解析航空航天領(lǐng)域碳纖維復(fù)合材料的實(shí)踐應(yīng)用

劉永強(qiáng)

摘要：碳纖維的含碳量很高，它是由聚丙烯睛、粘膠絲和瀝青為主要成分，這些有機(jī)物的含碳量都很高所以碳纖維的含碳量很高也就不奇怪了，碳纖維是在超高溫度下并且含有惰性氣體的空氣條件下制的所以碳纖維具有很大的強(qiáng)度但本身密度和膨脹系數(shù)都很小所以使碳纖維的質(zhì)量很輕而抗打擊能力又很大可以在大氣層去抵抗超高壓和由于摩擦產(chǎn)生的大量熱能所引起的超高溫度。尤其是那種以特聚丙烯腈為原料的碳纖維復(fù)合材料，它的密度更小，強(qiáng)度相對以其他的原料為基礎(chǔ)去構(gòu)成的碳纖維復(fù)合材料來說它的強(qiáng)度更大，膨脹系數(shù)更小這些特點(diǎn)，正因?yàn)楝F(xiàn)在它的優(yōu)越性，更符合當(dāng)今社會對材料的需求，所以以聚丙烯腈為原料的碳纖維復(fù)合材料，在航空航天領(lǐng)域中更大規(guī)模地去生產(chǎn)，是如今社會以碳纖維材料構(gòu)建航空航天領(lǐng)域碳纖維因?yàn)楹懈吆康奶迹跃哂泻芏嗵妓氐男再|(zhì)，它更容易導(dǎo)電，導(dǎo)熱。

關(guān)鍵詞：碳纖維;復(fù)合材料;航空航天領(lǐng)域

中圖分類號：TQ342⁺.72文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）07-0069-03

1 世界與我國對碳纖維研究的歷史

碳纖維復(fù)合材料的研究可以追溯到上世紀(jì)50年代，在最早的碳纖維復(fù)合材料上市的同時，世界各國在上世紀(jì)也陸陸續(xù)續(xù)的研究出各種原料去制作碳纖維復(fù)合材料，使碳纖維復(fù)合材料發(fā)展進(jìn)入高速時代，各種各樣的碳纖維復(fù)合材料也運(yùn)應(yīng)而生，但都普遍具有強(qiáng)度大，密度小，膨脹系數(shù)小這些特點(diǎn)。隨著時間的推進(jìn)，碳纖維復(fù)合材料也不僅僅運(yùn)用在航空航天領(lǐng)域現(xiàn)在也更多的用運(yùn)用在人們的生活中。而我國的碳纖維復(fù)合材料的研究是在，19世紀(jì)60年代末我國的碳纖維復(fù)合材料更多的是運(yùn)用于軍事的發(fā)展，但國民的生產(chǎn)生活也或多或少的涉及到碳纖維復(fù)合材料。在我國近60年對碳纖維復(fù)合材料研究和發(fā)展的過程中，碳纖維材料在我國從無到有，雖然在碳纖維復(fù)合材料這個領(lǐng)域取得了一定的成績，但相對世界他國來說，我國的碳纖維復(fù)合材料仍然處于生產(chǎn)水平很低材料的性能不好等一些尷尬的境地。我國對碳纖維復(fù)合材料的研究并沒有取得很大突破，并且碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)在我國也沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)過程中涉及了單體的聚合、產(chǎn)品的氧化和對產(chǎn)品表面進(jìn)行處理等等一些至關(guān)重要的步驟，碳纖維復(fù)合材料的研究涉及了諸多學(xué)科知識尤以結(jié)構(gòu)化學(xué)為主正因?yàn)槭沁@些學(xué)科的交叉研究，所以具有很強(qiáng)的綜合性。雖然我國也有許多企業(yè)嘗試著去研究碳纖維復(fù)合材料，但由于人才缺失，是碳纖維復(fù)合材料的研究均以失敗告終。但近年來，隨著我國，綜合國力和經(jīng)濟(jì)的提升，我國對碳纖維復(fù)合材料的需求也越來越大，碳纖維復(fù)合材料正成為當(dāng)今我國研究的一個熱點(diǎn)，由于我國對碳纖維復(fù)合材料技術(shù)研究的缺失，使我國縱然想大批量的去生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料，但能力的不足限制了我們前進(jìn)的步伐。所以我國碳纖維復(fù)合材料到來源主要是從國外進(jìn)口，一方面制約了我們的經(jīng)濟(jì)增長，另一方面也使我們相關(guān)的高新技術(shù)發(fā)展緩慢。

