75~8.0g/cm3,因而运用碳纤维复合资料极大地减轻了无人机的分量,在平等起飞要求载荷的条件下,减轻分量就意味着延伸飞行时刻或许加大使命载荷,这关于无人机范畴的开展是最大的引诱。
 
碳纤维复合资料一起还具有其他复合资料的优势功用,如杂乱形状、杂乱曲面等均可成型,复合资料易保护、易修补等。归纳上述,碳纤维复合资料制品满意无人机范畴分量轻、功用好的运用条件。
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