碳纖維復合材料在航空航天中的開發與應用

◎劉忠超

碳纖維復合材料在多個領域都有所應用，具有剛性強和比重輕的特點，將其應用到航空領域也能夠得到良好效果。目前這種材料在小型商務飛機和直升飛機的研制與開發中得到了廣泛應用，但是從航空領域的總體發展來看，該材料的應用規模還比較有限，需要進行進一步的研究與應用，結合航空航天工程設計的實際需要建立完善的新型材料體系，為提高航空設備的生產質量提供保障。

一、碳纖維復合材料在航空航天領域的應用優點

碳纖維復合材料與其他的復合材料相比重量較輕且靈活性較強，能夠滿足不同部位結構對材料的成型加工需要，在進行同種類型的零部件加工時，使用碳纖維復合材料的零件重量要比其他材料零件輕的多，所以將其應用到航空航天設備的生產制造中具有良好的發展前景，能夠在一定程度上減輕設備的自重，減少了設備飛行時能源的消耗量，而且由于碳纖維材料的剛度強能夠對航空設備的外部結構進行有效保護。另外，碳纖維復合材料在實際應用期間受溫度環境的影響比較少，即使在高溫環境下也不會對材料的性能產生較大影響，整體的穩定性比較強能夠為航空設備的安全穩定飛行提供保障。

除了上述的應用優點以外，這種材料的承載能力也是鋼材料的5 倍左右，這一優勢是其他材料無法比擬的，在實際應用的過程中航空航天設備需要達到一定的初速度才能保證設備的穩定飛行。

航空設備在飛行的過程中會受到外界環境因素的影響，由于空氣摩擦阻力比較大，要想降低這一因素對設備飛行造成的影響則需要保證外層材料質量達到一定的標準，要具有耐高溫的能力。通過對碳纖維復合材料的試驗了解到，其耐高溫的能力比較強，即使在2000℃的環境中還可以保證性能和結構穩定，而且還具有較高的抗氧化性能受空氣環境的影響比較小，即使在長時間的飛行環境中也不會出現腐蝕現象，能夠保證航空設備的飛行安全，不會輕易出現變形情況，節省了后續的維修費用。

二、碳纖維的發展

減輕航空設備的自身重量一直是該領域在發展期間重點研究的內容，達到減輕自重的目的不但能夠減少制造成本方面的投入，還可以提升航空設備的飛行速度和穩定性，在這種發展形勢下提出了將碳纖維復合材料應用到設備制造中，屬于一種新型的現代化理念。但此類材料技術最早研發的領域并不是航空航天，隨著技術逐漸進步完善才被應用到高科技生產環節中。制作碳纖維混合材料時，要考慮材料使用后復合的部分。最常見的是將碳纖維與樹脂材料進行復合，這種材料的化學性質更穩定，并且在優點上能夠互相結合，在航天飛行設備中應用廣泛。碳纖維只是應用在飛機制造的部分結構中，完整的制造流程還需要金屬復合材料的應用。

三、碳纖維復合材料在航空領域的開發與應用

作為一種新型的復合材料，碳纖維強度高自重小，在航空領域中以不同種形式被應用。大型客機與直升機應用最廣泛，根據調查結果顯示，目前應用在民用飛機中的碳纖維復合材料已經達到了80%。即使是在軍事領域中也高達40%。這一數據結果表示新型材料的開發與應用已經得到了很好的落實。

1.碳纖維復合材料。

首先是纖維復合型。自重非常小，火箭制造方面常常會使用到，能夠滿足高速運行狀態下對材料耐高溫的需求。用碳纖維復合材料制作的火箭，可以將推動力轉化為運用動力，并且不會產生過大噪音。與同體積的復合材料相比較，能夠減少大量的動能損耗。在飛機制造過程中應用這一技術，材料密度最大能夠提升23%，對飛行速度的促進作用也不容小視。速度得到了提升，但對油品的消耗量并沒有因此而增大，甚至還有明顯的減少。在飛機的最外層結構中應用廣泛，軍用飛行設備要求體積小，飛行速度快，并且外層材料要牢固耐用。針對這一需求，碳纖維復合材料在高溫成型技術幫助下完成了目標，設計制造的設備應用成本更少，整體體積也有明顯的減少，能夠在短時間內提升速度，外形材料在高溫狀態下不會受到影響。

2.碳/碳復合材料。

碳/碳復合材料中加入了纖維物質，屬于碳纖維材料的增強版，繼承了石墨材料的優點，化學性質更穩定，使用過程中也不會受到其他物質的污染，根據不同使用方向，可以在原料中添加一些化學成分。將其制作成需要的部件形式，通常也是在熱處理條件下來實現的，具有極強的可控性，一次成型后堅固耐用。機翼部分在使用中需要承受大量摩擦，一旦材料耐高溫性能差便會發生形變，飛機不能正常行駛在空中，引發嚴重的安全事故。因此在制造過程中都會對材料高溫環境中的變化進行觀察，選定自重合理的材料。經過多次測試實驗，發現碳/碳復合材料能夠符合這一要求，并且制造成本也不會有明顯的增多。

四、碳纖維復合材料在航空航天領域的發展現狀

現階段我國的國際競爭力在不斷地增強，但是現實中存在的問題是，我國的碳纖維復合材料的發展并不能滿足現實生活中的需求，作為航天航空領域的重要支柱，碳纖維復合材料的生產和研究直接關系到我國高新技術產業尤其是航天航空產業能否占領世界的科技技術前沿，因此國家的大力扶持起著相當重要的作用，不僅僅是要在資金上給予幫助，更要創造良好的環境來促進發展。在政策上給予支持，在資金上給予幫助，培育一批具有超強競爭力的企業，只有這樣我國的碳纖維復合材料才能在國際上占有重要地位，才能在日后的國際競爭中處于優勢。這對于我國航天航空事業的發展有著重要的作用。

小結：在全球化經濟不斷加速的今天，國與國之間的聯系日益緊密，相互之間的技術交流和技術競爭也在不斷加強。我國在碳纖維復合材料上的發展取得了一定成就，但是在發展中也存在著一些問題，產品質量處于低層次，生產成本過高，能耗較大，環境污染大等，因此在日后的發展中一定要高瞻遠矚，制定好長期的發展規劃，才能更好促進產業的更新研究。