2 航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用

由于碳纖維復(fù)合材料諸多良好性能所以我國使用碳纖維復(fù)合材料主要用于生產(chǎn)武器裝備上。并且碳纖維復(fù)合材料使用在航空航天領(lǐng)域的武器裝備上，主要是用于生產(chǎn)戰(zhàn)斗機(jī)的外部結(jié)構(gòu)部件和內(nèi)部一些特殊部位的部件。我國的戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)運(yùn)用碳纖維復(fù)合材料主要是使用在戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身機(jī)翼等一些主要的部位，由于碳纖維復(fù)合材料的密度很小，它極大地減輕了戰(zhàn)斗機(jī)本身的重力，使能量的消耗減少，提高了戰(zhàn)斗機(jī)運(yùn)行的時間。極大地提高了我國在航空航天領(lǐng)域武器裝備質(zhì)量的提升。由于國外碳纖維復(fù)合材料的研究與發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我國對碳纖維復(fù)合材料研究和發(fā)展，所以國外運(yùn)用在武器裝備上的碳纖維復(fù)合材料，無論是從碳纖維復(fù)合材料的性能還是從碳纖維復(fù)合材料的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)上，我國都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。在上個世紀(jì)，美國運(yùn)用在武器裝備上的碳纖維復(fù)合材料的先進(jìn)程度，就已經(jīng)使美國的戰(zhàn)斗機(jī)持續(xù)飛行時間創(chuàng)下了當(dāng)時的世界紀(jì)錄。正是因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料具有這些先進(jìn)的優(yōu)勢，是世界各國都開始注意到碳纖維復(fù)合材料在綜合國力的增長和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中占有著至關(guān)重要的地位。

因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料本身具有的結(jié)構(gòu)性能，可以吸收大量的音波，正因?yàn)檫@樣，碳纖維復(fù)合材料可以用來去生產(chǎn)隱形機(jī)，利用碳纖維復(fù)合材料對雷達(dá)產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行吸收，可以使戰(zhàn)機(jī)有效地躲避，敵方的雷達(dá)從而達(dá)到由于美國高度重視科技的發(fā)展所以對于隱形機(jī)的研究，美國早就先于世界他國一步。但其他國家對碳纖維復(fù)合材料的研究也先進(jìn)于我國，英國的公司在生產(chǎn)戰(zhàn)斗機(jī)時，在飛機(jī)閥門上裝有碳纖維復(fù)合材料，增大了溫度范圍的彈性，是燃料閥門縱然與燃料長期接觸經(jīng)受大量的熱產(chǎn)生的不穩(wěn)定的溫度的情況下，仍然可以保持穩(wěn)定的形態(tài)和性能。當(dāng)今世界碳纖維復(fù)合材料尤以日本最甚，他壟斷了小絲束碳纖維的市場，同時又左右著世界碳纖維材復(fù)合材料的市場，又因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料在材料的應(yīng)用上占有絕對的優(yōu)勢，所以日本壟斷了小絲束碳纖維市場使其經(jīng)濟(jì)發(fā)展得到極大的提升。大型飛機(jī)的研制過程中有許多影響因素克服重力這一塊兒，就需要運(yùn)用碳纖維復(fù)合材料密度小的優(yōu)點(diǎn)，去減少機(jī)體本身的重力。在航空航天領(lǐng)域，眾所周知碳纖維復(fù)合材料具有高抗摩擦，超耐高溫等的諸多優(yōu)勢特點(diǎn)。可以更加適合的去防止機(jī)體本身在運(yùn)動過程中與空氣之間產(chǎn)生的摩擦。而我國在航空航天領(lǐng)域利用碳纖維復(fù)合材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于世界水平，這更多的是因?yàn)槲覈祭w維復(fù)合材料的研究水平低于世界水平。

