解析航空航天领域碳纤维复合材料的实践应用

刘永强

摘要：碳纤维的含碳量很高，它是由聚丙烯睛、粘胶丝和沥青为主要成分，这些有机物的含碳量都很高所以碳纤维的含碳量很高也就不奇怪了，碳纤维是在超高温度下并且含有惰性气体的空气条件下制的所以碳纤维具有很大的强度但本身密度和膨胀系数都很小所以使碳纤维的质量很轻而抗打击能力又很大可以在大气层去抵抗超高压和由于摩擦产生的大量热能所引起的超高温度。尤其是那种以特聚丙烯腈为原料的碳纤维复合材料，它的密度更小，强度相对以其他的原料为基础去构成的碳纤维复合材料来说它的强度更大，膨胀系数更小这些特点，正因为现在它的优越性，更符合当今社会对材料的需求，所以以聚丙烯腈为原料的碳纤维复合材料，在航空航天领域中更大规模地去生产，是如今社会以碳纤维材料构建航空航天领域碳纤维因为含有高含量的碳，所以具有很多碳素的性质，它更容易导电，导热。

关键词：碳纤维;复合材料;航空航天领域

中图分类号：TQ342⁺.72文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0069-03

1 世界与我国对碳纤维研究的历史

碳纤维复合材料的研究可以追溯到上世纪50年代，在最早的碳纤维复合材料上市的同时，世界各国在上世纪也陆陆续续的研究出各种原料去制作碳纤维复合材料，使碳纤维复合材料发展进入高速时代，各种各样的碳纤维复合材料也运应而生，但都普遍具有强度大，密度小，膨胀系数小这些特点。随着时间的推进，碳纤维复合材料也不仅仅运用在航空航天领域现在也更多的用运用在人们的生活中。而我国的碳纤维复合材料的研究是在，19世纪60年代末我国的碳纤维复合材料更多的是运用于军事的发展，但国民的生产生活也或多或少的涉及到碳纤维复合材料。在我国近60年对碳纤维复合材料研究和发展的过程中，碳纤维材料在我国从无到有，虽然在碳纤维复合材料这个领域取得了一定的成绩，但相对世界他国来说，我国的碳纤维复合材料仍然处于生产水平很低材料的性能不好等一些尴尬的境地。我国对碳纤维复合材料的研究并没有取得很大突破，并且碳纤维复合材料产业在我国也没有实现工业化生产。碳纤维复合材料的生产过程中涉及了单体的聚合、产品的氧化和对产品表面进行处理等等一些至关重要的步骤，碳纤维复合材料的研究涉及了诸多学科知识尤以结构化学为主正因为是这些学科的交叉研究，所以具有很强的综合性。虽然我国也有许多企业尝试着去研究碳纤维复合材料，但由于人才缺失，是碳纤维复合材料的研究均以失败告终。但近年来，随着我国，综合国力和经济的提升，我国对碳纤维复合材料的需求也越来越大，碳纤维复合材料正成为当今我国研究的一个热点，由于我国对碳纤维复合材料技术研究的缺失，使我国纵然想大批量的去生产碳纤维复合材料，但能力的不足限制了我们前进的步伐。所以我国碳纤维复合材料到来源主要是从国外进口，一方面制约了我们的经济增长，另一方面也使我们相关的高新技术发展缓慢。

2 航空航天领域对碳纤维复合材料的广泛应用

由于碳纤维复合材料诸多良好性能所以我国使用碳纤维复合材料主要用于生产武器装备上。并且碳纤维复合材料使用在航空航天领域的武器装备上，主要是用于生产战斗机的外部结构部件和内部一些特殊部位的部件。我国的战斗机生产运用碳纤维复合材料主要是使用在战斗机的机身机翼等一些主要的部位，由于碳纤维复合材料的密度很小，它极大地减轻了战斗机本身的重力，使能量的消耗减少，提高了战斗机运行的时间。极大地提高了我国在航空航天领域武器装备质量的提升。由于国外碳纤维复合材料的研究与发展远远大于我国对碳纤维复合材料研究和发展，所以国外运用在武器装备上的碳纤维复合材料，无论是从碳纤维复合材料的性能还是从碳纤维复合材料的环保和经济上，我国都远远落后于国外。在上个世纪，美国运用在武器装备上的碳纤维复合材料的先进程度，就已经使美国的战斗机持续飞行时间创下了当时的世界纪录。正是因为碳纤维复合材料具有这些先进的优势，是世界各国都开始注意到碳纤维复合材料在综合国力的增长和国民经济的发展中占有着至关重要的地位。

