刘艳伟
哈尔滨飞机制造有限责任公司复合材料厂工艺室 黑龙江省哈尔滨市 150060
摘要:相比其他的高性能纤维材料，碳纤维的力学性能是最为优异的，这种碳素材料最为显著的特征之一就是遇到超高温的情况，其强度也不会发生任何的变化。除此之外，它所具备的导电、导热性能等都是高性能纤维材料中最优越的，所以在进行飞机制造时，碳纤维就成为了首选的材料。随着社会的不断发展，近几年研发出来的高端碳纤维复合材料也变得越来越多，其用量已经达到了50%以上。由此我们可以看出，碳纤维不仅具有十分广阔的市场需求，同时它也在一定程度上促进了航空事业的快速发展。
关键词 碳纤维；航天事业；超高温温；复合材料
1碳纤维材料的特性
碳纤维复合材料是指以碳或石墨纤维为增强体的树脂基复合材料。碳纤维复合材料是由含碳量较高、在热处理过程中不熔融的人造化学纤维经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的，其含碳量随种类不同而异，一般90%以上，不仅具有一般碳素材料的特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，但仅依靠碳纤维片本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能，只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密结合才能达到补强的目的，具体具有以下特性：沿纤维轴方向有很高的强度，碳纤维的拉伸强度为2～7GPa，约为钢材的10倍，其树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为230～430Gpa亦高于钢，经应力疲劳数百万次的循环试验，其强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，玻璃只有20%～25%，所以所取安全系数为最低，但碳纤维的径向强度不如轴向强度，剪断强度弱，耐冲击性差；非氧化环境下具有突出的耐热性能，可以耐受2000℃以上的高温，碳纤维要温度高于1500℃时强度才开始下降，而且温度越高，纤维强度越大；外形有显著的各向异性、柔软，可加工成各种织物、毡、席、带、纸及其他材料；热膨胀系数小，变形量小，结构尺寸稳定性好；具有极好的纤度，一般仅约19g，密度约为1.5～2g/cm3，比重比铝还要轻，重量约为钢材的1/5，比强度却是铁的20倍耐腐蚀性好，碳纤维的成分几乎是纯碳，而碳又是最稳定的元素之一，除强氧化酸以外，能在各种有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，不存在生锈问题；耐磨性好，与金属对磨时，损耗很少，可制成高级的摩擦材料。
2碳纤维复合材料的技术分析
碳纤维复合材料之所以拥有着十分广泛的市场发展前景，最为主要的原因就是其具备的优良力学性能。要想使碳纤维复合材料的产能进行转化，成为促进国民经济发展的重要因素，我们就要努力扩大这种材料的应用领域，同时还要不断提升该材料在航空领域的应用水平。为了尽早实现这样的目标，我们必须不断对碳纤维复合材料的技术进行提升。
2.1建立标准化的碳纤维评定体系
一开始，提升碳纤维材料的抗拉伸强度以及模度指标就是该材料的力学特性研究的主要目的，所以比强度以及比刚度就成为了碳纤维材料主要的评定指标。但随着社会的飞速进步，人们对于碳纤维复合材料的研究要求也变得越来越高，因此，我们必须不断推动该材料的研究。一般来说，碳纤维复合材料起到的主要目的就是增强体作用，只有满足了相关的评定准则，那么碳纤维才能更为广泛的运用于飞机构件上，这也是最为基础的条件之一。
2.2碳纤维用上浆剂的技术研究
为了提高碳纤维的工艺性能，通常在制造过程中都会在该材料的表面涂上一层名为上浆剂的物质，这样可以在很大程度上提高该材料的性能。
