Inventar av forskningshotspots i avanserte komposittmaterialer for luftfart
Komposittmaterialer og metaller, polymerer og keramikk kalles de fire hovedmaterialene. I dag er industrinivået for komposittmaterialer i et land eller en region blitt en av indikatorene for å måle dens teknologiske og økonomiske styrke. Avanserte komposittmaterialer er en kilde til konkurransefortrinn for nasjonal sikkerhet og nasjonal økonomi. Blant dem er epoksyharpikser utmerkede reaksjonsherdbare harpikser. Innen fiberforsterkede komposittmaterialer spiller epoksyharpikser en stor rolle. Det er sammensatt med høyytelsesfiber PAN-basert karbonfiber, S- eller E-glassfiber, aramidfiber, polyetylenfiber og basaltfiber, og det blir et uerstattelig viktig matrisemateriale og strukturelt materiale, som er mye brukt i elektronisk kraft, romfart, sportsutstyr, bygningsforsterkning, trykkrørledninger, kjemisk anti-korrosjon og andre seks felt. Denne artikkelen fokuserer på den innenlandske og utenlandske statusen til avanserte harpiksmatrisekompositter i luftfarten og problemene og retningene som Kina studerer.
Forsterkende fibre brukt i komposittmaterialer
Ytelsessammenligningen av ulike fibermaterialer brukt i komposittmaterialer er vist i tabell 1. Egenskapene til noen materialer ble sammenlignet. Det kan sees fra tabell 1 at den spesifikke styrken og spesifikke modulen til glassfiber alene økes med henholdsvis 540 prosent og 31 prosent sammenlignet med metallmaterialer, og forbedringen av karbonfiber er enda mer betydelig. I følge litteraturrapporter er den teoretiske styrken til enkeltkrystallgrafitt beregnet fra bindingsenergi og bindingstetthet så høy som 150 GPa. Derfor er videreutviklingspotensialet til karbonfiber veldig stort. Japans Toray Companys kortsiktige mål er å lage karbonfiberstrekkstyrke på 8,5GPa, modul 730GPa. Unødvendig å si vil karbonfiber fortsatt være hovedmaterialet for solide rakettmotorhus og dyser i fremtiden.
Utviklingen av andre anvendelser av karbonfiberkompositter er svært lovende, for eksempel fly- og høyhastighetstogbremsesystemer, sivile fly- og bilkomposittkonstruksjoner, høyytelses karbonfiberlager, store blader for vindturbiner, sportsutstyr (som ski). , racketer, fiskestenger), etc. . Med utvidelsen av produksjonsskalaen for karbonfiber og den gradvise nedgangen i produksjonskostnadene, vil bruken av karbonfiber i armert betong, nye varmeenheter, nye elektrodematerialer og til og med daglige nødvendigheter også utvides raskt. For å samarbeide med de olympiske leker i Beijing, planlegger landet mitt å kraftig utvikle nye CFRP-byggematerialer og nye høyteknologiske CFRP-markeder knyttet til miljøvern og forbruksvarer.
Karbonfiber er et materiale med høy styrke og høy modul. I teorien kan de fleste organiske fibre gjøres til karbonfibre. Det er tre hovedtyper av organiske fibre som faktisk brukes som råmaterialer for karbonfibre: viskosefiber, bekfiber og polyakrylnitrilfiber. De fleste karbonfibrene som brukes i nåværende solide rakettmotorkonstruksjonsdeler er laget av polyakrylnitrilfibre.
Aerospace harpiks matrise kompositter
I følge relevante data kan hver 1 kilogram av romfartøyets masse redusere vekten på bæreraketten med 500 kilo, og kostnadene for en satellittoppskyting er titalls millioner dollar. Den høye kostnadsfaktoren gjør konstruksjonsmaterialer lette i vekt og høy ytelse. Det epoksybaserte solide motordekselet produsert ved filamentviklingsprosessen er motstandsdyktig mot korrosjon, høy temperatur og stråling, og har lav tetthet, god stivhet, høy styrke og stabil størrelse. For eksempel er rakettstridshoder og satellittkapper, varmebestandige materialer for romfartøyer og solcellearraysubstrater alle laget av epoksybaserte og epoksyfenolbaserte fiberforsterkede materialer. For å ta hensyn til romfartsflyvning og dens sikkerhet, som et strukturelt materiale, bør det ha lett vekt, høy styrke, høy pålitelighet og stabilitet, og epoksy-karbonfiberkomposittmateriale har blitt et uunnværlig materiale.
De forsterkende materialene som brukes i høyytelses epoksykompositter er hovedsakelig karbonfibre (CF) og hybridfibre av CF og aramidfibre (K-49) eller høystyrke glassfibre (S-GF). Epoksyharpiksen som brukes som matrisemateriale står for omtrent 90 prosent av høyytelses komposittharpiksen. Støpeprosessen av høyytelses komposittmaterialer tar for det meste i bruk enveis prepreg tørr opplegg, og autoklavering og støping. Høyytelses epoksykompositter har blitt mye brukt i forskjellige fly. For å ta USA som eksempel, på 1960-tallet ble bor/epoksy-komposittmaterialer brukt til flyskinn og operasjonsoverflater. På grunn av de høye kostnadene for borfibre, ble karbon/epoksykompositter omgjort til karbon/epoksykompositter på 1970-tallet og utviklet seg raskt. Den kan grovt sett deles inn i tre stadier. Det første trinnet påføres komponenter med liten kraft, slik som ulike kontrolloverflater, rorflater, spoilere, rulleroer, klaffer, dragplater, landingsdører, motordeksler og andre sekundære strukturer. Det andre trinnet brukes på konstruksjonsdeler med stor belastning, for eksempel stabilisatorer, horisontale haler i full bevegelse og bærende bærende konstruksjonsvinger. Det tredje trinnet brukes på komplekse stressede strukturer, som flykropp, sentral vingeboks, etc. Generelt kan vekttap være 20 prosent til 30 prosent. For tiden har mengden komposittmaterialer på militærfly nådd omtrent 25 prosent av vekten av strukturen, og utgjør 80 prosent av kroppens overflate. Det er mange brukseksempler på høyytelses epoksykomposittmaterialer i utenlandske militære og sivile fly.
I tillegg til ablative komposittmaterialer i romfartsindustrien, er høyytelses komposittmaterialer også mye brukt. For eksempel, etter å ha tatt i bruk C/EP, kan kjeglen til instrumentkabinen til Trident-missilet redusere vekten med 25 prosent til 30 prosent og spare arbeidskraft med omtrent 50 prosent. Den brukes også som instrumentstøtte og 55 hjelpekonstruksjonsdeler som gyrostøtte, støttering for utstøtingssylinder, støtte for utstøtingsrulle, indre støtte for treghetsanordning og batteristøtte på Trident-missilet. På grunn av vektreduksjon økes rekkevidden med 342 km. Skjold og mellomtrinn for Delta-raketter er også produsert av C/EP. Antennene, antennebrakettene, solcellerammene og mikrobølgefiltrene på amerikanske satellitter og fly er alle produsert av C/EP. C/EP brukes til å lage antennestøttestruktur og stor romstruktur på Intelsat V. Romfartøyet Air Voyager bruker K-49/EP for antennesubreflektorene med høy forsterkning og de indre og ytre skallene til honeycomb-sandwichstrukturen. Romfergen bruker Nomex honeycomb C/EP-komposittmaterialer for å lage store luker, strukturelle paneler i C/EP-halekabinen, etc.
