Opgørelse over forsknings-hotspots i avancerede kompositmaterialer til luftfart
Kompositmaterialer og metaller, polymerer og keramik kaldes de fire hovedmaterialer. I dag er kompositmaterialeindustriens niveau i et land eller en region blevet en af indikatorerne til at måle dets teknologiske og økonomiske styrke. Avancerede kompositmaterialer er en kilde til konkurrencefordele for den nationale sikkerhed og den nationale økonomi. Blandt dem er epoxyharpikser fremragende reaktionshærdelige harpikser. Inden for fiberforstærkede kompositmaterialer spiller epoxyharpikser en stor rolle. Det er sammensat med højtydende fiber PAN-baseret kulfiber, S- eller E-glasfiber, aramidfiber, polyethylenfiber og basaltfiber, og det bliver et uerstatteligt vigtigt matrixmateriale og strukturelt materiale, som er meget udbredt i elektronisk strøm, rumfart, sportsudstyr, bygningsforstærkning, trykrørledninger, kemisk anti-korrosion og andre seks felter. Dette papir fokuserer på den indenlandske og udenlandske status for avancerede harpiksmatrixkompositter til luftfart og rumfart og de problemer og retninger, som Kina studerer.
Forstærkende fibre brugt i kompositmaterialer
Ydeevnesammenligningen af forskellige fibermaterialer anvendt i kompositmaterialer er vist i tabel 1. Nogle materialers egenskaber blev sammenlignet. Det kan ses af tabel 1, at den specifikke styrke og det specifikke modul af glasfiber alene øges med henholdsvis 540 procent og 31 procent sammenlignet med metalmaterialer, og forbedringen af kulfiber er endnu mere signifikant. Ifølge litteraturrapporter er den teoretiske styrke af enkeltkrystalgrafit beregnet ud fra bindingsenergi og bindingstæthed så høj som 150 GPa. Derfor er videreudviklingspotentialet for kulfiber meget stort. Japans Toray Companys kortsigtede mål er at lave kulfibertrækstyrke på 8.5GPa, modul 730GPa. Det er overflødigt at sige, at kulfiber stadig vil være hovedmaterialet til solide raketmotorhuse og dyser i fremtiden.
Udviklingen af andre anvendelser af kulfiberkompositter er meget lovende, såsom fly- og højhastighedstogbremsesystemer, civile fly- og automotive kompositstrukturer, højtydende kulfiberlejer, store vinger til vindmøller, sportsudstyr (såsom ski). , ketchere, fiskestænger) osv. . Med udvidelsen af kulfiberproduktionsskalaen og det gradvise fald i produktionsomkostningerne vil anvendelsen af kulfiber i armeret beton, nye varmeanordninger, nye elektrodematerialer og endda daglige fornødenheder også udvides hurtigt. For at kunne samarbejde med de Olympiske Lege i Beijing planlægger mit land at udvikle nye CFRP-byggematerialer og nye højteknologiske CFRP-markeder i forbindelse med miljøbeskyttelse og forbrugsgoder.
Kulfiber er et materiale med høj styrke og høj modul. I teorien kan de fleste organiske fibre laves om til kulfibre. Der er tre hovedtyper af organiske fibre, der faktisk bruges som råmaterialer til kulfibre: viskosefibre, begfibre og polyacrylonitrilfibre. De fleste af de kulfibre, der bruges i nuværende solide raketmotorkonstruktionsdele, er lavet af polyacrylonitrilfibre.
Aerospace harpiks matrix kompositter
Ifølge relevante data kan hvert 1 kilogram af rumfartøjets masse reducere løftefartøjets vægt med 500 kilogram, og omkostningerne ved en satellitlancering er titusinder af millioner af dollars. Den høje omkostningsfaktor gør strukturelle materialer lette i vægt og høj ydeevne. Det epoxybaserede solide motordæksel fremstillet ved filamentviklingsprocessen er modstandsdygtigt over for korrosion, høj temperatur og stråling og har lav tæthed, god stivhed, høj styrke og stabil størrelse. For eksempel er missilsprænghoveder og satellitbeklædninger, varmebestandige materialer til rumfartøjer og solcellearray-substrater alle lavet af epoxy-baserede og epoxy-phenol-baserede fiberforstærkede materialer. Af hensyn til rumfartsflyvning og dens sikkerhed, som et strukturelt materiale, skal det have let vægt, høj styrke, høj pålidelighed og stabilitet, og epoxykulfiberkompositmateriale er blevet et uundværligt materiale.
De forstærkende materialer, der anvendes i højtydende epoxykompositter, er hovedsageligt kulfibre (CF) og hybridfibre af CF og aramidfibre (K-49) eller højstyrke glasfibre (S-GF). Epoxyharpiksen, der bruges som matrixmateriale, tegner sig for omkring 90 procent af den højtydende kompositharpiks. Støbeprocessen af højtydende kompositmaterialer anvender for det meste ensrettet præpreg tør layup og autoklavehærdning og -støbning. Højtydende epoxykompositter er blevet meget brugt i forskellige fly. Tager man USA som eksempel, i 1960'erne blev bor/epoxy kompositmaterialer brugt til flyskind og operationsoverflader. På grund af de høje omkostninger ved borfibre blev carbon/epoxy-kompositter omdannet til carbon/epoxy-kompositter i 1970'erne og udviklede sig hurtigt. Det kan groft opdeles i tre faser. Det første trin anvendes på komponenter med lille kraft, såsom forskellige kontroloverflader, roroverflader, spoilere, ailerons, klapper, trækplader, landingssteldøre, motordæksler og andre sekundære strukturer. Det andet trin anvendes på konstruktionsdele med stor belastning, såsom stabilisatorer, vandrette haler i fuld bevægelse og bærende bærende konstruktionsvinger. Det tredje trin anvendes på komplekse stressede strukturer, såsom skrog, central vingeboks osv. Generelt kan vægttab være 20 procent til 30 procent. På nuværende tidspunkt har mængden af kompositmaterialer på militærfly nået omkring 25 procent af vægten af strukturen, hvilket tegner sig for 80 procent af kroppens overfladeareal. Der er mange anvendelseseksempler på højtydende epoxykompositmaterialer i udenlandske militære og civile fly.
Ud over ablative kompositmaterialer i rumfartsindustrien er højtydende kompositmaterialer også meget brugt. For eksempel, efter at have vedtaget C/EP, kan keglen i instrumentkabinen på Trident-missilet reducere vægten med 25 procent til 30 procent og spare arbejdskraft med omkring 50 procent. Den bruges også som instrumentstøtte og 55 hjælpestrukturelle dele såsom gyrostøtte, udstødningscylinderstøttering, udstødningsrullestøtte, inertianordnings indre støtte og batteristøtte på Trident-missilet. På grund af vægtreduktion øges rækkevidden med 342 km. Skjolde og mellemtrin til Delta-raketter er også fremstillet af C/EP. Antennerne, antennebeslagene, solcellerammerne og mikrobølgefiltrene på amerikanske satellitter og fly er alle produceret af C/EP. C/EP bruges til at lave antennestøttestruktur og stor rumstruktur på Intelsat V. Rumfartøjet Air Voyager bruger K-49/EP til højforstærkende antennesubreflektorer og de indre og ydre skind af honeycomb-sandwichstrukturen. Rumfærgen bruger Nomex honeycomb C/EP kompositmaterialer til at lave store luger, C/EP halekabine strukturelle paneler osv.
