航空航天工业中的碳/碳复合材料

　　

　　复合材料具有高度通用性，因为它们能够模制成复杂的配置。不受传统材料的限制，工程师可以根据特定飞机的要求定制零件。

　　

　　复合材料还具有极强的耐候性和抗疲劳性，使其成为飞机制造的理想选择。它们承受异常高温的能力是一个主要优势，特别是对于航天器和再入飞行器的应用。由于这些原因，复合材料被用于建造飞机和航天器的主要承重结构，例如机翼、机身、起落架、发动机舱等。

　　

　　

　　图片来源：asharkyu/Shutterstock.com

　　

　　用于航空航天应用的增强碳纤维复合材料

　　

　　在过去几年中，碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料以其紧凑的尺寸、优异的耐用性和耐腐蚀性能成为航空航天和风能设备的重要材料。由于密度低，碳纤维增强碳基复合材料，也称为碳/碳 (C/C) 复合材料，是轻质复合材料的重要组成部分。

　　

　　在空客A350和波音787这两种广受欢迎的远程飞机的机身中，超过一半是由CFRP制成。A380是第一款采用CFRP复合材料芯翼盒的飞机，与最先进的铝合金相比，重量减轻了1.5吨。

　　

　　在Composites Part B上发表的最新文章中，作者报告了由碳化铪纳米线 (HfCNWs) 强化的致密碳纤维复合材料。将HfCNWs结合到C/C复合材料中导致了轻质 HfCNWs-C/C 复合材料的开发。评估了在1800°C、2100°C和2450°C温度下退火后两种类型复合材料的拉伸强度。发现 HfCNWs-C/C的机械强度保持率(MSR)大于 C/C。含有HfCNWs的C/C复合材料的质量烧蚀率降低。这是因为HfCNWs的分解有助于消融过程中的重量增加。因此，它被证明是一种轻质超高温复合材料，具有出色的高温效率，展示了在航空航天领域用作热结构部件的巨大潜力。

　　

　　航空航天工业中的镁和陶瓷复合材料

　　

　　镁复合材料具有多种用途，包括航空航天飞行器的发动机组件、制动元件和运动轴。在F16飞机上，铝制入口通道已被碳化硅颗粒增强的镁复合材料取代，从而提高了疲劳寿命。

　　

　　燃气轮机叶片尤其需要耐高温的材料。极轻的复合材料涡轮叶片可在大约 1050°C的涡轮排气温度下保持强度。

　　

　　在汽车和航空航天领域，制动技术是目前的一个重要研究领域。在飞机上，制动机构根据流经圆盘（转子和定子）的液压流体进行调整，产生摩擦，将陶瓷复合材料部件体积的外部温度提高到3000°C至1500°C之间。在商用客机制动系统中使用这种材料可以减轻经济重量。

　　

　　波音公司正在开发用于商用飞机的复合材料Nextel 610/铝硅酸盐排放喷嘴和声学结构。GE航空公司在陶瓷复合材料方面投入了大量资金，F414发动机的分流排放密封最初由陶瓷Ox/Ox复合材料制成。

　　

　　航空航天工业中的自修复复合材料

　　

　　根据发表在Polymers杂志上的最新文章，自修复复合材料在航空航天领域越来越受欢迎。复合材料的劣化是由冲击载荷引起的。冲击损坏从微小的空腔开始，然后发展到严重的微观开裂和结构破坏。由于其增强的细胞流动性，聚合物及其复合材料已成为无处不在的自修复材料。

　　

　　共静电纺丝已被用于制造在界面处具有自修复核壳纳米纤维的混合多尺度聚碳酸酯复合材料。在层压复合材料中，当发生分层等界面损伤时，芯壳设计为可自我修复。含有修复剂的微胶囊已添加到用于航空航天的碳纤维增强塑料 (CFRP) 复合材料中，以避免分层破损。

　　

　　

　　

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　　自修复复合材料通常用作机身、机翼、内燃机、叶栅等航空结构中的保护层或障碍物。碳基体中的硅和硼基结晶成分也被用作自愈材料。

　　

　　纳米复合材料在航空航天工业中的应用

　　

　　Nanotechnology Reviews上发表了一篇重点介绍纳米复合材料在航空航天工业中的应用的文章。由纳米二氧化硅和乙丙二烯单体 (EPDM) 橡胶组成的纳米复合材料被用作热阻物质，用于在发射期间保护航天器的结构部件。已经对用纳米复合材料替代固体火箭发动机 (SRM) 中的传统聚合物基复合材料进行了研究。为了提高隔热性，热塑性聚氨酯弹性体纳米复合材料(TPUN)已被用于取代SRM中的传统凯夫拉增强 EPDM。

　　

　　纳米复合材料可拉伸传感器的制造用于变形飞机的SHM，用于跟踪航空航天变形系统中裂缝的发展是另一个重要的应用。

　　

　　使用碳纳米管增强PP纳米复合材料，构建了受自然影响的微型飞行器的扑翼概念。实验分析表明，人工构建的翅膀的原始频率与蜻蜓翅膀的共振频率非常相似。

　　

　　根据发表在Polymers杂志上的研究，磁性聚合物纳米复合材料也进入了航空航天领域。采用磁化金属纳米粒子处理聚合物基复合材料作为电磁干扰屏蔽材料。已经开发出基于辅以无机物质的聚合物基质纳米复合材料的涂料和颜料。

　　

　　这种方法有几个好处，包括经济成本、可比的制造简单性以及坚固轻质材料的生产。结构健康监测 (SHM) 是确定航空航天部件结构完整性的基本方法。无机/有机复合压电材料是航空航天传感仪表的可行元件。

　　

　　航空复合材料市场概况

　　

　　根据Marketsandmarkets发布的报告，全球航空复合材料市场在 2022 年估计为 297亿美元，预计到2027年将达到516亿美元，从2022年到2027年的复合年增长率为11.7%。由于航空复合材料具有卓越的性能特点，可以承受恶劣的条件，因此市场正在扩大。此外，全球对节油型飞机的需求不断增长，预计将在短期内推动市场扩张。