碳纤维及复合材料应用 （上）
对于现代材料而言，材料是物质，设计是意念，制造是途径，应用才是目的。那么接下来，就与大家一同领略一下应用中的碳纤维及其复合材料。
随着科技的发展，碳纤维的应用领域与日俱增，它们除了广泛应用于航空航天等高技术领域，还可用在文体用品、纺织机械、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械、运输车辆等方面。此外，碳纤维在开发不用润滑油的轴承、齿轮、轴瓦、转轴、提升轮等运动频繁、负荷大的零件方面有很好的前景。
1.航天领域
碳纤维增强复合材料在国外液体火箭发动机上的应用十分广泛。如德国Astrium公司设计、制造了一种水冷推力室试验件试验用喷管延伸段，以及为阿里安5火箭芯级火神发动机设计制造了缩尺推力室用喷管延伸段；阿里安5火箭的上面级发动机Aestus发动机和HM-7发动机喷管延伸段；RS-72发动机喷管延伸段；法国Snecma公司研制的一种上面级发动机Venus发动机喷管延伸段；美国Pratt & Whitney公司研制的膨胀循环液氢液氧上面级发动机RL10B-2发动机可延伸喷管；法国Snecma公司研制的膨胀循环液氢液氧上面级发动机Vinci发动机可延伸喷管；美国ARC公司为姿控发动机研制了一个先进材料的演示推力室，除头部的中间部分外，其余部分均用碳纤维增强复合材料整体制作。
碳纤维在国外固体火箭发动机上的应用普遍。主要应用在火箭发动机的喷管部分和碳纤维壳体。在喷管部分，现得到应用的有碳/碳喉衬，碳/酚醛喉衬，碳/碳扩散段，碳/酚醛扩散段，碳/碳螺钉，碳/碳销钉，碳/碳锁片。“MX”导弹第三级发动机喷管中大量使用了碳/碳材料；阿里安-5和阿里安-3运载火箭固体助推器的喷管也主要使用碳纤维材料。在碳/碳扩散段的研究中，美国起步早，1980年代早期已经将碳/碳扩散段延伸锥用于“MX”第三级发动机和侏儒导弹的二、三级发动机。苏联也在1970年代研究碳/碳扩散段，并在1980年代中期应用于SS-24、SS-25等导弹中。法国和德国的研究人员也从1970年代开始研究碳/碳扩散段，并获得试验成功。
在壳体部分，近年来，美国在研制高速、高加速反导拦截导弹时，为了满足高强度、高刚度要求，几乎无一例外地采用了碳纤维环氧壳体，如ERINT低空拦截弹、THAAD高空拦截弹、标准SM23拦截弹的第二、三级体。GBI地基拦截弹级为德尔它运载火箭助推器GEM发动机，采用IM27碳纤维/环氧壳体。第二、三级采用Orbusl发动机，选用的是T240碳纤维/环氧壳体。
俄罗斯研制的“暴风雪”号航天飞机，其头锥和机翼前缘采用了碳/碳复合材料。战略导弹弹头的端头采用碳/碳，过渡段采用碳/酚醛树脂复合材料，发动机部件采用了碳/碳复合材料。
2.军事领域
新武器装备研制过程中的小型化、轻质化、高强度、长寿命、机动性、稳定性等都离不开碳纤维的应用，可以说碳纤维在国防军工中有举足轻重的影响。
美国国防部2000年和2001年对碳纤维的需求量分别为180t和200t，2002年增加到350t以上。2003年较2002年略有减少，约为330t左右，2004年和2005年又有10%和5%左右的增幅，相应达到370t和385t上下。国防部军工产品中，空军所占份额大，根据2000—2005年统计，空军对碳纤维的需求占国防部对总碳纤维需求的54.8%；海军则占29.1%；陆军占13.6%；多兵种占2.5%。可见空军是碳纤维的主要用户，海军次之，陆军对碳纤维用得比较少。空军碳纤维主要用于制造军机，包括:B-1、B-2、C17、JASSM、UCAV、F16（US、F16（FMS）、F22和F117等。海军消耗的碳纤维主要用于生产F/A-18E/F战斗机和V-22直升机。F/A-18E/F战斗机耗用的碳纤维占海军对碳纤维的总需求量的60%～70%。美国陆军对碳纤维的需求相对较少，2000～2001年对碳纤维的需求不足5t，2002年猛增到100t以上，2004—2005年又降落到50t上下。陆军所需碳纤维主要用于制造Ammo坦克，占陆军所需碳纤维总量的90%以上。
3.民用飞机领域
碳纤维复合材料可有效降低飞机结构质量，改进性能，因而随着飞机设计的改进和碳纤维复合材料技术的进步，碳纤维复合材料在大型民用飞机上的用量不断增长。在民用领域，555座的大飞机A380由于CFRP的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP), 3%为次用于民用飞机的GLARE纤维—金属板（铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构）。这些部件包括：减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。继A340对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封框——复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后，A380又一次对连接机翼与机身主体结构翼盒新的禁区发起了成功挑战。仅此一项就比先进的铝合金材料减轻重量1.5吨。由于CFRP的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。从而大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率高飞机的低15%～20%，成为个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。
