高性能碳纖維複合材料在航空航天中的主要應用特點

先進複合材料（Advanced Composites，ACM）是指可用於加工主承力結構和次承力結構、其剛度和強度性能相當於或超過鋁合金的複合材料。目前主要指有較高強度和模量的硼纖維、碳纖維、芳綸等增強的複合材料。碳纖維複合材料具有質量輕，較好的延展性、較高的比強度、導熱、耐高低溫、抗腐蝕隔熱、減振以及獨特的透電磁波，吸波隱蔽性和易加工性等特點，在航空航天領域應用較為常見。

碳纖維複合材料在航空航天等軍事上的應用價值特別大。比如，在軍用飛機和衛星方面，不僅要求材料要輕，強度要求也很高；在醫療器械方面，需要材質具備高透X光，還有與人體具有好的生物相容性；在軍用船隻方面，要耐高壓更要耐腐蝕。面對這些苛刻要求，只有藉助先進複合材料技術才能解決。

1、高的比強度和比模量

在不同飛行器上節省結構質量所具有的價值不盡相同,但是為達到減重的目標，除了優化結構形式外，採用高比強度、高比模量的材料幾乎是唯一的途徑。蘇州挪恩複合材料利用碳纖維複合材料為國內某無人機廠商定製碳纖維部件，根據廠商的驗收反饋，該款碳纖維無人機部件設計強度滿足無人機使用需求，整體重量相交傳統無人機重量減輕約40%，大幅度提升無人機的飛行裡程和飛行速度，充分驗證碳纖維在輕量化方面的優越性。

2、各向異性和可設計性

碳纖維複合材料表現出顯著的各向異性，即沿纖維軸方向和垂直於纖維軸方向的許多性質，包括光、電、磁、導熱、比熱、熱脹以及力學性能，都有顯著的差別。

材料的各向異性雖給材料性能的計算帶來麻煩，但也給設計帶來較多的自由度。由於碳纖維複合材料鋪層的各向異性特徵，鋪層取向又可以在很寬的範圍進行調整，所以可通過改變鋪層的取向與鋪疊順序來改變碳纖維複合材料的彈性和強度特性，以獲得滿足使用要求、具有最佳性能質量比的碳纖維複合材料結構。

碳纖維複合材料的力學性能存在著金屬材料所沒有的耦合效應。例如，單向板在受到非主軸方向拉伸時，將引起剪切變形，即拉剪耦合;當單向板受到非主軸方向彎曲時，將引起扭轉變形，即彎扭耦合。對碳纖維複合材料耦合效應的巧妙應用可以解決前掠翼飛機機翼設計上存在的扭轉變形擴散問題，而採用金屬材料，這些問題是難以解決的。

3、良好的抗疲勞特性

疲勞破壞是材料在交變載荷下，由於裂紋的形成和擴展而產生的低應力破壞。在碳纖維纖維複合材料中存在著難以計數的纖維樹脂界面，這些界面能阻止裂紋進一步擴展，從而推遲疲勞破壞的發生。碳纖維複合材料的拉/壓疲勞極限值達到靜載荷的70%～80%，而大多數金屬材料的疲勞極限只有其靜強度的40%～50%。

4、易於大面積整體成形

樹脂基複合材料在成形過程中，由於高分子化學反應相當複雜，進行理論分析與機理預測常常會有許多困難。但是對於批量生產而言，當工藝規範確定後，複合材料構件的製作較為簡單。

許多方法可被用於複合材料構件的成形，如採用拉拔、注射、纏繞、鋪放技術，其中包括整體共固化成形和RTM(Resin Transfer Molding)成形，此類成形技術大大減少了零件和緊固件的數量，簡化了以往金屬鈑金件冗長的生產工序，縮短了生產周期，並容易實現成形自動化。複合材料製件尺寸不受冶金軋板設備、加工和成形設備尺寸的限制。

以上特點讓碳纖維複合材料在航空航天領域得到重點應用，相應的，這些特性也幫助大家解決了很多在航空航天領域中的設計難題。由於國內碳纖維技術與國外還存在一定差距，若想將碳纖維複合材料應用應用於更多領域，還需進行更為深入的研究。