碳纤维材料广为人知的优点就是质轻高强,碳纤维材料的密度仅有1.7g/cm3 ,不到钢的1/4 ,但是其抗拉强度能够达到3000MPa以上,是钢的数倍,比强度和比模综合指标要优于现在结构材料,在实现轻量化的同时还能够有效满足使用强度所需。并且,碳纤维属于-种各向异性材料,沿纤维轴和垂直纤维轴方向的强度不同,利用这一特性,可以将碳纤维进行合理的铺层设计,尽可能发挥出优势。
通常无机和有机材料的导热性较差,但是碳纤维的导热性能接近于钢铁,可以应用太阳能集热器材料、传热均匀的导热壳体材料。碳纤维材料的工作温度高,使用安全,其热膨胀系数小，基本上不会随工作温度的变化发生变形,保证尺寸的稳定性。碳纤维是一种非金属材料 ,对一般的、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性能,适应多种工作环境,延长碳纤维制品的使用寿命。
”轻质化、长寿命、舸靠能、高隐身、高突防、低成本”是新一代飞行器的发展目标,而碳纤维复合材料,凭借着自身轻质、高强、
可设计、、耐高温等优点,逐渐使用于飞行器上,成为先进的飞行器结构的基本材料。
纵观国内外，飞行器结构使用碳纤维复合材料大致可分为三个阶段:第-阶段,用于受力较小或非承力件,如舱门、口盖、整流罩以及襟副冀、方向舵等;第二阶段,用于垂尾、平尾等尾翼-级的次承力部件;第三阶段,用于机冀、机身等主承力结构。碳纤维复合材料的密度为1.7g/cm^3 ,强度1500MPa ,而传统的飞行器制造材料钢、铝,它们的密度分别为2.7g/cm^3、7.85g/cm^3 ,强度分别为600MPa、265MPa.
碳纤维复合材料使用于飞行器结构上已经历了半个世纪,并取得了巨大的成功,获得了宝贵的经验。但是从发展角度看，想要扩 大使用,还需解决-些列问题:
1、减重效率有待进一步提高。造成这个问题主要有三方面原因:设计合理性、材料稳定协调性以及检侧可靠性。
2、降低成本势在必行。飞行器碳纤维复合材料结构成本主要来源于制造工艺、验证分析试验和增强纤维材料等三大方面。
3、加快造自动化程度与材料化需深化研究。尽管自动铺放技术近几年发展迅速,但是对飞行器碳纤维复合材料结构制造工艺,无论是单个构件制造过程还是不同类的结构件,其自动化普适性均有待根本改进,以进一步提高生产效率与质量。
预组装CFRP框架：框架是飞机机身中的横向加强元件。在空中客车A350中使用CFRP和的一体式机身结构可以减轻重量和生产步骤。需要额外的加强元件（夹板）以防止框架向侧面弯曲。翼肋（可达6米）在几何上都互不相同，因此，每个翼肋都需要一个特殊的模具模板，以便手动为组件配备公差为0.2毫米的防滑钉。这些模板昂贵且使用复杂。此外，手动防滑钉进给和预组装需要很大的差异。在连接零件上进行大量测量步骤，以实现的位置对准也是必不可少的。 FraunhoferIFAM的项目经理LeanderBrieskorn解释说：“Tempo”项目给我们带来了一个挑战，即以一种既能减少持续时间又能减少过程复杂性的方式自动化过程步骤。“夹板应该被自动捡起并送入框架。为了将框架和夹板铆接在一起，需要钻穿两个部件。我们通过使用我们开发的高精度末端执行器为框架配备夹板来实现这一点。此外，在我们位于斯塔德的近系列机身装配厂中，机身安装在机身外壳上，没有任何间隙。”
定位和钻孔末端执行器，用于CFRP整体框架的自动化，高精度和质量保证的预组装 研发的定位和钻孔末端执行器可以完成以下任务：接收不同的防滑钉，将它们定位在不同的整体框架上，同时对两个部件进行双重钻孔。紧凑的末端执行器可以通过所使用的门户系统以及标准工业机器人来拾取。选择门户系统以提高定位精度。整体框架在门架下方的高跷上拉伸，可以使用多种机械调节选件在空间中定向。末端执行器具有对称的固定器，通过它可以拾取不同方向的夹板并将其夹在固定器上。使用弹簧阻尼的机械限位器，可以到达各个连接位置。当防滑板加固件从上方放置在框架的整体表面上，并且使用内置机制将两个部件夹紧时，钻孔过程将从框架的背面进行，以防止CFRP磨损。抽气系统将产生的钻屑收拾起来。钻完零件后，就可以确定防滑钉在框架上的位置。然后可以将防滑板铆接到框架上。
在航空航天领域的碳纤维复合材料制品应用是什么样的呢?
在航空航天领域传统的采用多采用金属材料，因为高强度、耐高温、高比模量等特征非常好的保证了我们在航空航天领域的研发和科技的推动。那在航空航天领域中研究发现，如果能够减重1千克，大约能够节省下1万美元的燃料，那在材料使用上面的科研就是我们研发的方向，还能非常好的提升火箭、飞船的负荷质量，所以对于航空航天材料的重量和质量是非常值得去关注的点。
在航空航天领域还有一个非常重要的点就是耐高温性能，碳纤维复合材料是通过碳纤维束和树脂进行预浸到固化形成碳纤维预浸料，那在这个过程中，为了更好的保证碳纤维复合材料耐高温的性能，就可以进行树脂添加物，使得成型后的碳纤维制品具备非常好的耐高温性能。
在整个航空航天材料的选择上面就需要有重量轻、强度高、耐高温、变形小的特点，这一系列的特征都指向了碳纤维复合材料，当然钛合金也可以，但是钛合金的资源太少，这也是为什么国家大力扶持碳纤维企业的原因，在国外技术不共享的情况，国内大力推进碳纤维复合材料研发的重要原因。
那碳纤维在航空航天领域的应用中，大尺寸的碳纤维还没有生产的先例，现在主要是进行一些小零部件的生产，然后进行机加工组装，常见的有飞机尾翼，利用蒙皮进行长桁组成，通过模具使得碳纤维制品进行组合在一起，然后再进行热压罐成型。
除了飞机尾翼，还有非常平尾、垂尾等。那在航空航天领域，我们被广泛运用的有整流罩、前缘、舱门以及内部的材料选用，很好的保证了航空飞船的性能表现，在一定程度上减少了整体的重量，那在航天飞船的桶身应用，采用多段桶身的生产后，然后进行组成，从而生产出碳纤维复合材料的航空壁体，在这个过程中特别重要的地方就是衔接处。
以上信息由专业从事碳纤维支架制造商的星河运动于2024/5/8 7:11:43发布
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