碳纤维复合材料在航空航天领域的应用分析

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用分析

刘洪成   郑峰

通用技术集团机床工程研究院有限公司天津分公司

摘要：由于碳纤维复合材料成本高、制造工艺复杂、缺乏自主研发经验，碳纤维在航天航空领域的自主普及应用面临诸多挑战。然而，碳纤维复合材料具有优异的综合性能、灵活的可设计性和显著的轻量化效果。碳纤维复合材料在设备零部件中的应用仍是大势所趋。为了尽快实现碳纤维复合材料在航天航空零部件上的大规模生产应用，还需要加大研发力度；碳纤维和树脂原材料的研发、结构设计和性能验证的积累、多材料连接工艺的研发，以及后续碳纤维可回收再生技术和零部件的售后维护。

关键词：航天航空轻量化；碳纤维；复合材料；应用

1轻量化结构优化设计

对原有结构件进行轻质材料的简单替代仅仅是实现航天航空轻量化的初级阶段，而实现轻量化的关键前提是进行合理的轻量化结构设计。更为具体地，航天航空轻量化结构设计必须从整体设备的角度进行全方位的考虑，它同时包括航天航空整体设备的拓扑优化设计和尺寸形状再优化设计。具体而言，拓扑优化设计运用多种综合分析技术和方法更为合理地优化各类材料的分布形式和连接方式，重点侧重于从宏观的层面通过零部件的薄壁化和中空化设计手段来实现设备身整体结构的轻量化。通常是在完成拓扑优化设计的前提条件下进行尺寸和形状的优化设计，主要是通过对几何形状和尺寸、横截面积、节点位置等参数进行再次优化，目的是在维持基本刚度不发生变化的条件下达到轻量化。

在进行轻量化结构优化设计的过程中，自然界中的仿生学原理为其提供了良好的借鉴：在生物界的长期进化过程中，保持一定刚度的前提下一些生物体在生态构造上形成了重量轻、寿命长的特点。自然界进化规律使得材料总是遵循轻量化的原则：如从动物骨胳和植物杆径的横截面可以看出，材料总是遵循物尽其能的原则进行最为合理的分布：在承受载荷较大的部位优先生长材料，而在受载很小的部位则材料分布相应地最少。因此，自然界仿生学从造型、拓扑和构造等多方面为航天航空轻量化的优化设计提供了参考。大量的实践过程表明，设备结构完全可以遵循自然法则进行智能化和轻量化设计。

在航天航空轻量化结构优化设计方面一般应遵循如下基本原则：确保尽量直接的力导入与力平衡；尽可能地将惯性矩与阻力矩比值最大化；保证构件具有轻量化的结构；充分发挥曲率的自然支承作用；为了确保安全和可靠性，需要对结构件的主承载方向进行加固设计；必须优先遵循一体化原则；在设计过程中合理地引入空腔结构实现进一步的减重等。

2碳纤维复合材料的高效成型技术

2.1碳纤维复合材料的特性

碳纤维属于新型纤维材料，因其具有含碳量丰富、高强度、高模量等优势，可以将其应用于多种领域，在严苛的环境下也可完美发挥自身优势，具有较强的竞争能力。碳纤维复合材料实际上是碳纤维的增强体，主要由树脂、金属以及陶瓷等基体共同组成，而应用于航天航空制造工业中的碳纤维复合材料将以树脂基碳纤维复合材料为主要组成成分，碳纤维复合材料的密度远低于传统航天航空制造工业中所用金属材料的密度，将其应用于航天航空制造工业中可以在极大程度上实现节能减排的目的，并且可以增加航天航空行驶速度，除此之外，碳纤维复合材料的刚性以及吸能性可以保证航天航空在行驶过程中的安全，通过震动阻尼可以改善噪音对人类的干扰，从而提升驾驶员的舒适度，将碳纤维复合材料应用于航天航空制造工业中可以有效降低生产成本，提高飞行器的性能。