因为碳纤维复合材料本身具有的结构性能，可以吸收大量的音波，正因为这样，碳纤维复合材料可以用来去生产隐形机，利用碳纤维复合材料对雷达产生的超声波进行吸收，可以使战机有效地躲避，敌方的雷达从而达到由于美国高度重视科技的发展所以对于隐形机的研究，美国早就先于世界他国一步。但其他国家对碳纤维复合材料的研究也先进于我国，英国的公司在生产战斗机时，在飞机阀门上装有碳纤维复合材料，增大了温度范围的弹性，是燃料阀门纵然与燃料长期接触经受大量的热产生的不稳定的温度的情况下，仍然可以保持稳定的形态和性能。当今世界碳纤维复合材料尤以日本最甚，他垄断了小丝束碳纤维的市场，同时又左右着世界碳纤维材复合材料的市场，又因为碳纤维复合材料在材料的应用上占有绝对的优势，所以日本垄断了小丝束碳纤维市场使其经济发展得到极大的提升。大型飞机的研制过程中有许多影响因素克服重力这一块儿，就需要运用碳纤维复合材料密度小的優点，去减少机体本身的重力。在航空航天领域，众所周知碳纤维复合材料具有高抗摩擦，超耐高温等的诸多优势特点。可以更加适合的去防止机体本身在运动过程中与空气之间产生的摩擦。而我国在航空航天领域利用碳纤维复合材料，远远小于世界水平，这更多的是因为我国碳纤维复合材料的研究水平低于世界水平。

3 碳纤维复合材料的优势和发展

碳纤维复合材料具有诸多优势它拥有比如因为密度低所以导致自身重量小的优势。通过对碳纤维复合材料使用在航空航天领域生产出的成品进行统计发现使用碳纤维复合材料的机体本身可以有效的减少飞机本身的重力。这更加符合了碳纤维材料发展的巨大优势，飞机等航天设备自身重量减轻后，所带来的优势不仅仅是可以减少飞机运行期间产生的油耗，并且还可以对飞机外部机构起到保护作用因为碳纤维复合材料拥有非常稳定的化学性质，所以千万不能小看碳纤维复合材料，从上文虽然我们已经介绍了由于碳纤维复合材料的密度低因此造成的碳纤维自身重量很小，但碳纤维复合材料可以在使用过程中承受高温带来的影响则主要是与它的化学性质有关的，并且由于碳纤维复合材料拥有稳定的化学性质所以纵使在飞机本身遭受外部强烈的刺激时材料自身性质也不会轻易发生变化，这样让飞机等航空航天设备的安全运行有了极大的保障。除上述优点以外，碳纤维材料还拥有非常优异的承载力，这种能力是钢材料的数倍以上。这一点是其他材料难以企及的。而且众所周知飞机在起飞时，需要有较大的初始速度以满足飞机克服重力顺利起飞，只有初始速度达到一定速度后才能够顺利起飞。飞机在行驶期间由于超高速度与空气形成对流所以也会承受空气与机体摩擦带来的大量热，因此对飞机外层材料经受高温的弹性要求极高。通过前面讲解我们已经了解到碳纤维复合材料就是在超高温度下进行生产的，并且通过测试我们了解到碳素纤维能够在2000℃的高温环境中保持自身的结构性质不发生变化。并且由于碳纤维复合材料本身含有大量的碳而我们又知道碳的化学性质又是非常稳定所以碳纤维复合材料的化学性质也是非常稳定的，不易被空气所氧化，用碳纤维复合材料制造飞机外壳，使飞机的使用寿命增长不会因为空气的氧化，雨水以及风沙的腐蚀对机体将会造成巨大伤害。如果将碳纤维复合材料应用在航天设备的外部结构中，使机体本身不会被轻易的腐蚀，这样可以有效的去保护飞机安全，并且使用阶段外层结构不会变形，这样制造成本方面也可以有明显的降低。

4 我国碳纤维复合材料发展所面临的诸多情况

飞机在天空中飞行主要是克服重力做功而不论是我国的飞机研发还是全世界的飞机研发，有效降低飞机本身的重力一直是飞机制造研究的重中之重，因为减轻飞机的自重不仅仅可以有效地节约生产成本还可以通过燃料的减少排放达到环保的作用，并且减少飞机本身的自重可以提高飞机的飞行速度使飞机在运行过程大大提高安全性能。但碳纤维复合材料的应用上也不可避免地面临着许多问题，我国在碳纤维复合材料的发展中面临的首要问题是人才的缺失、技术的缺失我们都知道我国对碳纤维复合材料的研究和发展的历史并不久远，而碳纤维复合材料的应用以及开发都需要很多很多的人力与物力，首先涉及化学方面的就是在制造碳纤维复合材料时我们必须要考虑它的化学性质，以求碳纤维复合材料的化学性质更加稳定，目前来看世界上对这种情况则是使用碳纤维与另一种化学性质相对稳定的材料相混合这样以求制造出性质超级稳定的碳纤维复合材料。就目前世界情况来看碳纤维复合材料的我们已经实现了碳纤维复合材料与各种金属的无缝衔接，是碳纤维复合材料的发展更上一层楼。

5 结语

我国在世界上的国际地位不断提升，但我国关于碳纤维复合材料研究与发展仍然不能满足我国现阶段在材料行业的发展与生长。在碳纤维复合材料广泛应用于航空航天领域的当今社会，我国如果想在航空航天领域不再受制于人就需要大力发展和研究碳纤维复合材料。上文已经提到我国在碳纤维复合材料所处的地位与短板，我国只有大力培养创新型人才，多培养多学科交叉的全能型人才，才能在国际竞争中占有一席之地。我国还要大力扶持关于碳纤维复合材料研究的企业，以此营造出良好的碳纤维复合材料研究的氛围与环境。以期在未来的社会发展进程中，我国的碳纤维复合材料研究更上一层楼，让我国的航空航天事业开展的更方便，以期望在未来我国在世界上占有重要的一席之地，我国的碳纤维复合材料也可以出口其他国家。