論述碳纖維復合材料在航模飛機上的應用

涂清洪

摘 要：我國科學技術的發展水平越來越高，無形之中推動了我國航天航空事業的發展，同時還增加了飛機的使用頻率。為了確保飛機使用的安全可靠性，相關的研究部門就需要對飛機的使用性能進行綜合性的考量，將碳纖維復合材料廣泛地應用到其中。該類碳纖維復合材料自身的應用優勢十分顯著，具有極強的耐高溫特性，且持久性也比較強，但是該類型材料的成本價格比較高，這會在一定程度上影響我國對于碳纖維復合材料的開發研究工作，使研發技術受到了約束和限制，同時還阻礙了碳纖維復合材料的發展。本文主要就碳纖維復合材料在航模飛機上的應用進行探究，分析碳纖維復合材料目前在我國的應用現狀以及使用的發展趨勢，探究在滿足航模飛機的發展需求的前提下，該材質在航模飛機上的應用要點。

關鍵詞：碳纖維復合材料;航空;航模;應用

0 引言

我國研發人員要高度重視碳纖維復合材料研發，選用科學合理的措施來加強和提升碳纖維復合材料應用到航模飛機上的效果及質量，通過碳纖維復合材料的使用來延伸航模飛機自身的使用壽命，并提升航模飛機的使用性能。但受到碳纖維復合材料價格等因素的影響，我國相關的生產技術水平較為滯后，其發展也受到各方面的制約，這讓碳纖維復合材料的發展受到了阻礙，其整體發展呈現出較為緩慢的趨勢。因此，我國應當注重碳纖維復合材料的研發工作，讓碳纖維復合材料可以得到更為合理的使用，并擴展材料的使用范圍。

1 碳纖維復合材料概述

碳纖維和樹脂、金屬等一些材料的基體進行復合，編制而成的結構材料就被稱為碳纖維復合材料。碳纖維復合材料是復合材料中極其重要的組成部分，更是社會各界所關注的焦點，先是玻璃纖維與有機樹脂復合的玻璃鋼面世，之后碳纖維、陶瓷纖維等各類復合材料也開始相繼涌現，很多新型的復合材料研發工作都取得了成功，且材料的性能也得到了明顯的改進，這讓其復合材料領域呈現出一番較為蓬勃的景象。碳纖維內含量最多的元素為碳元素，是由碳元素構成的一種較為特殊的特種纖維，碳元素的含量會因為種類的不同而有所差異，通常高于90%。碳纖維材料具有耐高溫、耐摩擦等性能，和一般的碳素材料有所不同，其外形的各向異性比較明顯，且自身強度數值也比較高，比重比較小。

復合材料的分類與簡介如下：

復合材料主要由兩部分組成，即增強體和基體，分類方法較多，其中最常用的是按基體和增強體類型分，如顆粒增強復合材料、夾層增強復合材料、纖維（連續纖維和短纖維）增強復合材料。

復合材料的基本概念（基礎知識）：

樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料，還有比較特殊的先進碳基復合材料，碳基復合材料，表示方法為C/C。顆粒增強復合材料是將各種形狀的增強顆粒鑲嵌在基體中構成的多相材料;夾層復合材料包括夾層板復合材料，如三合板等，主要由兩部分組成，即面板和芯材，面板有樹脂基復合材料板、鋁合金板、不銹鋼板、鈦合金板及高溫合金板等，芯材有泡沫、波紋板、蜂窩芯等。蜂窩結構的作用主要是減輕結構重量，提高結構的抗彎剛度。蜂窩夾芯是夾層復合材料中最常用的夾芯結構，形狀有六角形、菱形、矩形等，按制造材料分有鋁蜂窩、芳綸紙蜂窩和玻璃布蜂窩等。

纖維增強復合材料所用纖維有玻璃纖維、碳纖維（石墨纖維）、芳綸纖維、硼纖維等。

物質強度理論認為材料的強度取決于物質分子結構的完整性（雜質、位錯、其他缺陷等）。20世紀60年代，英國首先成功研制出碳纖維，后日本又以聚丙烯腈（PAN）為基礎研制出 PAN基碳纖維。飛機結構主要采用聚丙烯腈基碳纖維，此類碳纖維從性能上可分為高強度型、超高強度型、高模量型等。

