碳纖維復(fù)合材料在航模飛機(jī)上的應(yīng)用

馮博

摘 要：介紹了碳纖維復(fù)合材料在性能上的優(yōu)點(diǎn)，通過介紹碳纖維復(fù)合材料在飛行器上的應(yīng)用來說明其在航模飛機(jī)上使用的可行性，分析了碳纖維復(fù)合材料目前在我國的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；航空；航模；應(yīng)用

一、引言

上世紀(jì)中葉一種新型的結(jié)構(gòu)材料被人們開發(fā)出來——碳纖維復(fù)合材料，近年來，世界各國的越發(fā)重視碳纖維復(fù)合材料的相關(guān)研發(fā)和推廣，許多國家更是將其作為重點(diǎn)發(fā)展對象。

二、碳纖維的崛起

繼玻璃纖維之后出現(xiàn)，又一代纖維增強(qiáng)塑料問世，這便是碳元素組成一種特種纖維，碳纖維。由于宇航工業(yè)飛快發(fā)展，而宇航工業(yè)極度需求輕質(zhì)高強(qiáng)和耐燒的材料，所以碳纖維迅速發(fā)展。碳纖維的含碳量極高，碳纖維的最高比模量和最高比強(qiáng)度是其他高性能纖維無法比擬的力學(xué)性質(zhì)。在保持強(qiáng)度不變的情況下，只有碳纖維能夠耐2000℃以上高溫惰性環(huán)境。

碳纖維容易加工、相容性高、易復(fù)合、自由度大，還擁有多種其他材料不具備的性質(zhì)。因此適用更多的方面，發(fā)展比其他材料更加迅速。

三、碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域大量應(yīng)用以及航模對其的需求

飛機(jī)制造業(yè)看重了碳纖復(fù)合維材料的優(yōu)越性能，于是大量使用碳纖復(fù)合維材料。小型商務(wù)飛機(jī)、直升飛機(jī)、軍用飛機(jī)、大型客機(jī)等都大量使用碳纖復(fù)合維材料，尤其小型商務(wù)飛機(jī)、直升飛機(jī)使用最多。作為體積相對較小航模飛機(jī)，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料無疑是絕佳的選擇。

（一）樹脂基碳纖維復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）是碳纖維的一種，由于其突出的質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、持久性強(qiáng)、耐高溫、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等性能而應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

武器裝備的生產(chǎn)如今也大量使用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。美國軍用AV—8B改型“鷂”式飛機(jī)，總重量的26%都是使用了碳纖維，石墨環(huán)氧大型部件的機(jī)翼、前機(jī)身使整機(jī)減重9%，有效載荷是AV—8A的兩倍。前機(jī)身段由于使用了CFRP，比原來金屬結(jié)構(gòu)減重32.24%。未來碳纖維復(fù)合材料將成為F-22為目標(biāo)的背景機(jī)中35%復(fù)合材料的主要材料，結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化已經(jīng)在國外的一些輕型飛機(jī)和無人駕駛飛機(jī)實(shí)現(xiàn)。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料越來越多的應(yīng)用到了直升飛機(jī)上。在2007年上海合作組織在俄羅斯反恐軍演上直-9型直升飛機(jī)在各國觀眾面前亮相，駐港部隊(duì)武裝的正是我國先進(jìn)的直-9型直升飛機(jī)。以CFRP為主體的有機(jī)復(fù)合材料占直-9型直升飛機(jī)總重的60%。此外，日本完全用CFRP制造了OH-1“忍者”直升飛機(jī)的槳葉，而且機(jī)身上也使用了40%的CFRP。在民用方面，A380創(chuàng)造了飛行歷史上的奇跡，正是由于A380大量使用了CFRP，這種世界上最大的飛機(jī)中四分之一的重量是復(fù)合材料，而碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）更是占了22%。由于CFRP明顯的質(zhì)量輕、抗腐蝕、抗疲勞等優(yōu)良特性，直接降低了油耗和排放。從而使得A380擁有無與倫比的市場競爭力。

將碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）應(yīng)用于航模飛機(jī)的機(jī)翼和機(jī)體，可以降低航模飛機(jī)40%的質(zhì)量，從而極大的提高同型號航模飛機(jī)的爬升高度，達(dá)到原爬升高度的1.8倍。

（二）碳/碳復(fù)合材料

碳也可以作為碳復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，如碳?xì)只蛱疾迹赃@種物質(zhì)作為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料稱為碳/碳復(fù)合材料。很明顯這種材料只有碳元素，因而具有密度低（2.3g/cm?）、良熱導(dǎo)的特點(diǎn)，這本是碳和石墨材料的優(yōu)點(diǎn)。碳/碳復(fù)合材料在高溫下仍有高強(qiáng)度的特點(diǎn)，而且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。航空航天工業(yè)的剎車材料正是需要它的這些無與倫比的特性，不僅如此，鼻錐和機(jī)翼前緣也需要這種性質(zhì)。因此碳/碳復(fù)合材料成為航空航天工業(yè)的新寵。現(xiàn)在這種復(fù)合材料的剎車憑借優(yōu)良的特性和性價(jià)比已經(jīng)運(yùn)用到了軍事和民航事業(yè)。

航模飛機(jī)相對航空航天工業(yè)以及軍用民用飛機(jī)體積比較小，持續(xù)時(shí)間比較短，工作環(huán)境相對較好，將碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用于航模飛機(jī)更是可以使其工作壽命延長3倍之多。而且可以將航模飛機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大至高溫等更加惡劣的工作環(huán)境。

四、我國碳纖維復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀

目前航空航天科技日益發(fā)展，對碳纖維材料性能的需求也越來越高，越來越趨向于高性能化，低成本化，多功能化，而目前我國對碳纖維的研究還只是摸索前進(jìn)的階段。碳纖維價(jià)格高昂，不如玻璃纖維價(jià)格便宜。解決辦法就是碳纖維原料價(jià)格下降，或者是突然出現(xiàn)革命性的工藝降低生產(chǎn)成本，然而碳纖維原料價(jià)格并沒有降低的趨勢，反而日漸升高，新技術(shù)也沒有一絲眉目。

據(jù)了解，我國每年需要消耗6500噸左右的碳纖維以加工各種碳纖維制品，而目前全世界范圍內(nèi)每年碳纖維的產(chǎn)量大約才只有3.5萬噸，也就是說我國將消費(fèi)全球?qū)⒔宸种坏奶祭w維。我國權(quán)威院士師昌緒也在第335次香山科學(xué)會(huì)議上指出，我國碳纖維技術(shù)還較發(fā)達(dá)國家相比還稍顯落后。我國碳纖維年產(chǎn)量低，而且極度缺乏高質(zhì)量產(chǎn)品。由于國內(nèi)沒有相應(yīng)的知識產(chǎn)權(quán)，所以我國碳纖維生產(chǎn)的規(guī)模較小，質(zhì)量也較差。想要使用高質(zhì)量的碳纖維就只能高價(jià)的進(jìn)口，價(jià)格十分的昂貴。因此極大的制約著我國碳纖維領(lǐng)域的發(fā)展。鑒于此國家正極力地發(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè)。

五、結(jié)語

碳素纖維可以減輕航模飛機(jī)的質(zhì)量，增加航模飛機(jī)的強(qiáng)度。以碳素纖維為原材料來制作模型飛機(jī)的螺旋槳和機(jī)身，可以使模型飛機(jī)強(qiáng)度更高，質(zhì)量更輕，體積更小，從而增強(qiáng)了直升機(jī)的爬升高度，延長了航模的使用時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

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[2]益小蘇.先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)研究與發(fā)展[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

（作者單位：黑龍江哈爾濱市第三中學(xué)）