3 碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢和發(fā)展

碳纖維復(fù)合材料具有諸多優(yōu)勢它擁有比如因?yàn)槊芏鹊退詫?dǎo)致自身重量小的優(yōu)勢。通過對碳纖維復(fù)合材料使用在航空航天領(lǐng)域生產(chǎn)出的成品進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)使用碳纖維復(fù)合材料的機(jī)體本身可以有效的減少飛機(jī)本身的重力。這更加符合了碳纖維材料發(fā)展的巨大優(yōu)勢，飛機(jī)等航天設(shè)備自身重量減輕后，所帶來的優(yōu)勢不僅僅是可以減少飛機(jī)運(yùn)行期間產(chǎn)生的油耗，并且還可以對飛機(jī)外部機(jī)構(gòu)起到保護(hù)作用因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料擁有非常穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，所以千萬不能小看碳纖維復(fù)合材料，從上文雖然我們已經(jīng)介紹了由于碳纖維復(fù)合材料的密度低因此造成的碳纖維自身重量很小，但碳纖維復(fù)合材料可以在使用過程中承受高溫帶來的影響則主要是與它的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)的，并且由于碳纖維復(fù)合材料擁有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)所以縱使在飛機(jī)本身遭受外部強(qiáng)烈的刺激時材料自身性質(zhì)也不會輕易發(fā)生變化，這樣讓飛機(jī)等航空航天設(shè)備的安全運(yùn)行有了極大的保障。除上述優(yōu)點(diǎn)以外，碳纖維材料還擁有非常優(yōu)異的承載力，這種能力是鋼材料的數(shù)倍以上。這一點(diǎn)是其他材料難以企及的。而且眾所周知飛機(jī)在起飛時，需要有較大的初始速度以滿足飛機(jī)克服重力順利起飛，只有初始速度達(dá)到一定速度后才能夠順利起飛。飛機(jī)在行駛期間由于超高速度與空氣形成對流所以也會承受空氣與機(jī)體摩擦帶來的大量熱，因此對飛機(jī)外層材料經(jīng)受高溫的彈性要求極高。通過前面講解我們已經(jīng)了解到碳纖維復(fù)合材料就是在超高溫度下進(jìn)行生產(chǎn)的，并且通過測試我們了解到碳素纖維能夠在2000℃的高溫環(huán)境中保持自身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)不發(fā)生變化。并且由于碳纖維復(fù)合材料本身含有大量的碳而我們又知道碳的化學(xué)性質(zhì)又是非常穩(wěn)定所以碳纖維復(fù)合材料的化學(xué)性質(zhì)也是非常穩(wěn)定的，不易被空氣所氧化，用碳纖維復(fù)合材料制造飛機(jī)外殼，使飛機(jī)的使用壽命增長不會因?yàn)榭諝獾难趸晁约帮L(fēng)沙的腐蝕對機(jī)體將會造成巨大傷害。如果將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在航天設(shè)備的外部結(jié)構(gòu)中，使機(jī)體本身不會被輕易的腐蝕，這樣可以有效的去保護(hù)飛機(jī)安全，并且使用階段外層結(jié)構(gòu)不會變形，這樣制造成本方面也可以有明顯的降低。

4 我國碳纖維復(fù)合材料發(fā)展所面臨的諸多情況

飛機(jī)在天空中飛行主要是克服重力做功而不論是我國的飛機(jī)研發(fā)還是全世界的飛機(jī)研發(fā)，有效降低飛機(jī)本身的重力一直是飛機(jī)制造研究的重中之重，因?yàn)闇p輕飛機(jī)的自重不僅僅可以有效地節(jié)約生產(chǎn)成本還可以通過燃料的減少排放達(dá)到環(huán)保的作用，并且減少飛機(jī)本身的自重可以提高飛機(jī)的飛行速度使飛機(jī)在運(yùn)行過程大大提高安全性能。但碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用上也不可避免地面臨著許多問題，我國在碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展中面臨的首要問題是人才的缺失、技術(shù)的缺失我們都知道我國對碳纖維復(fù)合材料的研究和發(fā)展的歷史并不久遠(yuǎn)，而碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用以及開發(fā)都需要很多很多的人力與物力，首先涉及化學(xué)方面的就是在制造碳纖維復(fù)合材料時我們必須要考慮它的化學(xué)性質(zhì)，以求碳纖維復(fù)合材料的化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定，目前來看世界上對這種情況則是使用碳纖維與另一種化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定的材料相混合這樣以求制造出性質(zhì)超級穩(wěn)定的碳纖維復(fù)合材料。就目前世界情況來看碳纖維復(fù)合材料的我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料與各種金屬的無縫銜接，是碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展更上一層樓。

5 結(jié)語

我國在世界上的國際地位不斷提升，但我國關(guān)于碳纖維復(fù)合材料研究與發(fā)展仍然不能滿足我國現(xiàn)階段在材料行業(yè)的發(fā)展與生長。在碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的當(dāng)今社會，我國如果想在航空航天領(lǐng)域不再受制于人就需要大力發(fā)展和研究碳纖維復(fù)合材料。上文已經(jīng)提到我國在碳纖維復(fù)合材料所處的地位與短板，我國只有大力培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，多培養(yǎng)多學(xué)科交叉的全能型人才，才能在國際競爭中占有一席之地。我國還要大力扶持關(guān)于碳纖維復(fù)合材料研究的企業(yè)，以此營造出良好的碳纖維復(fù)合材料研究的氛圍與環(huán)境。以期在未來的社會發(fā)展進(jìn)程中，我國的碳纖維復(fù)合材料研究更上一層樓，讓我國的航空航天事業(yè)開展的更方便，以期望在未來我國在世界上占有重要的一席之地，我國的碳纖維復(fù)合材料也可以出口其他國家。