2 碳纖維的崛起

碳纖維是玻璃纖維問世之后的一代新型塑料纖維材質。近些年來，我國航空事業發展十分迅猛，宇航工業會注重使用一些重量比較小，強度比較大，且具有耐燒性質的材料，碳纖維則恰好可以滿足該工業發展的需求。碳纖維復合材料中的含碳量比較大，且所展現出的最高比模量和最高比強度是其他纖維材料不能比擬的，在強度數值不發生變化的狀況下，碳纖維可以承受2000攝氏度的高溫惰性環境。碳纖維的加工方式比較簡單，且具有極強的相容性以及易復合性，自由度數值也比較大，同時還具備一些其他材料不具備的特性，所以，該材質可以被廣泛地應用到我國的各個領域之中。新型材料的發展速度優于其他材料的發展速度，對于人們的生活發展來說具有至關重要的效用，可以幫助人們更好地提升生活品質。在航天事業飛速發展的背景下，碳纖維的質量輕、強度高等特性有效地滿足了工業的發展需求，這也是碳纖維復合材料在短短的幾十年中迅速崛起的原因。在現階段的科學技術發展狀況下，碳纖維中的碳含量數值比較高，擁有其他材料無法比擬的優勢，其實際的無形性質極強，即使在2000攝氏度的環境里也可以保持一個惰性的化學性質，且十分穩定，將其和其他材料融合在一起，會展現出極好的修復效果，因此，碳纖維材料不僅在航空領域之中，在其他行業中也占據著十分重要的地位。將碳纖維復合材料合理地應用到航天飛機上，可以提升飛機的性能，減少各類資源能源的損耗。

3 在航空領域大量應用以及航模對其的需求

飛機制造行業在使用碳纖維復合材料時，主要是看中其展現出的優越性能。很多飛機在制作時都會使用碳纖維復合材料，特別是小型商務飛機和直升機，這兩類飛機所使用的碳纖維復合材料的量比較大，主要是因為飛機體積比較小，可以讓材料的性能更好地展現出來。

3.1 樹脂基碳纖維復合材料

碳纖維中，碳纖維增強樹脂基復合材料是重要的組成部分，該類材料的質量比較輕，強度數值比較高，在實際的應用中具有極強的耐久及耐高溫等特性，且所展現出的化學性質十分穩定，被廣泛地應用到我國的各個領域之中。目前，很多武器裝備也開始應用碳纖維增強樹脂基復合材料，例如美國的軍用AV-8B改型“鷂”式飛機，總重量的四分之一都是碳纖維材料構成的，飛機的機翼、前機身都是由石墨環氧材質構成，這讓機身的重量下降到原本機身的91%，有效載荷能力也有所提升，是AV-8A的兩倍，將碳纖維增強復合材料（CFRP）投入前機身段中，讓其比原本金屬結構重量減輕了32%左右。未來碳纖維復合材料很容易成為我國背景機中的重要材料，占據復合材料總使用數的35%。國外一些發達國家已經開始將復合材料放置到結構的制作工序中，大力開展輕型飛機的制作項目。碳纖維增強樹脂基復合材料開始被廣泛地投入到直升機的使用項目中，2007年上海合作組織在俄羅斯反恐軍演上，讓直-9型直升機在各國觀眾面前亮相，駐港部隊武裝的正是我國先進的直-9型直升機，以CFRP為主體的有機復合材料占直-9型直升機總重的60%。此外，日本用CFRP制造了OH-1“忍者”直升機的槳葉，而機身也使用了40%的CFRP。在民用方面，A380創造了飛行歷史上的奇跡，這種世界上最大的飛機中四分之一的重量是復合材料，而CFRP更是占了22%。CFRP具有質量輕、抗腐蝕、抗疲勞等優良特性，直接降低了油耗和排放，使A380擁有較強的市場競爭力。CFRP具有質量輕便，抗腐蝕能力比較強等特性，將其應用到航模飛機上，會有效地降低飛機的油耗量以及排放量，提升飛機的性能。把碳纖維增強樹脂基復合材料投入到航模飛機的機翼和機身的制備工序中，可以極大程度地減輕航模飛機自身的重量，讓航模飛機迅速地爬升，上調爬升的高度，達到原本高度的1.8倍。