2.2碳纤维复合材料的加工工艺

根据航天航空零部件结构特点和性能要求，选择并匹配碳纤维复合材料的成型工艺。有四种常见的成型工艺：

1.铺缠成型：将浸有树脂的碳纤维预浸料（/干丝）通过自动化控制系统和规划和模拟软件，按照预定的路径和排列方式进行铺放，以制造出复杂的构件和结构。或连续纤维经树脂胶浸渍后缠绕在芯模上成型。经过固化工艺后得到产品。碳纤维自动铺放成型是一种具有重要应用前景的增材制造工艺，可以广泛应用于航空航天领域和其他领域。

2.模压成型：将浸有树脂的片状碳纤维模塑料在特定温度下放入模具中，加压使塑料均匀填充模腔，保持一定时间后固化。该成形工艺生产的零件形状精度高，适用于中小型产品的成形。

3.高压釜成型：将预浸料铺在模具表面，在一定温度和压力下使树脂基熔融流动，然后固化成型。它适用于大型和复杂的立方体形状的产品。

4.树脂传递成型，将碳纤维预制板放入模腔中关闭模具，然后将树脂注入封闭的模腔中，使纤维充分渗透，固化脱模。该工艺具有良好的表面光滑度和颜色，可以形成形状复杂的产品。

2.3碳纤维复合材料的连接工艺

碳纤维复合材料组件和金属组件之间的机械连接需要设计为防止电偶腐蚀。碳纤维具有良好的导电性，与钢、铝等金属材料存在较大的电位差，这将导致碳纤维复合材料与金属材料之间发生严重的电化学腐蚀。防止电化学的常用方法有三种：1）在碳纤维制品和金属之间的连接处设计玻璃纤维保护层；2）紧固件的必要湿装配；3）接触界面涂漆或粘合剂防腐隔离。

2.4快速RTM(HP-RTM）成型工艺

首先将碳纤维预成型织物放置于模具内，并在其中加入树脂液，通过加温固化的方法使树脂液处于凝固状态，即可脱模，从而得到碳纤维复合材料制件，RTM(HP-RTM）成型工艺具有流程简单易操作、能量消耗低且生产周期较短等优势，初期投入低，后期回报较大，可实现自动化生产，减少人力物力的投入，但是成型时间较长，为降低生产周期，将从降低树脂固化时间以及注入树脂时间缩短生产周期，提高生产效率的同时，可以实现全自动化发展。

2.5预浸料模压成型工艺

预浸料模压成型技术的工艺流程是将制造材料放置于树脂液中，使其完全浸没，从而形成预浸料，流程完毕后，将制作好的预浸料放置于热压机上，通过温度以及压力的共同作用使树脂形成预设的形状，脱模后即可得到碳纤维复合材料制件，该方法生产周期较短，在生产过程中所需成本较低，可以将其应用于大规模的集成化生产，该方法主要应用于航天航空制造工业中的覆盖件生产，若想实现碳纤维复合材料航天航空制件的高效生产，应通过预浸料对复合材料的高效性进行升级，推进航天航空产业化的不断发展。

结论

目前，航天航空工业正朝着轻量化方向发展。碳纤维复合材料凭借其自身的优势，已成为航天航空制造业的主要材料，逐渐取代高强度钢和铝合金进入航天航空制造业。随着新技术和新材料的不断引进、大型碳纤维复合材料自动铺放装备的研制，碳纤维复合材料将得到广泛的应用。碳纤维复合材料可以通过回收利用充分发挥作用，取代以往钢材的使用范围，具有较大的市场空间。然而，碳纤维复合材料在价格和废弃物处理方面仍有许多问题需要解决。实现低成本、高质量的碳纤维复合材料将是未来发展的核心。完善的碳纤维复合材料成型技术和回收处理环节将为航天航空制造业的轻量化发展提供强有力的基础。

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