简单来说，上浆剂对于碳纤维复合材料有着十分重要的影响作用，所以国内外的很多研究人员都对其投入了大量的关注，特别是日本东丽公司，他们已经将上浆剂的品种作为了公司的机密，并且采取了严格的保护措施。
2.3碳纤维复合材料的结构设计
由于碳纤维复合材料本身就具有一些较为优异的性能特点，所以在进行该材料的结构设计时，我们必须注意以下几点：结构设计方法不能一味按照金属结构的设计方法进行、在进行结构设计时必须进行充分的考虑。如果做不到以上两点，那么材料原本的机理就会受到一定的损坏，并且设计出来的材料性能很有可能逊色于其他金属材料。为了有效的推进复合材料的运用以及优势，在设计过程中相关人员必须进行充分的考虑，从而设计出一种性能优异，成本较低的复合材料。
3碳纤维复合材料在飞机上应用的相关要求
3.1碳纤维复合材料的结构设计方面的要求
碳纤维复合材料拥有自身特殊的性能特征，因此在设计碳纤维复合材料的结构时，要充分考虑其破坏机理，不要只是对金属的结构的设计方法照抄照搬，这样所设计出的碳纤维复合材料在性能上就可能不如金属材料。因此，为使飞机结构上碳纤维复合材料的应用能够更好发使其具有的优势发挥出来，进而设计出成本低性能优的复合材料。而为了可以使碳纤维复合材料的设计技术更加的有效，就要强化碳纤维复合材料设计人才的培养，从而促进碳纤维复合材料研结构设计水平的提升。
3.2碳纤维复合材料抗冲击性能方面的要求
碳纤维复合材料应是否可以更好的应用在飞机结构上，冲击损伤是其中最为重要的影响。一般会将CAI@6．7Jhmn作为对碳纤维复合材料抗冲击性能进行评定的技术指标，然而在实际上，在飞机结构上应用碳纤维复合材料，要对中厚蒙皮使用的损伤容限性能，以及对薄蒙皮与薄面板夹层结构使用的损伤阻抗性能两个方面都要进行考虑。对于飞机上的不同部位来说，应该使用力学性能不同的碳纤维复合材料，所以对碳纤维复合材料的性能指标进行评定时就需要对各个指标参数进行综合评定。
3.3碳纤维复合材料在飞机结构使用上的限制范围
碳纤维复合材料以其优良的力学性能够使飞机的结构质量得以有效降低，同时也使得善飞机的结构性能得以改善。随着航空航天领域的不断发展，碳纤维复合材料在军用民用飞机上的应用比例会更加的提高。然而就当前来看，碳纤维复合材料的价格仍然很高，因此在民用客机上，碳纤维复合材料的应用比例还较低，因此在对复合材料进行应用的过程中依然应该对价格／性能比进行考虑。当前，碳纤维复合材料占结构总量的1／4，而从原材料的工艺水平以及价格方面来看，短期内民用飞机的碳纤维用量适合控制在这个比例范围之内。
3.4碳纤维复合材料成本控制方面的要求
要在飞机结构上更为广泛的应用碳纤维复合材料，对其应用的成本进行有效的控制十分的关键。从成本控制来看，可以通过两个方面来实现，分别是降低碳纤维和复合材料的制备成本以及成型技术的成本两个方面。复合材料在制备的过程中碳纤维、碳布、预浸料和基体树脂等原材料都能够从预算上进行控制，然而需要注意的是不可以利用对价格的牺牲来换取成本的降低，而是要从生产规模、技术方案以及技术路线等方面进行控制。同时，还应该对复合材料制备新技术不断的进行优化，从而达到生产周期缩短、生产效率提高、废品减少、质量提高的目的。
结语
碳纤维复合材料的优势明显，其在飞机结构中的运刚，具有一定的原则，根据原则的要求，落实相关的运用。机结构运用中，积极推进了碳纤维复合材料的发展，确保此类材料，更加符合飞机制造的规范要求，体现_r碳纤维复合材料的实践价值，避免影响飞机机构的制造效益。
参考文献
[1]王启利.碳纤维复合材料在飞机中的应用[J].科技展望，2016，（34）：111.
[2]陈思.碳纤维复合材料在笔记本电脑后盖中的应用研究[D].东南大学，2016.
[3]彭书杰，陈付奎，孙晗，等．碳纤维复合材料与飞机结构[J]．工程技术：文摘版，2016，(6)：273．