碳纖維及復合材料應用 （上）
對于現代材料而言，材料是物質，設計是意念，制造是途徑，應用才是目的。那么接下來，就與大家一同領略一下應用中的碳纖維及其復合材料。
隨著科技的發展，碳纖維的應用領域與日俱增，它們除了廣泛應用于航空航天等高技術領域，還可用在文體用品、紡織機械、醫療器械、生物工程、建筑材料、化工機械、運輸車輛等方面。此外，碳纖維在開發不用潤滑油的軸承、齒輪、軸瓦、轉軸、提升輪等運動頻繁、負荷大的零件方面有很好的前景。
1.航天領域
碳纖維增強復合材料在國外液體火箭發動機上的應用十分廣泛。如德國Astrium公司設計、制造了一種水冷推力室試驗件試驗用噴管延伸段，以及為阿里安5火箭芯級火神發動機設計制造了縮尺推力室用噴管延伸段；阿里安5火箭的上面級發動機Aestus發動機和HM-7發動機噴管延伸段；RS-72發動機噴管延伸段；法國Snecma公司研制的一種上面級發動機Venus發動機噴管延伸段；美國Pratt & Whitney公司研制的膨脹循環液氫液氧上面級發動機RL10B-2發動機可延伸噴管；法國Snecma公司研制的膨脹循環液氫液氧上面級發動機Vinci發動機可延伸噴管；美國ARC公司為姿控發動機研制了一個先進材料的演示推力室，除頭部的中間部分外，其余部分均用碳纖維增強復合材料整體制作。
碳纖維在國外固體火箭發動機上的應用普遍。主要應用在火箭發動機的噴管部分和碳纖維殼體。在噴管部分，現得到應用的有碳/碳喉襯，碳/酚醛喉襯，碳/碳擴散段，碳/酚醛擴散段，碳/碳螺釘，碳/碳銷釘，碳/碳鎖片。“MX”導彈第三級發動機噴管中大量使用了碳/碳材料；阿里安-5和阿里安-3運載火箭固體助推器的噴管也主要使用碳纖維材料。在碳/碳擴散段的研究中，美國起步早，1980年代早期已經將碳/碳擴散段延伸錐用于“MX”第三級發動機和侏儒導彈的二、三級發動機。蘇聯也在1970年代研究碳/碳擴散段，并在1980年代中期應用于SS-24、SS-25等導彈中。法國和德國的研究人員也從1970年代開始研究碳/碳擴散段，并獲得試驗成功。
在殼體部分，近年來，美國在研制高速、高加速反導攔截導彈時，為了滿足高強度、高剛度要求，幾乎無一例外地采用了碳纖維環氧殼體，如ERINT低空攔截彈、THAAD高空攔截彈、標準SM23攔截彈的第二、三級體。GBI地基攔截彈級為德爾它運載火箭助推器GEM發動機，采用IM27碳纖維/環氧殼體。第二、三級采用Orbusl發動機，選用的是T240碳纖維/環氧殼體。
俄羅斯研制的“暴風雪”號航天飛機，其頭錐和機翼前緣采用了碳/碳復合材料。戰略導彈彈頭的端頭采用碳/碳，過渡段采用碳/酚醛樹脂復合材料，發動機部件采用了碳/碳復合材料。
2.軍事領域
新武器裝備研制過程中的小型化、輕質化、高強度、長壽命、機動性、穩定性等都離不開碳纖維的應用，可以說碳纖維在國防軍工中有舉足輕重的影響。
美國國防部2000年和2001年對碳纖維的需求量分別為180t和200t，2002年增加到350t以上。2003年較2002年略有減少，約為330t左右，2004年和2005年又有10%和5%左右的增幅，相應達到370t和385t上下。國防部軍工產品中，空軍所占份額大，根據2000—2005年統計，空軍對碳纖維的需求占國防部對總碳纖維需求的54.8%；海軍則占29.1%；陸軍占13.6%；多兵種占2.5%?？梢娍哲娛翘祭w維的主要用戶，海軍次之，陸軍對碳纖維用得比較少。空軍碳纖維主要用于制造軍機，包括:B-1、B-2、C17、JASSM、UCAV、F16（US、F16（FMS）、F22和F117等。海軍消耗的碳纖維主要用于生產F/A-18E/F戰斗機和V-22直升機。F/A-18E/F戰斗機耗用的碳纖維占海軍對碳纖維的總需求量的60%～70%。美國陸軍對碳纖維的需求相對較少，2000～2001年對碳纖維的需求不足5t，2002年猛增到100t以上，2004—2005年又降落到50t上下。陸軍所需碳纖維主要用于制造Ammo坦克，占陸軍所需碳纖維總量的90%以上。
3.民用飛機領域
碳纖維復合材料可有效降低飛機結構質量，改進性能，因而隨著飛機設計的改進和碳纖維復合材料技術的進步，碳纖維復合材料在大型民用飛機上的用量不斷增長。在民用領域，555座的大飛機A380由于CFRP的大量使用，創造了飛行史上的奇跡。飛機25%重量的部件由復合材料制造，其中22%為碳纖維增強塑料(CFRP), 3%為次用于民用飛機的GLARE纖維—金屬板（鋁合金和玻璃纖維超混雜復合材料的層狀結構）。這些部件包括：減速板、垂直和水平穩定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。繼A340對碳纖維龍骨梁和復合材料后密封框——復合材料用于飛機的密封禁區發起挑戰后，A380又一次對連接機翼與機身主體結構翼盒新的禁區發起了成功挑戰。僅此一項就比先進的鋁合金材料減輕重量1.5噸。由于CFRP的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損。從而大大減少了油耗和排放，燃油的經濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率高飛機的低15%～20%，成為個每乘客每百公里耗油少于三升的遠程客機。