3.2 碳/碳復合材料

碳/碳復合材料的密度較小，為2.3g/m3，且熱導性比較強，即使在高溫環境下，強度數值仍舊較高，所展現出的化學性質十分穩定，我國航空航天事業的發展正需要該材料的支撐，可將碳/碳復合材料應用到鼻錐和機翼前緣。利用材質所展現出的優良特性及性價比來拓寬應用領域。航模飛機和航空航天工業等所制造出的飛機體積相比，質量比較小，且持續飛行的時間也比較短，但是實際的工作環境相對來說比較良好，把碳/碳復合材料應用到航模飛機上，其展現出的價值更是十分顯著，可以進一步地延長飛機的壽命，延長至3倍以上，甚至還可以將航模飛機投入到較為惡劣的工作環境中。

碳是元素周期表中較為穩定的化學元素，可以單獨存在，也可以作為輔料存在，用以其他材料功能的增強。很多材料由于碳的加入，能讓自身的性質發生改變，具備碳的優良性能。通過碳復合材料的融入，航模飛機的上升速度以及爬升高度有所提升，同時還能在惡劣的環境下仍舊保持一個穩定的正常工作狀態。近些年來，我國航天事業的發展如日中天，將碳/碳復合材料應用到該行業中，已經成為時代發展的需求，這讓我國的航空航天事業取得飛躍性的突破。首先，碳纖維復合材料的成本比較高，所以我國相關的研發部門應當抓緊時間，找出低成本制備碳纖維復合材料的方式，大批量生產碳纖維復合材料?，F階段，我國對于碳纖維的研究還處于一個淺顯的地位，需要投入更多的人力、物力、財力去挖掘市場，深度地研究該材質，通過碳纖維復合材料的發展帶動我國各個領域的進步。通過新技術以及新材料的應用，實現中華民族的飛天夢想，提升人們的生活品質。

4 碳纖維復合材料發展

現階段，我國航空航天事業的科學技術水平已經有了明顯的提升，對于碳纖維復合材料的需求量也在不斷加大，碳纖維復合材料開始向高性能、低成本等方向發展，但是目前我國對于碳纖維復合材料的制備及使用仍舊處于一個摸索的階段。碳纖維復合材料價格本身比較昂貴，不如玻璃纖維價格低廉，對此，需要使碳纖維復合材料的原料價格下降，降低生產成本，但是即使出現了革命性的工業，也無法降低生產成本。碳纖維原料價格沒有下降的趨勢，新技術的研發無法取得進展。調查報告顯示，我國每年損耗的碳纖維量已經達到了6500噸，全世界每年使用的碳纖維量也僅僅只有3.5萬噸，我國的損耗量占據全球損耗量的20%左右，但我國的碳纖維技術水平還不夠成熟，和一些發達國家相比仍舊相對滯后，產量低下，極度缺乏高質量產品。目前國內很多企業對碳纖維研制項目投入了巨資，有些已形成了批量生產的規模，現在的重中之重是如何消化這些產能，使之在國民經濟發展中產生效益。技術含量較低的結構應用可以消化一部分產能，但作為國產高性能纖維，應在國產飛機結構中得到應用，并在此基礎上進一步應用于其他高性能結構。要將國產碳纖維應用于高性能結構，除了研制材料和研究復合材料制造工藝外，還應關注更多其他方面的工作。例如，T300所用上漿劑品種是東麗公司的核心機密，無法從市場上獲得，上漿劑是在制造纖維過程中為改善工藝性能而涂于纖維表面的物質，但其耐溫性對復合材料的濕熱性能會產生重大的影響，因此，該公司著重研究如何讓上漿劑與復合材料更好地融合。

5 結語

碳纖維復合材料的使用可以有效地減輕航模飛機自身的重量，提升航模飛機的品質，可以讓航模飛機以最快的速度爬升，并增加爬升的高度。另外該材料還可以強化航模飛機的堅固程度，延長航模飛機的使用年限，使飛機無論處于何種惡劣的環境，都可以維持一個正常的運行狀態。碳纖維復合材料的研發以及使用會在根源上推動我國航空航天事業的發展，且其所展現出來的優勢比較多，可以在一定程度上拓展航模飛機的強度范圍，讓機身的體積變得更小。

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