碳纖維增強復合材料

纖維增強的聚合物復合材料正在迅速普及，成為飛機、航天器、衛星、導彈制造的首選材料。

  近年來，已在全球多個航空航天項目中用作主要結構材料，碳纖維具有耐腐蝕、符合輕量化的發展趨勢、低熱膨脹系數等優點。碳纖維復合材料憑借優異的力學性能被越來越多地應用于航空航天工業。

  過去十年，在航空復合材料領域一直在降低成本，提高零部件性能并減輕零部件重量，復合材料現已在飛機中獲得公認的地位，而碳纖維增強材料已成為輔助組件如（機翼活動翼，襟翼，擾流板，方向舵，直升機葉片，座椅，肋骨，室內裝飾，舷窗，扶手等），并已進入主要結構組件，例如主翼，機尾，機身，完整的水平穩定器和垂直穩定器結構。已大量使用在波音787和空客A350、A380等。

  衛星結構對強度、剛度以及使用環境的要求與飛機結構有明顯差別，衛星結構設計在滿足強度的條件下主要解決剛度的問題，因此需要采用具有一定強度的高模量復合材料。

  目前已廣泛用于航空航天，火箭，導彈和飛行設備及發射裝置。

  用作航空和航天器的結構材料，如（火箭排氣錐，發動機罩與殼體；衛星結構，太陽能電池板和天線，運載火箭等）。

  碳纖維復合材料在導彈中用于舵面、天線罩、整流罩、進氣道，導彈彈頭，彈殼等。

                    樹脂基復合材料的主要缺陷

樹脂基復合材料是一種非均勻、多界面結構，其內部缺陷特征和無損評估方法與金屬材料有較大差異。在樹脂基復合材料的制造及使用過程中易形成孔隙、孔洞、分層、脫粘、夾雜、疏松、基體開裂、貧膠、富膠、纖維含量不正確、裂紋、纖維屈曲與錯位等缺陷。

  表 1 列舉部分樹脂基復合材料內部缺陷種類、成因及特征。

圖一是材料內部缺陷示意圖

復合材料內部缺陷的存在可造成材料局部應力集中以及強度、剛度等力學性能下降等現象。當缺陷達到一定嚴重程度時，甚至引起結構失效。因此，用于復合材料制造和服役階段缺陷評估的無損檢測技術對于保障構件使用可靠性具有重要意義。

相比于傳統材料，先進樹脂基復合材料具有鮮明的高比強度、高比剛度等性能優勢，可以滿足空天往返飛行器的輕量化結構設計與制造需求。從國外空天往返飛行器輕量化結構系統研制進展可見，匹配不同結構部段使用溫度的高性能碳纖維增強樹脂基復合材料，是飛行器輕質機體主承力、次承力結構選用的主要結構材料；依據飛行器機體結構特點和受力工況，綜合考慮不同復合材料制造工藝特點、制造成本等因素，采用合適的制造工藝實現結構件的最優制造。高性能樹脂基結構復合材料已經應用到以X-33、X-37B、HOPE-X為代表的空天飛行器機體結構件研制中，驗證了空天飛行器用輕量化結構和材料技術，應用成熟度達到較高水平。先進樹脂基結構復合材料技術是空天往返飛行器輕質結構件研制的核心技術之一，也是實現飛行器總體性能的關鍵一環。

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