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CC复合材料在火箭发动机和飞机上的应用

发布日期:2017-07-25 来源: 中国金沙网址_金沙网站_澳门金沙网址-js191.com网 查看次数: 5 作者:admin
核心提示:  C/C复合材料在火箭发动机和飞机上的应用廖勋鸿廖名华2,王鑫秀刘桂香1(1哈尔滨电炭研究所,哈尔滨150030;2黑龙江省电信公司,哈尔滨150001)等飞行器都把采用C/C复合材料代替某些常规金

  C/C复合材料在火箭发动机和飞机上的应用廖勋鸿廖名华2,王鑫秀刘桂香1(1哈尔滨电炭研究所,哈尔滨150030;2黑龙江省电信公司,哈尔滨150001)等飞行器都把采用C/C复合材料代替某些常规金属结构件作为提升其飞行性能的重要途径。

  1刖言炭纤维是一种高强度、高模量低密度、具有潜在低价格特征的丝状体材料,在结构件中单独使用炭纤维的情况很少,主要用炭纤维增强金属,塑料等形成复合材料。炭纤维增强塑料形成炭炭(C/C)复合材料。C/C复合材料所具备的高强度、高刚度、低密度耐高温、耐疲劳蠕变的综合性能,使其成为一种特殊的新兴结构材料。

  航空航天飞行器的结构件要求坚固的、刚度大的,同时又是尽可能轻的材料钢坚固、强度大,价格低廉,但作为主要的飞行器骨架,过于笨重;玻璃纤维复合材料具有坚固和密度低的特点,但其刚度较低,难以承受大的弯曲负荷,耐疲劳性能较差;C/C复合材料兼备高强度、高刚度和低密度的特性,其强度与中炭钢相当,密度只有钢的四分之一,受到航空航天工业的特别重视,具有广泛的应用价值,前景广阔由于C/C复合材料是一种新兴的高技术材料,设计制造技术、质量检测控制技术复杂,价格高,使C/C复合材料的生产和应用还受到很多限制,特别在一些科技欠发达地区对C/C复合材料的生产和1942-),男,湖南永兴人,毕业于湖南大学,研究员级高级工程师,主要从事炭-石墨材料应用开发和工艺工作②灼热表面的超加热的热冲击热梯度礼机翼等大部分结构件厉C/躁合材料,减轻重bookmark2应用还处在一个较低的水平。即使如此,欧、美、日等科技发达地区研究、生产C/C复合材料的技术却日臻完善,推广应用速度很快,越来越多地在现代高性能运输机战斗机和火箭发动机上采用C/C复合材料。

  C/C复合材料的制造工艺2.1常规工艺炭毡炭布或炭纤维编织件用树脂浸渍、炭化处理;或用炭气相沉积;或用树脂浸渍、炭化处理与炭气相沉积相结合的工艺制造C/C复合材料如果需要石墨形态的炭,可用上述方法制得的炭在控制气氛、控制升温速度下加热处理到2炭纤维经用树脂预浸渍或短切炭纤维与基体材料混合后经模压成希望的形状固化,在控制气氛和控制加热速度的情况下加热炭化树脂,通过炭气相沉积(或浸渍)进一步增加C/C复合材料的密度,视密度达到预期目标的程度,可进行多次增加密度的处理在控制气氛和加热速度的情况下将上述产品加热到2 50C~2800C可获得石墨形态的c/C复合材料。

