碳纤维复合材料在航模飞机上的应用

冯博

摘 要：介绍了碳纤维复合材料在性能上的优点，通过介绍碳纤维复合材料在飞行器上的应用来说明其在航模飞机上使用的可行性，分析了碳纤维复合材料目前在我国的研究现状和发展趋势。

关键词：碳纤维复合材料；航空；航模；应用

一、引言

上世纪中叶一种新型的结构材料被人们开发出来——碳纤维复合材料，近年来，世界各国的越发重视碳纤维复合材料的相关研发和推广，许多国家更是将其作为重点发展对象。

二、碳纤维的崛起

继玻璃纤维之后出现，又一代纤维增强塑料问世，这便是碳元素组成一种特种纤维，碳纤维。由于宇航工业飞快发展，而宇航工业极度需求轻质高强和耐烧的材料，所以碳纤维迅速发展。碳纤维的含碳量极高，碳纤维的最高比模量和最高比强度是其他高性能纤维无法比拟的力学性质。在保持强度不变的情况下，只有碳纤维能够耐2000℃以上高温惰性环境。

碳纤维容易加工、相容性高、易复合、自由度大，还拥有多种其他材料不具备的性质。因此适用更多的方面，发展比其他材料更加迅速。

三、碳纤维复合材料在航空领域大量应用以及航模对其的需求

飞机制造业看重了碳纤复合维材料的优越性能，于是大量使用碳纤复合维材料。小型商务飞机、直升飞机、军用飞机、大型客机等都大量使用碳纤复合维材料，尤其小型商务飞机、直升飞机使用最多。作为体积相对较小航模飞机，应用碳纤维复合材料无疑是绝佳的选择。

（一）树脂基碳纤维复合材料

碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）是碳纤维的一种，由于其突出的质量轻、强度大、持久性强、耐高温、化学性质稳定等性能而应用于各个领域。

武器装备的生产如今也大量使用碳纤维增强树脂基复合材料。美国军用AV—8B改型“鹞”式飞机，总重量的26%都是使用了碳纤维，石墨环氧大型部件的机翼、前机身使整机减重9%，有效载荷是AV—8A的两倍。前机身段由于使用了CFRP，比原来金属结构减重32.24%。未来碳纤维复合材料将成为F-22为目标的背景机中35%复合材料的主要材料，结构的复合材料化已经在国外的一些轻型飞机和无人驾驶飞机实现。

碳纤维增强树脂基复合材料越来越多的应用到了直升飞机上。在2007年上海合作组织在俄罗斯反恐军演上直-9型直升飞机在各国观众面前亮相，驻港部队武装的正是我国先进的直-9型直升飞机。以CFRP为主体的有机复合材料占直-9型直升飞机总重的60%。此外，日本完全用CFRP制造了OH-1“忍者”直升飞机的桨叶，而且机身上也使用了40%的CFRP。在民用方面，A380创造了飞行历史上的奇迹，正是由于A380大量使用了CFRP，这种世界上最大的飞机中四分之一的重量是复合材料，而碳纤维增强塑料（CFRP）更是占了22%。由于CFRP明显的质量轻、抗腐蚀、抗疲劳等优良特性，直接降低了油耗和排放。从而使得A380拥有无与伦比的市场竞争力。

将碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）应用于航模飞机的机翼和机体，可以降低航模飞机40%的质量，从而极大的提高同型号航模飞机的爬升高度，达到原爬升高度的1.8倍。

（二）碳/碳复合材料

碳也可以作为碳复合材料的增强材料，如碳毡或碳布，以这种物质作为增强材料的复合材料称为碳/碳复合材料。很明显这种材料只有碳元素，因而具有密度低（2.3g/cm?）、良热导的特点，这本是碳和石墨材料的优点。碳/碳复合材料在高温下仍有高强度的特点，而且化学性质稳定。航空航天工业的刹车材料正是需要它的这些无与伦比的特性，不仅如此，鼻锥和机翼前缘也需要这种性质。因此碳/碳复合材料成为航空航天工业的新宠。现在这种复合材料的刹车凭借优良的特性和性价比已经运用到了军事和民航事业。

航模飞机相对航空航天工业以及军用民用飞机体积比较小，持续时间比较短，工作环境相对较好，将碳/碳复合材料应用于航模飞机更是可以使其工作寿命延长3倍之多。而且可以将航模飞机的应用领域扩大至高温等更加恶劣的工作环境。

四、我国碳纤维复合材料发展现状

目前航空航天科技日益发展，对碳纤维材料性能的需求也越来越高，越来越趋向于高性能化，低成本化，多功能化，而目前我国对碳纤维的研究还只是摸索前进的阶段。碳纤维价格高昂，不如玻璃纤维价格便宜。解决办法就是碳纤维原料价格下降，或者是突然出现革命性的工艺降低生产成本，然而碳纤维原料价格并没有降低的趋势，反而日渐升高，新技术也没有一丝眉目。

据了解，我国每年需要消耗6500吨左右的碳纤维以加工各种碳纤维制品，而目前全世界范围内每年碳纤维的产量大约才只有3.5万吨，也就是说我国将消费全球将近五分之一的碳纤维。我国权威院士师昌绪也在第335次香山科学会议上指出，我国碳纤维技术还较发达国家相比还稍显落后。我国碳纤维年产量低，而且极度缺乏高质量产品。由于国内没有相应的知识产权，所以我国碳纤维生产的规模较小，质量也较差。想要使用高质量的碳纤维就只能高价的进口，价格十分的昂贵。因此极大的制约着我国碳纤维领域的发展。鉴于此国家正极力地发展碳纤维产业。

五、结语

碳素纤维可以减轻航模飞机的质量，增加航模飞机的强度。以碳素纤维为原材料来制作模型飞机的螺旋桨和机身，可以使模型飞机强度更高，质量更轻，体积更小，从而增强了直升机的爬升高度，延长了航模的使用时间。

参考文献：

[1]贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2]益小苏.先进复合材料技术研究与发展[M].北京：国防工业出版社，2006.

（作者单位：黑龙江哈尔滨市第三中学）