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碳碳复合材料在航空和汽车领域的应用
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碳碳复合材料

综述报告

C/C复合材料在航空和汽车领域中的应用

摘要::高性能纤维是指耐热好、质量轻、强度高、高模量的特种纤维材料。碳纤维作为高性能纤维的一种,既有碳材料的固有特征,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,碳纤维比铝还轻、比钢还硬,它们的比重是铁的1/4,比强度是铁的lO倍。碳纤维复合材料由于质轻,大约是钢的重量的20%,依据纤维等级和方向性,甚至也可以达到钢材类似的强度。此外,碳纤维还不生锈。由于使用碳纤维材料可以大幅度降低结构重量,因而可显著提高燃料效率。

关键词:C/ C 复合材料, 碳纤维,航空,汽车

1.前言

碳/碳复合材料是由碳纤维或各种碳织物增强碳,或石墨化的脂碳(沥青)以及化学气相沉积(CVD)碳所形成的复合材料,是具有特殊性能的新型工程材料。碳/碳复合材料由三种不同组分构成,即树脂碳碳纤维热解碳。由于它几乎完全是由元素碳组成,故能承受极高的温度和极大的加热速率。通过碳纤维适当的取向增强,可得到力学性能优良的材料,在高温时这种性能保持不变甚至某些性能指标有所提高。  碳/碳复合材料抗热冲击和抗热导能力极强,且具有一定的化学惰性。碳/碳复合材料的发展主要受宇航工业发展的影响。它具有高的烧灼热、低的烧蚀率,抗热冲击和超热环境下具有高强度等一些列优点,被认为是一种高性能的烧蚀材料。碳/碳复合材料可以作为导弹的鼻锥,烧蚀率低且烧蚀均匀,从而提高导弹的突防能力和命中率。鉴于碳/碳复合材料具有系列优异性能,它们在宇宙飞船、人造卫星、航天飞机、导弹、原子能、航空以及一般工业部门中得到了日益广泛的应用。

2.在航空领域中的应用

航空应用中对碳纤维的需求正在不断增多,没音777飞机利用碳纤维做结构材料,包括水平和垂直的横尾翼和横梁,这两部分如果受损,整个飞机在飞行的过程中就可能坠毁。这些材料被称为“首要的结构材料”,所以对它们的质量要求极其苛刻。对于波音777飞机,日本东丽公司是波音公司指定的唯一有资格的碳纤维制造商。欧洲空中客车也在他们的飞机上使用了大量的碳纤维,东丽的TORAYCA碳纤维将被大量应用在新型客机A380上。

美国波音公司推出新一代高速宽体客机“音速巡洋舰”,约60%的结构部件都将采用强化碳纤维塑料复合材料制成,其中包括机翼。它比铝更加轻便,但强度不楣上下。据称,这种复合材料在客机的各个部件中使用,它使新型客机的飞行速度提高15%~20%。波音公司zO世纪90年代初推出的波音777型客枧就大量采用了这种新型材料比例约占飞机的lO%。

美国波音公司予2007年7月初正式推出“绿色”喷气客机787Dreamliner,新机型将于2008年在日本的全日空航线上投入商业服务。787Dreamliner新机型有几个创新的设计特征,飞机绝大部分使用高科技塑料复合材料代替铝材质。飞机主要结构的50%左右,包括机身和机翼均采用复合材料如碳纤维制作。由于机身整体采用复合材料制造,从两无需使用1500块铝板材和4万~5万个紧固。787Dreamliner使用复合材料,与传统的材料相比,更为强固和轻巧,使飞机提高了燃油稍用效率。这种刨额性的结构使飞机提高了运营

经济性,同时提高了耐用性。

空中客车A350中复合材料用量已接近总重量的40%。波音787的机翼和机身上使用复合材料超过了50%。波音、787机型由于减少重量,在燃料费用节约大约20%,加上腐蚀等方面的费用节省更是惊人。据市场称,波音和空中客车每年交付使用客机大约250---350架。可以预计,未来碳纤维市场需求潜力非常巨大。

欧洲空中客车公司研制的世界最大民用货机A380F于2005年4月投入生产,生产过程中更多地采用了碳纤维材料。A380F的中央翼盒采用了碳纤维增强塑料,这种材料质量轻,强度高。采用新型材料和高技术将使这种飞机在性能上比老一代大型飞机更具优势。预计首架A380F将予2008年投入运营