  C/C复合材料的应用3.1在火箭发动机上的应用随着空间技术的快速发展,人们探索开发利用宇宙空间的活动日益频繁,各国之间争夺空间资源的竞争异常激烈,地面上的超级大国争当空间超级大国的形势不容置疑运载各种空间探测器、空间站的运载火箭的性能和数量不断发展固体燃料火箭发动机是用高强度、重量轻的容纳燃料的压力容器和喷管等部件组成的用高强度炭纤维编制缠绕增强塑料制成火箭发动机壳体的研究和应用受到广泛重视,C/C复合材料具有强度/重量大的优势,在火箭发动机壳体的制造中使用具有最大强度币量的材料可以得到火箭壳体的最佳性能,固体燃料火箭炭纤维发动机壳体已经获得广泛应用,我国在这方面也已有较高水平火箭喷管是燃料燃烧产生的热能在排气口喷嘴转变成具有强大推动力的动能所必须的关键部伟喷管材料必须经受住:①2 00C~3500C的高温;起的热应力,④高压力;⑤连续数分钟暴露在高速腐蚀性气体之中等苛刻的工作条伟作为火箭喷管材料,高熔点金属的突出弱点是承受高温能力差而且笨重,高性能合成石墨材料广泛应用于火箭喷管,如美国的AT石墨和我国的T705石墨等石墨材料是由于它们具有高温稳定性好重量轻的优点,为了弥补其机械性能的缺欠,还需要用钢或铝合金之类的结构材料给予支撑。而钢和铝又无能力经受住高温而需要保护,所有这些又增加了喷管的重量C/C复合材料全是炭,可以耐高温;其强度是优质合成石墨材料的10~ 20倍,甚至更高;重量只有钢的四分之一。用C/C复合材料设计制造火箭喷管可节约重量达30%~50,C/C复合材料成为更具潜力的理想的火箭喷管材料3.2在飞机上的应用飞机用结构材料一般都要求高强度、高刚度和重量轻飞机的重量直接关系到飞机的飞行性能,如飞行速度、飞行距离、燃料消耗、净载重量等都可以从减轻飞机重量中得到好处在确保材料具有足够强度和刚度的前提下,尽可能轻一些是飞机设计制造者追求的重要目标VC/C复合材料具备飞机用结构材料要求的高强度、高刚度和重量轻的综合性能,成为现代高性能飞机重要的新型结构材料用预浸渍高强度炭纤维编织扭力杆,承受扭力负荷,比常规钢部件节约重量50%以上用高强度炭纤维增强C/C复合材料做蒙皮,其重量轻而且具有足够强度。飞机的控制翼面、横尾翼、机翼是C/C复合材料在蒙皮上的广泛应用场合在滑翔机情况下,用C/C复合材料制作翼梁承受大的翼展,有益于竞赛飞行的可靠性。

  科技发达国家非常重视C/C复合材料在飞机上的应用,特别是现代高性能的运输机和战斗机越来越重视用C/C复合材料代替某些常规金属结构件,如“3-11airbus”客机上用C/C复合材料增强金属梁制做乘客台面横向支持件,1kgC/C复合材料可以代替3kg铝合金,仅此一项一架飞机可节约结构重量几百公斤当今世界最长的远程宽体客机A340- 600使用C/C复合材料制做后密封波音公司计划推出新一代高速宽体客机“音速巡洋舰”包量,使新型飞机的飞行速度提高15%~ 2(%.“B-1ET、”阵风“等战斗机,大面积采用C /C复合材料以符合其飞行机动性强的要求”鹰师“是一种轻型战斗机,为了实现其敏捷、灵活的飞行特点,在其方向舵、副翼、机翼蒙皮等多种结构件采用C/C复合材料。

  小型常规民用飞机可能不经常满负荷或超距离飞行,对其重量的节约还没有特别重视对于现代高性能的超音速运输机垂直起落飞机和战斗机,其重量的节约所带来的好处非常明显,因此C/C复合材料在这些飞机上的应用倍受重视4影响C/C复合材料推广应用的部分因素C/C复合材料是一种很有潜力的结构材料,虽然已经在飞行器上得到越来越广泛的应用,但还远未达到应有普及程度原因是多方面的,例如:炭纤维是C/C复合材料的主要组成部分,高性能的炭纤维及其前驱体的制造技术和产品作为战略资源还被封锁在少数科技发达国家手中,多数欠发达地区还没有制造高性能炭纤维及C/C复合材料的能力,更谈不上使用和推广。

  C/C复合材料的设计制造难度大,炭纤维具有物理性能的各向异性,如何排列布置炭纤维以适合结构件的使用特征,发挥炭纤维及C/C复合材料的潜力是复杂而精细的工作,有的部件用炭纤维增强树脂,其纤维的排列层数多达成千上万层,炭纤维的排列布置方式、粘结剂的性能、用量及均匀程度,都直接影响C/C复合材料构件的质量,在如此多层数的C/C复合材料的内部出现任何“起泡”等分层现象都将引起不良后果。

  C/C复合材料是一种脆性材料,而且它的热胀行为与金属的热胀行为不一样,C/C复合材料部件与其它部件联接不同于常规金属部件之间的铆接和螺钉联接,确保各部件之间的有效联结很重要。

  C/C复合材料部件与常规部件相比,造价高得多,增加制造成本5结束语C/C复合材料密度低,用C/C复合材料做成的结构件重量轻,这是火箭发动机和飞机采用C/C复合材料的重要着眼点。

  现在炭纤维及C/C复合材料的价格还很高,但作为飞行器用的材料的成本只占其总体制造费用的少部分例如飞机的材料成本只占其总成本的百分之几,而飞机结构重量接近飞机重量的一半。用C/C复合材料代替常规金属构件,节约重量的潜力很大,由此而获得的飞行性能的提高更是人们关注的目标随着炭纤维及C/C复合材料设计制造技术的不断成熟,价格降低,C/C复合材料在航空航天领域将获得越来越深入广泛的应甩

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