碳纤维在航天领域的应用分析

  碳纤维复合材料是以树脂为基体碳纤维为增强体的复合材料它具有碳材料的固有本性,又具有纺织材料的柔软性和可加工性是军民两用型材料较其他材料更受欢迎。碳纤维复合材料在航空领域应用较多其具有的高比强度和比模量、性能可设计和易于整体成型等诸多优点使其可以满足航天结构高够效率的要求是航空器材更加结实并且轻便成为航空材料中不可缺少的一种。

  碳纤维材料分类很多主要是按照其原料种类分类可以分为三种: PAN原丝.沥青纤维和粘胶丝。因此其对应的名字分别叫做PAN基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。现在应用较多的是PAN基碳纤维其产量也最高高达90%以上而应用较少的是粘胶基碳纤维产量也是最低的不足百分之一。

  碳纤维复合材料密度小,其密度是几大金属材料的0.2倍到0.57倍之间因此相同的器材使用碳纤维材料可以在原来的基础上减轻30%到40%的重量。比强度和比模量高比强度是指材料的拉伸强度与密度之比比模量是指弹性模量和密度之间的比值,碳纤维材料比强度和比模量高充分说明其具有轻质的特点比模量一般是其他材料的1.3倍到12.3倍之间,将其应用于很多领域能够解决很多传统材料无法解决的问题。

  碳纤维材料具有较强的各向异性给材料设计提供多种可能,并且宽范围的铺层取向为设计提供更为广阔的空间。碳纤维材料具有良好的抗疲劳特性疲劳破坏是指材料在大小和方向随时间发生周期性变化的载荷(即交变载荷)作用下产生裂纹和断裂的现象碳纤维复合材料中含有较多的碳纤维和树脂基体界面,能有效防止裂纹的扩展和产生从而表现出抗疲劳特性。

  碳纤维复合材料具有较好的抗震性能因为其具有较高的固有频率能够吸收大量的振动能量。碳纤维复合材料高温性能好,铝合金最高的承受能力是400℃,而碳纤维复合材料在400℃时强度和弹性模量几乎无变化,因此其最高承受能力远远高于400℃。

  碳纤维材料具有较高的破损安全性因为碳纤维材料已经是超静定体系而复合材料的破坏需要经过基体损伤、开裂、界面脱粘、纤维断裂等-系列过程即使因为过载而造成少量的纤维断裂也会传递到其他纤维材料上不会造成整个构件损坏的情况。易于大面积整体成形碳纤维材料的树脂基体是高分子材料,虽然成型较难,但是一旦确定好生产工艺,其成型过程较其他材料简单,并且碳纤维材料形成的构件可以整体共固化成形。减少零部件生产数量,保证构件的整体性和安全性,节省工时和工序,也能够大大降低成本。

  碳纤维材料在航天领域主要用于卫星结构、运载火箭.精密支撑结构件及光学镜体4大方面。碳纤维材料主要用于制造卫星的外壳、中心轴承和各种仪器安装结构板等结构。日本为新的支架也是有弹性纤维材料制成并且卫星控制平台主体结构也是碳纤维材料制成。近10多年来我国已经在多种型号的大型运载火箭应用,尤其是一些运载火箭结构是由碳纤维材料制成,能够减轻上面级结构质量能大大提高火箭发射有效核的能力。

  此外,卫星能源系统的太阳电池结构材料也是由碳纤维复合材料制成能够使卫星的电池板折叠能够在太空中正常运行和提供能源物质,而其他的金属材料不能够使卫星的电池板折叠。天线结构是卫星通信过程中必不可少的一环在卫星上安装的大型抛物线面在急性加热条件下材料结构也发生改变提高结构的稳定性。