更多信息请关注复合材料信息网http://cnfrp.net
随着科技的发展，碳纤维的应用领域与日俱增，它们除了广泛应用于航空航天等高技术领域，还可用在文体用品、纺织机械、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械、运输车辆等方面。此外，碳纤维在开发不用润滑油的轴承、齿轮、轴瓦、转轴、提升轮等运动频繁、负荷大的零件方面有很好的前景。
1.航天领域
碳纤维增强复合材料在国外液体火箭发动机上的应用十分广泛。如德国Astrium公司设计、制造了一种水冷推力室试验件试验用喷管延伸段，以及为阿里安5火箭芯级火神发动机设计制造了缩尺推力室用喷管延伸段；阿里安5火箭的上面级发动机Aestus发动机和HM-7发动机喷管延伸段；RS-72发动机喷管延伸段；法国Snecma公司研制的一种上面级发动机Venus发动机喷管延伸段；美国Pratt & Whitney公司研制的膨胀循环液氢液氧上面级发动机RL10B-2发动机可延伸喷管；法国Snecma公司研制的膨胀循环液氢液氧上面级发动机Vinci发动机可延伸喷管；美国ARC公司为姿控发动机研制了一个先进材料的演示推力室，除头部的中间部分外，其余部分均用碳纤维增强复合材料整体制作。
碳纤维在国外固体火箭发动机上的应用普遍。主要应用在火箭发动机的喷管部分和碳纤维壳体。在喷管部分，现得到应用的有碳/碳喉衬，碳/酚醛喉衬，碳/碳扩散段，碳/酚醛扩散段，碳/碳螺钉，碳/碳销钉，碳/碳锁片。“MX”导弹第三级发动机喷管中大量使用了碳/碳材料；阿里安-5和阿里安-3运载火箭固体助推器的喷管也主要使用碳纤维材料。在碳/碳扩散段的研究中，美国起步早，1980年代早期已经将碳/碳扩散段延伸锥用于“MX”第三级发动机和侏儒导弹的二、三级发动机。苏联也在1970年代研究碳/碳扩散段，并在1980年代中期应用于SS-24、SS-25等导弹中。法国和德国的研究人员也从1970年代开始研究碳/碳扩散段，并获得试验成功。
在壳体部分，近年来，美国在研制高速、高加速反导拦截导弹时，为了满足高强度、高刚度要求，几乎无一例外地采用了碳纤维环氧壳体，如ERINT低空拦截弹、THAAD高空拦截弹、标准SM23拦截弹的第二、三级体。GBI地基拦截弹级为德尔它运载火箭助推器GEM发动机，采用IM27碳纤维/环氧壳体。第二、三级采用Orbusl发动机，选用的是T240碳纤维/环氧壳体。
俄罗斯研制的“暴风雪”号航天飞机，其头锥和机翼前缘采用了碳/碳复合材料。战略导弹弹头的端头采用碳/碳，过渡段采用碳/酚醛树脂复合材料，发动机部件采用了碳/碳复合材料。
2.军事领域
新武器装备研制过程中的小型化、轻质化、高强度、长寿命、机动性、稳定性等都离不开碳纤维的应用，可以说碳纤维在国防军工中有举足轻重的影响。
美国国防部2000年和2001年对碳纤维的需求量分别为180t和200t，2002年增加到350t以上。2003年较2002年略有减少，约为330t左右，2004年和2005年又有10%和5%左右的增幅，相应达到370t和385t上下。国防部军工产品中，空军所占份额大，根据2000—2005年统计，空军对碳纤维的需求占国防部对总碳纤维需求的54.8%；海军则占29.1%；陆军占13.6%；多兵种占2.5%。可见空军是碳纤维的主要用户，海军次之，陆军对碳纤维用得比较少。空军碳纤维主要用于制造军机，包括:B-1、B-2、C17、JASSM、UCAV、F16（US、F16（FMS）、F22和F117等。海军消耗的碳纤维主要用于生产F/A-18E/F战斗机和V-22直升机。F/A-18E/F战斗机耗用的碳纤维占海军对碳纤维的总需求量的60%～70%。美国陆军对碳纤维的需求相对较少，2000～2001年对碳纤维的需求不足5t，2002年猛增到100t以上，2004—2005年又降落到50t上下。陆军所需碳纤维主要用于制造Ammo坦克，占陆军所需碳纤维总量的90%以上。
3.民用飞机领域
碳纤维复合材料可有效降低飞机结构质量，改进性能，因而随着飞机设计的改进和碳纤维复合材料技术的进步，碳纤维复合材料在大型民用飞机上的用量不断增长。在民用领域，555座的大飞机A380由于CFRP的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP), 3%为次用于民用飞机的GLARE纤维—金属板（铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构）。这些部件包括：减速板、垂直和水平稳定器(用作油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。继A340对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封框——复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后，A380又一次对连接机翼与机身主体结构翼盒新的禁区发起了成功挑战。仅此一项就比先进的铝合金材料减轻重量1.5吨。由于CFRP的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。从而大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本，座英里成本比目前效率高飞机的低15%～20%，成为个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。
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