目前世界上只有極少數國家能穩定生產出高性能碳纖維,且核心技術長期掌控在日本和美國企業巨頭手中。其中,日本的三家公司碳纖維生產能力就佔世界四分之三,成為業界的「巨無霸」。
因此美日都把碳纖維技術看作是奇貨可居,而且由於其在軍事航空領域的重要作用,美日對其出口都相當保守,並對中國採取禁運手段。
那麼碳纖維複合材料在軍事航空領域到底有多麼重要的作用呢?
據「中國材料研究學會」消息稱,國外將複合材料應用在戰機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明顯的減重作用,大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能,數據顯示採用複合材料結構的前機身段,可比金屬結構減輕質量31.5%,減少零件61.5%,減少緊固件61.3%;複合材料垂直安定面可減輕質量32.24%。
據悉,美國第四代戰鬥機F22採用了約24%的碳纖維複合材料,從而使該戰機具有超高音速巡航、超視距作戰、高機動性和隱身等特性。而據外媒報導,F-35戰機首飛時間一推再推,其中很重要的一個原因就是超重。
為破解這一難題,洛?馬公司採用多達35%的碳纖維複合材料才大幅降低了機體重量。美國防部在「面向21世紀國防需求的材料研究」報告中強調,「到2020年,只有複合材料才有潛力使裝備獲得20-25%的性能提升」。
對於新型複合材料的發展趨勢和其對軍用航空的重要意義,中國都相當重視,但是礙於西方壟斷技術和產品,中國只有埋頭自主研發。功夫不負有心人,現在終於具備了一定的生產能力,而不用再受技術大國卡脖子了。
近期媒體報導稱中復神鷹率先在國內建成了首條基於幹噴溼紡工藝的碳纖維生產線,實現了連續穩定運行。其T800碳纖維生產線規模擴大到百噸級,有進一步擴大生產能力的潛力,屆時將真正實現中國高強度中等模量碳纖維的產業化生產,實現中國碳纖維行業的戰略破局。
實際上中國的四代機殲20和殲31要想達到四代機超音速巡航問題,除了性能優異的大推力發動機外,如果使用碳纖維複合材料實施減重,也對性能指標的實現有極大的幫助。
而在中國自主發動機的缺陷尚未有效解決的前提下,其重要性尤其得到體現。空重17噸的殲20戰鬥機如果使用30%以上的符合材料,減輕的重量可以增加載油量或載彈量。
按現在碳纖維複合材料的產能規模算,如果每架殲20用30%的碳纖維複合材料部件(約合5噸),那麼中復神鷹年產100噸複合材料,可以支持殲20每年生產至少20架。
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碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維,其含碳量隨種類不同而異,一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性,如耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等,但與一般碳素材料不同的是,其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物,沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維比重小,因此有很高的比強度。
碳纖維是由含碳量較高,在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維,經熱穩定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝製成的。
碳纖維是一種力學性能優異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂複合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上,是鋼的7~9倍,抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高於鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比鋼高。
用途
碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體複合,製成結構材料。碳纖維增強環氧樹脂複合材料,其比強度、比模量綜合指標,在現有結構材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域,在要求高溫、化學穩定性高的場合,碳纖維複合材料都頗具優勢。
碳纖維是50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學技術的需要而產生的,現在還廣泛應用於體育器械、紡織、化工機械及醫學領域。隨著尖端技術對新材料技術性能的要求日益苛刻,促使科技工作者不斷努力提高。80年代初期,高性能及超高性能的碳纖維相繼出現,這在技術上是又一次飛躍,同時也標誌著碳纖維的研究和生產已進入一個高級階段。
由碳纖維和環氧樹脂結合而成的複合材料,由於其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。因為航天飛行器的重量每減少1公斤,就可使運載火箭減輕500公斤。所以,在航空航天工業中爭相採用先進複合材料。有一種垂直起落戰鬥機,它所用的碳纖維複合材料已佔全機重量的1/4,佔機翼重量的1/3。據報導,美國太空梭上3隻火箭推進器的關鍵部件以及先進的MX飛彈發射管等,都是用先進的碳纖維複合材料製成的。
現在的F1(世界一級方程錦標賽)賽車,車身大部分結構都用碳纖維材料。頂級跑車的一大賣點也是周身使用碳纖維,用以提高氣動性和結構強度
碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。傳統使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外,一般不單獨使用,多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中,構成複合材料。碳纖維增強的複合材料可用作飛機結構材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用於製造火箭外殼、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等。
優勢
1、高強度(是鋼鐵的5倍)
2、出色的耐熱性(可以耐受2000℃以上的高溫)
3、出色的抗熱衝擊性
4、低熱膨脹係數(變形量小)
5、熱容量小(節能)
6、比重小(鋼的1/5)
7、優秀的抗腐蝕與輻射性能
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