碳纤维论文_碳纤维生产流程论文

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长春工业大学材料设计概论结业论文

论述碳纤维的制造技术及在航天发射领域的应用

王晓刚

20090573 1.摘要:碳纤维是一种力学性能优异的新材，在过去的二三十年里得到广泛的研究。其含碳量在90%以上，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性、纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能，被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。

关键词:碳纤维,制造,航天领域,应用 2.碳纤维的制造 2.1发展历程

碳纤维主要是由沥青、人造丝和聚丙烯腈为主要原料而制造的，目前结构材料中主要使用PAN碳纤维。

1950年，美国Wright-Patterson空军基地开始研制粘胶基碳纤维。1959年，最早上市的粘胶基碳纤维Thornel-25就是美国联合碳化物公司(UCC)的产品。与此同时，日本研究人员也在1959年发明了用聚丙烯腈(PAN)基原丝制造碳纤维的新方法。在此基础上，英国皇家航空研究院开发出了制造高性能PAN基碳纤维的技术流程，使其发展驶入了快车道，PAN基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流，产量占世界总产量的90%左右。20世纪70年代中期，UCC在美国空军和海军的资金支持下，研发高性能中间相沥青基碳纤维；1975年研发成功Thornel P-55(P-55)，在1980～1982年之间，又研发成功P-75、P-100和P-120，年产量为230t。P-120的模最高达965GPa，是理论值的94%，热导率是铜的1.6倍，线膨胀系数仅为-1.33×10-6/K，且在375℃空气中加热1000h仅失重0.3%~1.0%，显示出优异的抗氧化性能。它们已广泛用于火箭喷管、导弹鼻锥、卫星构件、舰艇材料等方面。在20世纪80年代早期，碳纤维开始被广泛地用在客机和航空飞行器上作为结构材料，主要在欧洲和北美进行应用。然后，人们提高了对碳纤维的认识，开始把它当成一种高质量的材料，并在20世纪80年代中期得到了飞速的增长在80年代中期，欧洲空客公司开始将CFRP(碳纤维增强塑料)作为首要的结构材料应用在飞机上，而且，随着在网球和新的体育项目的应用，碳纤维市场得到了稳步的扩展。

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2.2PAN基碳纤维

PAN基碳纤维的制造分为两步进行，长春工业大学材料设计概论结业论文

2.3沥青基碳纤维

沥青基碳纤维是仅次于PAN积极的长春工业大学材料设计概论结业论文

硝酸、硫酸、高锰酸和过氧化氢等溶液。氧化温度一般为200～400℃。在预氧化过程中，要求纤维氧化均匀，不应该形成中心过低、边缘过高的皮芯结构。3.碳纤维的应用

3.1 航空领域应用的新进展

T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300 碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H纤维。军品

碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标――结构重量系数来衡量，国外

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方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。继A340对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封框――复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后，A380又一次对连接机翼与机身主体结构中央翼盒新的禁区发起了成功挑战。仅此一项就比最先进的铝合金材料减轻重量1.5吨。由于CFRP的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。从而大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低15%--20%，成为

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美国WaterburyFiberCote Industries 公司以有充分来源的非航天级粘胶原丝新原料开发成功名为RaycarbC2TM 的新型纤维素碳布，并经受了美军方包括加工、热/结构性质及火焰冲刷试验在内的全部资格测试，在固体发动机的全部静态试验中都证明该替代品合格，2004 年十一月，该碳布/酚醛复合材料已用于阿里安娜V Flight164上成功飞行。

图 4: 法国阿里安娜V 型导弹

卫星、航天飞机及载人飞船

高模量碳纤维质轻，刚性，尺寸稳定性和导热性好，因此很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作，而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料。

碳纤维增强树脂基复合材料被作航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。美国发现号航天飞机的热瓦，十分关键，可以保证其能安全地重复飞行。一共有8 种：低温重复使用表面绝热材料LRSI；高温重复使用表面绝热材料HRSI；柔性重复使用表面绝热材料FRSI；高级柔性重复使用表面绝热材料AFRI；高温耐熔纤维复合材料FRIC―HRSI；增强碳/碳材料RCC；金属；二氧化硅织物。其中增强碳/碳材料RCC，最为要的，它可以使航天飞机承受大气层所经受的最高温度1700℃。

随着科学技术的进步，碳纤维的产量不断增大，质量逐渐提高，而生产成本稳步下降。各种性能优异的碳纤维复合材料将会越来越多地出现在航空航天领域中，为世界航空航天技术的发展作出更大的贡献。

4.结语

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碳纤维的优异性能使得其在国防和民用领域均有广泛的应用。作为未来最有发展前景的新型结构材料，可以肯定碳纤维在21世纪将步入新的飞跃，应用领域也将更加广泛。参考文献

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