碳纤维复合材料在航空航天中的开发与应用

◎刘忠超

碳纤维复合材料在多个领域都有所应用，具有刚性强和比重轻的特点，将其应用到航空领域也能够得到良好效果。目前这种材料在小型商务飞机和直升飞机的研制与开发中得到了广泛应用，但是从航空领域的总体发展来看，该材料的应用规模还比较有限，需要进行进一步的研究与应用，结合航空航天工程设计的实际需要建立完善的新型材料体系，为提高航空设备的生产质量提供保障。

一、碳纤维复合材料在航空航天领域的应用优点

碳纤维复合材料与其他的复合材料相比重量较轻且灵活性较强，能够满足不同部位结构对材料的成型加工需要，在进行同种类型的零部件加工时，使用碳纤维复合材料的零件重量要比其他材料零件轻的多，所以将其应用到航空航天设备的生产制造中具有良好的发展前景，能够在一定程度上减轻设备的自重，减少了设备飞行时能源的消耗量，而且由于碳纤维材料的刚度强能够对航空设备的外部结构进行有效保护。另外，碳纤维复合材料在实际应用期间受温度环境的影响比较少，即使在高温环境下也不会对材料的性能产生较大影响，整体的稳定性比较强能够为航空设备的安全稳定飞行提供保障。

除了上述的应用优点以外，这种材料的承载能力也是钢材料的5 倍左右，这一优势是其他材料无法比拟的，在实际应用的过程中航空航天设备需要达到一定的初速度才能保证设备的稳定飞行。

航空设备在飞行的过程中会受到外界环境因素的影响，由于空气摩擦阻力比较大，要想降低这一因素对设备飞行造成的影响则需要保证外层材料质量达到一定的标准，要具有耐高温的能力。通过对碳纤维复合材料的试验了解到，其耐高温的能力比较强，即使在2000℃的环境中还可以保证性能和结构稳定，而且还具有较高的抗氧化性能受空气环境的影响比较小，即使在长时间的飞行环境中也不会出现腐蚀现象，能够保证航空设备的飞行安全，不会轻易出现变形情况，节省了后续的维修费用。

二、碳纤维的发展

减轻航空设备的自身重量一直是该领域在发展期间重点研究的内容，达到减轻自重的目的不但能够减少制造成本方面的投入，还可以提升航空设备的飞行速度和稳定性，在这种发展形势下提出了将碳纤维复合材料应用到设备制造中，属于一种新型的现代化理念。但此类材料技术最早研发的领域并不是航空航天，随着技术逐渐进步完善才被应用到高科技生产环节中。制作碳纤维混合材料时，要考虑材料使用后复合的部分。最常见的是将碳纤维与树脂材料进行复合，这种材料的化学性质更稳定，并且在优点上能够互相结合，在航天飞行设备中应用广泛。碳纤维只是应用在飞机制造的部分结构中，完整的制造流程还需要金属复合材料的应用。

三、碳纤维复合材料在航空领域的开发与应用

作为一种新型的复合材料，碳纤维强度高自重小，在航空领域中以不同种形式被应用。大型客机与直升机应用最广泛，根据调查结果显示，目前应用在民用飞机中的碳纤维复合材料已经达到了80%。即使是在军事领域中也高达40%。这一数据结果表示新型材料的开发与应用已经得到了很好的落实。

1.碳纤维复合材料。

首先是纤维复合型。自重非常小，火箭制造方面常常会使用到，能够满足高速运行状态下对材料耐高温的需求。用碳纤维复合材料制作的火箭，可以将推动力转化为运用动力，并且不会产生过大噪音。与同体积的复合材料相比较，能够减少大量的动能损耗。在飞机制造过程中应用这一技术，材料密度最大能够提升23%，对飞行速度的促进作用也不容小视。速度得到了提升，但对油品的消耗量并没有因此而增大，甚至还有明显的减少。在飞机的最外层结构中应用广泛，军用飞行设备要求体积小，飞行速度快，并且外层材料要牢固耐用。针对这一需求，碳纤维复合材料在高温成型技术帮助下完成了目标，设计制造的设备应用成本更少，整体体积也有明显的减少，能够在短时间内提升速度，外形材料在高温状态下不会受到影响。

2.碳/碳复合材料。

碳/碳复合材料中加入了纤维物质，属于碳纤维材料的增强版，继承了石墨材料的优点，化学性质更稳定，使用过程中也不会受到其他物质的污染，根据不同使用方向，可以在原料中添加一些化学成分。将其制作成需要的部件形式，通常也是在热处理条件下来实现的，具有极强的可控性，一次成型后坚固耐用。机翼部分在使用中需要承受大量摩擦，一旦材料耐高温性能差便会发生形变，飞机不能正常行驶在空中，引发严重的安全事故。因此在制造过程中都会对材料高温环境中的变化进行观察，选定自重合理的材料。经过多次测试实验，发现碳/碳复合材料能够符合这一要求，并且制造成本也不会有明显的增多。

四、碳纤维复合材料在航空航天领域的发展现状

现阶段我国的国际竞争力在不断地增强，但是现实中存在的问题是，我国的碳纤维复合材料的发展并不能满足现实生活中的需求，作为航天航空领域的重要支柱，碳纤维复合材料的生产和研究直接关系到我国高新技术产业尤其是航天航空产业能否占领世界的科技技术前沿，因此国家的大力扶持起着相当重要的作用，不仅仅是要在资金上给予帮助，更要创造良好的环境来促进发展。在政策上给予支持，在资金上给予帮助，培育一批具有超强竞争力的企业，只有这样我国的碳纤维复合材料才能在国际上占有重要地位，才能在日后的国际竞争中处于优势。这对于我国航天航空事业的发展有着重要的作用。

小结：在全球化经济不断加速的今天，国与国之间的联系日益紧密，相互之间的技术交流和技术竞争也在不断加强。我国在碳纤维复合材料上的发展取得了一定成就，但是在发展中也存在着一些问题，产品质量处于低层次，生产成本过高，能耗较大，环境污染大等，因此在日后的发展中一定要高瞻远瞩，制定好长期的发展规划，才能更好促进产业的更新研究。