更多信息請關注復合材料信息網http://cnfrp.net
隨著科技的發展，碳纖維的應用領域與日俱增，它們除了廣泛應用于航空航天等高技術領域，還可用在文體用品、紡織機械、醫療器械、生物工程、建筑材料、化工機械、運輸車輛等方面。此外，碳纖維在開發不用潤滑油的軸承、齒輪、軸瓦、轉軸、提升輪等運動頻繁、負荷大的零件方面有很好的前景。
1.航天領域
碳纖維增強復合材料在國外液體火箭發動機上的應用十分廣泛。如德國Astrium公司設計、制造了一種水冷推力室試驗件試驗用噴管延伸段，以及為阿里安5火箭芯級火神發動機設計制造了縮尺推力室用噴管延伸段；阿里安5火箭的上面級發動機Aestus發動機和HM-7發動機噴管延伸段；RS-72發動機噴管延伸段；法國Snecma公司研制的一種上面級發動機Venus發動機噴管延伸段；美國Pratt & Whitney公司研制的膨脹循環液氫液氧上面級發動機RL10B-2發動機可延伸噴管；法國Snecma公司研制的膨脹循環液氫液氧上面級發動機Vinci發動機可延伸噴管；美國ARC公司為姿控發動機研制了一個先進材料的演示推力室，除頭部的中間部分外，其余部分均用碳纖維增強復合材料整體制作。
碳纖維在國外固體火箭發動機上的應用普遍。主要應用在火箭發動機的噴管部分和碳纖維殼體。在噴管部分，現得到應用的有碳/碳喉襯，碳/酚醛喉襯，碳/碳擴散段，碳/酚醛擴散段，碳/碳螺釘，碳/碳銷釘，碳/碳鎖片。“MX”導彈第三級發動機噴管中大量使用了碳/碳材料；阿里安-5和阿里安-3運載火箭固體助推器的噴管也主要使用碳纖維材料。在碳/碳擴散段的研究中，美國起步早，1980年代早期已經將碳/碳擴散段延伸錐用于“MX”第三級發動機和侏儒導彈的二、三級發動機。蘇聯也在1970年代研究碳/碳擴散段，并在1980年代中期應用于SS-24、SS-25等導彈中。法國和德國的研究人員也從1970年代開始研究碳/碳擴散段，并獲得試驗成功。
在殼體部分，近年來，美國在研制高速、高加速反導攔截導彈時，為了滿足高強度、高剛度要求，幾乎無一例外地采用了碳纖維環氧殼體，如ERINT低空攔截彈、THAAD高空攔截彈、標準SM23攔截彈的第二、三級體。GBI地基攔截彈級為德爾它運載火箭助推器GEM發動機，采用IM27碳纖維/環氧殼體。第二、三級采用Orbusl發動機，選用的是T240碳纖維/環氧殼體。
俄羅斯研制的“暴風雪”號航天飛機，其頭錐和機翼前緣采用了碳/碳復合材料。戰略導彈彈頭的端頭采用碳/碳，過渡段采用碳/酚醛樹脂復合材料，發動機部件采用了碳/碳復合材料。
2.軍事領域
新武器裝備研制過程中的小型化、輕質化、高強度、長壽命、機動性、穩定性等都離不開碳纖維的應用，可以說碳纖維在國防軍工中有舉足輕重的影響。
美國國防部2000年和2001年對碳纖維的需求量分別為180t和200t，2002年增加到350t以上。2003年較2002年略有減少，約為330t左右，2004年和2005年又有10%和5%左右的增幅，相應達到370t和385t上下。國防部軍工產品中，空軍所占份額大，根據2000—2005年統計，空軍對碳纖維的需求占國防部對總碳纖維需求的54.8%；海軍則占29.1%；陸軍占13.6%；多兵種占2.5%?？梢娍哲娛翘祭w維的主要用戶，海軍次之，陸軍對碳纖維用得比較少。空軍碳纖維主要用于制造軍機，包括:B-1、B-2、C17、JASSM、UCAV、F16（US、F16（FMS）、F22和F117等。海軍消耗的碳纖維主要用于生產F/A-18E/F戰斗機和V-22直升機。F/A-18E/F戰斗機耗用的碳纖維占海軍對碳纖維的總需求量的60%～70%。美國陸軍對碳纖維的需求相對較少，2000～2001年對碳纖維的需求不足5t，2002年猛增到100t以上，2004—2005年又降落到50t上下。陸軍所需碳纖維主要用于制造Ammo坦克，占陸軍所需碳纖維總量的90%以上。
3.民用飛機領域
碳纖維復合材料可有效降低飛機結構質量，改進性能，因而隨著飛機設計的改進和碳纖維復合材料技術的進步，碳纖維復合材料在大型民用飛機上的用量不斷增長。在民用領域，555座的大飛機A380由于CFRP的大量使用，創造了飛行史上的奇跡。飛機25%重量的部件由復合材料制造，其中22%為碳纖維增強塑料(CFRP), 3%為次用于民用飛機的GLARE纖維—金屬板（鋁合金和玻璃纖維超混雜復合材料的層狀結構）。這些部件包括：減速板、垂直和水平穩定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。繼A340對碳纖維龍骨梁和復合材料后密封框——復合材料用于飛機的密封禁區發起挑戰后，A380又一次對連接機翼與機身主體結構翼盒新的禁區發起了成功挑戰。僅此一項就比先進的鋁合金材料減輕重量1.5噸。由于CFRP的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損。從而大大減少了油耗和排放，燃油的經濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率高飛機的低15%～20%，成為個每乘客每百公里耗油少于三升的遠程客機。
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