3.在汽车领域中的应用

碳纤维材料现在也成为汽车制造商青睐的材料,在汽车内外装饰中开始大量采用。碳纤维作为汽车材料,最大的优点是质量轻、强度大,重量仅相当予钢材的20%---30%,硬度却是钢材的lo倍以上。所以汽车制造采用碳纤维材料可以使汽车的轻量化取得突破性进展,并带来节省能源的效益。业界认为,碳纤维在汽车制造领域今后的使用量会越来越大。据悉,福特和保时捷生产的GT型赛车发动机枧罩已全部采用碳纤维材料;奔驰的57S型轿车原来内装饰全部是木质材

料,现在则以碳纤维替代;通用的雪佛莱轿车底盘的内装饰材料也采用碳纤维;宝马公司将M6型轿车的顼篷全部采用碳纤维,并进行技术处理,使其保持金属材料的光泽。

梅赛德斯一奔驰新推出的SLR迈凯轮超级跑车运用的高强度碳纤维复合材料。该车最高时速可以达到334km/h,O~100km的加速时仅为3.8s,这款跑车能够具有如此超高速度,除了采用强悍的动力系统和借鉴F1赛车设计理念外,还由于高强度的碳纤维复合材料制成的车身大大降低了其整车质量在SLR迈凯轮超级跑车中,车身几乎全部采用碳纤维复合材料制成。与钢材相比,碳纤维复合材料的质量只有钢的50%,而在碰撞中对能量的吸收能力却比钢或铝高出4~5倍。梅赛德斯一奔驰充分利用该材料的这些特性,不仅降低了车身自重,还可以为乘员提供最大限度的安全保障。设计者在SLR的前端结构中嵌入了两根620mm长的碳纤维纵梁,作为车头碰撞缓冲部件,在发生正面碰撞时,碰撞能量可以被有效吸收,从而确保乘员舱完好无损。不仅如此,由予SLR的乘员舱也全部采用碳纤维复合材料制成,当发生侧面或尾部碰撞时,乘员也可以有充足的安全空间,使人们在乘驾公路上的Fl赛车讨,免去了许多后顾之忧。

法国汽车生产商标致公司于2007年8月初推出更轻量化的308RCZ概念新车。塑料刨新型应用使汽车更加轻量化,全车大量使用了聚碳酸醢(PC)和碳纤维。全车将PC制作的后部挡风玻璃与大量碳纤维制作的车身组件组合在一起。汽车顶棚板即采用碳纤维制作。日本东丽工业公司是碳纤维审场领先的生产商,2005年拥有7400t/a能力,至2006年达1.09万t,包括在Soficar公司(东丽工业公司和法国阿科玛公司70/30的合资企业)中的份额。其后是东邦合成纤维公司(拥有能力9100t/a)、三菱合成纤维公司(拥有能力3000t/a)、Hexcel公司(拥有能力2000t/a)和氰特工业公司(拥有能力1200t/a)。美国波音公司为了研发梦幻喷射客机7E7之所需,与东丽签下18年的长期合约,分批采购价值3300亿日元的碳纤维材料。

东丽公司于2006年4月与波音公司签署一项合同,向波音公司供应碳纤维复合材料,于2021年用于波音公司新的中规模波音787(B787)飞机。碳纤维材料占B787用结构材料重量的一半,相当于约30t。波音公司己接受了400架B787订单。

据英国材料技术出版物公司2006年底发布的研究报告,碳纤维复合材料的价值将增长到2010年的136亿美元,比2006年增长37%。该集团公司称,由于碳纤维复合材料在航天、风能、海洋油/气生产、压力容器、械和运动器械应用领域增长的驱动,全球碳纤维工业趋于动态增长期的平衡状态.碳纤维复合材料工业全球现生产2.7万t碳纤维,但2006~2010年需求将增长7000t,增长26%。为满足这一需求,世界碳纤维生产商将在今后3年内资超过8亿美元,使碳纤维能力增加78%.新增能力将会使价格下降,但这将会刺激碳纤维进入现在以金属和玻璃纤维增强塑料(GI心)为主的应用市场。将为纤维工业提供第2个增长发展市场,拓展更多的应用。

2006年,世界碳纤维消费量按地区分布为:欧洲占30%,北美占35%、日本占15%、世界其他地区占20%。美国、欧洲和日本是主要的消费地区,但一些国家和地区如中国、中国台湾、印度也在推动需求的增长。

4.结语

    随着科技的不断发展,碳碳复合材料的应用正在由航天航空领域转向普通航空和其他一般工业领域,广泛取代其他材料,尤其在汽车领域,发挥着它不可替代的作用。碳碳复合材料的发展方向正在由双元复合向多元复合发展,今后将以结构碳碳复合材料为主,向功能和多功能方向发展。

 


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