碳纤增强材料在航空航天领域大展身手

作者：    来源：CPRJ 中国塑料橡胶

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 碳纤维以优异的比强度在不同领域正展示其越来越强有力的地位。近年来，航空航天工业已经成为碳纤维增强塑料拓宽应用的重要领域。 广泛应用在航空航天市场 航空航天市场历来是碳纤维增强材料最重要的市场之一。近年来，碳纤维在航空航天市场的应用发展更为迅捷。在航空工业中，碳纤维主要被用作结构材料，如主翼、尾翼和机体、方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有C/C刹车片。大量碳纤维复合材料的应用可以减轻航空航天器的重量，节省油耗，提高航速。 2010年11月，中国首架拥有完全自主知识产权的碳纤维轻型运动飞机“红嘴鸥”在珠海航空产业园下线，这款飞机净重只有280公斤。在千米左右的低空空域，从珠海飞向武汉、三亚、长沙等城市，只需添加80升97号或98号汽油，轻松飞行四五个小时即可到达。 此外，空客320、380，波音787等均大量采用碳基复合材料作为航空器内部的结构材料，来实现飞行器自身的减重，相应地减少飞行过程中的油耗。以波音787 梦幻飞机为例，复合材料占到整机重量的1/2。如果波音公司每月生产5 架787飞机， 对碳纤维复合材料需求量将达每年1500 吨。空中客车公司制造的A380 是当今世界上最大的大型客机，可载客555人， 飞行距离15,000 km，采用的复合材料约占结构重量的35~40%。据统计，仅波音787、空中客车A380和A400M三种新型飞机对碳纤维复合材料的需求量就达到3000t/a。 碳纤维复合材料在宇航工业中也有广泛的应用，如用作防热及结构材料，如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件，航天飞机机头、机翼前缘和舱门等制件，哈勃太空望远镜的测量构架、太阳能电池板和无线电天线等。 积极开拓航空航天新应用 正是看好航空航天市场的前景，越来越多材料供应商将这一市场作为开拓的一个重要市场。 作为全球领先的碳素石墨材料及相关产品制造商，德国西格里集团（SGL Group）在第十六届中国国际复合材料工业技术展览会，展示其高性能的碳纤维及复合材料产品。 据悉，此次展品覆盖了碳纤维生产的整个产业链，包括SIGRAFIL C碳纤维、多轴织物、机织和无纺材料、预浸渍材料、以及碳纤维增强塑料组件等。 本次展出的SIGRAFIL C碳纤维及相关复合材料是用于风能、航空航天、汽车工业、以及其他工业应用领域关键组件的生产制造。 2009年，名古屋大学设立了复合材料工学研究中心，目的是与日本宇航研究所、三菱重工及东丽等材料供应商合作，共同推进中断了近40年的国产YS-11客机的开发，这种机型可乘坐70~90人，其主翼和尾翼都选用CFRP，以达到世界最高水平的航运经济性和客舱的舒适性，以期与俄、中等正在开发的区域性飞机在国际竞争中处于优势地位。今后的重要课题是如何降低成本，尽快开发可确实检测因CF预浸料的内部发生层间剥离而导致强度下降的无损检测技术、修复技术及高精度打孔及快速切削加工技术等。 东邦Toho Tenax生产的Tenax IM600系列（抗拉强度5880MPa）与高强韧性的树脂相组合形成的预浸料，已用于空客A-380的飞机部件、直升飞机和喷气式战斗机的材料。今后将设计开发面向新一代飞机的CF。 一年前，日本Toho Tenax欧洲公司赢得了庞巴迪公司的项目合同，计划为其新的C系列飞机项目的主要一级和二级复合材料结构提供碳纤维材料。Toho Tenax公司预计，在未来10年内，该合同将价值约1.3亿欧元。Toho Tenax公司将为C系列飞机项目采用的干的织物和预浸料，提供各种系列的碳纤维。 据Toho Tenax公司介绍，庞巴迪公司在C系列飞机项目使用其碳纤维材料，是因为Toho Tenax公司最新的Tenax碳纤维材料达到了飞机先进设计的要求，并且支持庞巴迪公司新开发的制造工艺。 金属合金材料的替代品 减轻重量以节省燃料和系统成本一直是航空行业的一项长期战略，其中碳纤维增强热塑性塑料将成为航空航天工业用新材料最重要的增长点。 沙伯基础创新塑料利用航空碳纤维技术和Ultem聚醚酰亚胺（PEI）树脂制成了一款新型高性能复合材料，通过把部件质量减轻50%，从而为如今的太空时代提供了代替重量更大的航空规格压铸铝和机加工铝材料的解决方案用于制造飞机内饰部件。Vaupell是一家拥有60年经验的定制注塑成型部件和组件的全球性代加工制造商，该公司现正与沙伯基础创新塑料合作，研究将这款新型 Ultem 树脂材料用于飞机座椅部件的可行性。 沙伯基础创新塑料在飞机内饰展(Aircraft Interiors Expo)展出Vaupell制造的桌板支架。这些概念部件展现了使用碳纤维填充Ultem树脂与压铸铝相比，可将重量减轻50%，强度提高40%。 碳纤维填充Ultem树脂基于久经验证的高性能Ultem树脂基础上专为飞机内饰开发，符合FAA可燃性标准FAR 25.85及OSU 65/65中对于烟雾密度和热量释放的要求。除桌板支架外，新型碳纤维填充 Ultem树脂规格的潜在应用领域还包括扶手、搁脚板以及咖啡机底座等厨房用具。Vaupell并进行了进一步的负荷性能测试和疲劳测试。 沙伯基础创新塑料已开发出了一系列填充了不同碳纤维含量的Ultem树脂技术，从而满足对于高端性能特性的各种特殊要求。这一新方案是该公司的LNP 特种复合材料团队与Ultem树脂技术团队紧密协作的结果，旨在帮助航空公司应对轻质的迫切需求，另外与铝材相比，该材料解决方案的强度还提高了40%。航空规格的碳纤维具有高达38.3 PSI的出色拉伸强度，相比之下，2024-0 规格的压铸铝和7075-0规格的机加工（钢化）铝的抗拉强度仅分别为27 PSI 和33.1 PSI。连续长纤维具有出色的刚性和抗冲击性能。 与航空规格的铝材相比，Ultem树脂材料具有更好的拉伸性能，且比重 （SG）比前者低50%左右（2024-0规格的比重为2.78；7075-0规格的比重为2.81；碳纤维填充Ultem 树脂的比重为1.44）。除了比铝材重量更轻之外，碳纤维填充Ultem树脂规格还省去了机械加工及其他二次处理，从而简化了生产过程，降低了总系统成本。与金属材料相比，该规格材料还有助于实现部件整合，减少故障点，扩大设计自由度。在加工过程中，这些树脂可提供双倍的流动性，从而提高了生产效率，并可生产出薄壁注塑件来进一步减轻重量。(end)

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