碳纖維復合材料在航模飛機上的應用

馮博

摘 要：介紹了碳纖維復合材料在性能上的優(yōu)點，通過介紹碳纖維復合材料在飛行器上的應用來說明其在航模飛機上使用的可行性，分析了碳纖維復合材料目前在我國的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

關鍵詞：碳纖維復合材料；航空；航模；應用

一、引言

上世紀中葉一種新型的結構材料被人們開發(fā)出來——碳纖維復合材料，近年來，世界各國的越發(fā)重視碳纖維復合材料的相關研發(fā)和推廣，許多國家更是將其作為重點發(fā)展對象。

二、碳纖維的崛起

繼玻璃纖維之后出現(xiàn)，又一代纖維增強塑料問世，這便是碳元素組成一種特種纖維，碳纖維。由于宇航工業(yè)飛快發(fā)展，而宇航工業(yè)極度需求輕質高強和耐燒的材料，所以碳纖維迅速發(fā)展。碳纖維的含碳量極高，碳纖維的最高比模量和最高比強度是其他高性能纖維無法比擬的力學性質。在保持強度不變的情況下，只有碳纖維能夠耐2000℃以上高溫惰性環(huán)境。

碳纖維容易加工、相容性高、易復合、自由度大，還擁有多種其他材料不具備的性質。因此適用更多的方面，發(fā)展比其他材料更加迅速。

三、碳纖維復合材料在航空領域大量應用以及航模對其的需求

飛機制造業(yè)看重了碳纖復合維材料的優(yōu)越性能，于是大量使用碳纖復合維材料。小型商務飛機、直升飛機、軍用飛機、大型客機等都大量使用碳纖復合維材料，尤其小型商務飛機、直升飛機使用最多。作為體積相對較小航模飛機，應用碳纖維復合材料無疑是絕佳的選擇。

（一）樹脂基碳纖維復合材料

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）是碳纖維的一種，由于其突出的質量輕、強度大、持久性強、耐高溫、化學性質穩(wěn)定等性能而應用于各個領域。

武器裝備的生產(chǎn)如今也大量使用碳纖維增強樹脂基復合材料。美國軍用AV—8B改型“鷂”式飛機，總重量的26%都是使用了碳纖維，石墨環(huán)氧大型部件的機翼、前機身使整機減重9%，有效載荷是AV—8A的兩倍。前機身段由于使用了CFRP，比原來金屬結構減重32.24%。未來碳纖維復合材料將成為F-22為目標的背景機中35%復合材料的主要材料，結構的復合材料化已經(jīng)在國外的一些輕型飛機和無人駕駛飛機實現(xiàn)。

碳纖維增強樹脂基復合材料越來越多的應用到了直升飛機上。在2007年上海合作組織在俄羅斯反恐軍演上直-9型直升飛機在各國觀眾面前亮相，駐港部隊武裝的正是我國先進的直-9型直升飛機。以CFRP為主體的有機復合材料占直-9型直升飛機總重的60%。此外，日本完全用CFRP制造了OH-1“忍者”直升飛機的槳葉，而且機身上也使用了40%的CFRP。在民用方面，A380創(chuàng)造了飛行歷史上的奇跡，正是由于A380大量使用了CFRP，這種世界上最大的飛機中四分之一的重量是復合材料，而碳纖維增強塑料（CFRP）更是占了22%。由于CFRP明顯的質量輕、抗腐蝕、抗疲勞等優(yōu)良特性，直接降低了油耗和排放。從而使得A380擁有無與倫比的市場競爭力。

將碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）應用于航模飛機的機翼和機體，可以降低航模飛機40%的質量，從而極大的提高同型號航模飛機的爬升高度，達到原爬升高度的1.8倍。

（二）碳/碳復合材料

碳也可以作為碳復合材料的增強材料，如碳氈或碳布，以這種物質作為增強材料的復合材料稱為碳/碳復合材料。很明顯這種材料只有碳元素，因而具有密度低（2.3g/cm?）、良熱導的特點，這本是碳和石墨材料的優(yōu)點。碳/碳復合材料在高溫下仍有高強度的特點，而且化學性質穩(wěn)定。航空航天工業(yè)的剎車材料正是需要它的這些無與倫比的特性，不僅如此，鼻錐和機翼前緣也需要這種性質。因此碳/碳復合材料成為航空航天工業(yè)的新寵。現(xiàn)在這種復合材料的剎車憑借優(yōu)良的特性和性價比已經(jīng)運用到了軍事和民航事業(yè)。

航模飛機相對航空航天工業(yè)以及軍用民用飛機體積比較小，持續(xù)時間比較短，工作環(huán)境相對較好，將碳/碳復合材料應用于航模飛機更是可以使其工作壽命延長3倍之多。而且可以將航模飛機的應用領域擴大至高溫等更加惡劣的工作環(huán)境。

四、我國碳纖維復合材料發(fā)展現(xiàn)狀

目前航空航天科技日益發(fā)展，對碳纖維材料性能的需求也越來越高，越來越趨向于高性能化，低成本化，多功能化，而目前我國對碳纖維的研究還只是摸索前進的階段。碳纖維價格高昂，不如玻璃纖維價格便宜。解決辦法就是碳纖維原料價格下降，或者是突然出現(xiàn)革命性的工藝降低生產(chǎn)成本，然而碳纖維原料價格并沒有降低的趨勢，反而日漸升高，新技術也沒有一絲眉目。

據(jù)了解，我國每年需要消耗6500噸左右的碳纖維以加工各種碳纖維制品，而目前全世界范圍內(nèi)每年碳纖維的產(chǎn)量大約才只有3.5萬噸，也就是說我國將消費全球將近五分之一的碳纖維。我國權威院士師昌緒也在第335次香山科學會議上指出，我國碳纖維技術還較發(fā)達國家相比還稍顯落后。我國碳纖維年產(chǎn)量低，而且極度缺乏高質量產(chǎn)品。由于國內(nèi)沒有相應的知識產(chǎn)權，所以我國碳纖維生產(chǎn)的規(guī)模較小，質量也較差。想要使用高質量的碳纖維就只能高價的進口，價格十分的昂貴。因此極大的制約著我國碳纖維領域的發(fā)展。鑒于此國家正極力地發(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè)。

五、結語

碳素纖維可以減輕航模飛機的質量，增加航模飛機的強度。以碳素纖維為原材料來制作模型飛機的螺旋槳和機身，可以使模型飛機強度更高，質量更輕，體積更小，從而增強了直升機的爬升高度，延長了航模的使用時間。

參考文獻：

[1]賀福.碳纖維及其應用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[2]益小蘇.先進復合材料技術研究與發(fā)展[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

（作者單位：黑龍江哈爾濱市第三中學）