Technologický stav a výzkumný pokrok uhlíkových vláken v letectví

Technický stav a výzkumný pokrok uhlíkových vláken Typické vlastnosti a aplikace

Uhlíková vlákna a její aplikace v letecké oblasti.Důvod, proč může být uhlíková vlákna široce používána v letecké oblasti, pramení hlavně z následujících výhod:

(1) Kompozitní materiály uhlíkových vláken mohou splňovat vysoké požadavky na tuhost kosmické lodě

Vzhledem k tomu, že satelity a jiné kosmické lodě musí odolat extrémně vysokému zrychlení přetížení a silným vibracím během startu, je hlavní úvahou při návrhu satelitní struktury vyřešit problém tuhosti za podmínky splnění pevnosti. Pouze přijetím vysoce tuhé konstrukce lze zajistit satelitní strukturu. Úplnost a funkčnost. Obecně platí, že jednosměrný materiál kompozitního materiálu uhlíkových vláken má modul 5-7 krát větší než modul hliníkové slitiny. Proto je kompozitní materiál s vysokým modulem uhlíkových vláken nejlepším materiálem pro splnění požadavků na strukturální tuhost satelitů a jiných kosmických lodí.

(2) Kompozitní materiály uhlíkových vláken mohou splňovat požadavky na rozměrovou stabilitu kosmické lodě

Hlavním problémem kosmických lodí pracujících ve vesmírném prostředí je střídavost vysokých a nízkých teplot. Například když satelit pracuje na geostacionární dráze, čelí maximální teplotě 120°C a minimální teplotě minus 160°C. Satelitní konstrukční díly mají extrémně vysoké požadavky na vysokou přesnost a rozměrovou stabilitu konstrukce ve střídavém prostředí vysokých a nízkých teplot. S uhlíkovými vlákny jako výztužným materiálem lze získat kompozit s téměř nulovým koeficientem tepelné roztažnosti prostřednictvím rozumného návrhu vrstvy. Materiál, aby splnil požadavky na rozměrovou stabilitu kosmické lodi ve střídavém prostředí vysokých a nízkých teplotách.

(3) Kompozitní materiály uhlíkových vláken mohou splňovat požadavky lehkých kosmických lodí

Palivo používané kosmickou lodí stojí asi pět milionů amerických dolarů za tunu. Přenášení velkého množství paliva zvýší vzlet a letovou hmotnost kosmické lodi a výrazně zvýší výrobní náklady a letové náklady kosmické lodi. Odhaduje se, že pro každý kilogram hmotnosti ušetřené satelitem může startovací vozidlo ušetřit 500 kg paliva a snížit náklady na startování o US$20.000. Ve srovnání s kovovými materiály kompozitní materiály uhlíkových vláken nejen splňují vysokou tuhost a rozměrovou stabilitu kosmické lodi, ale také mají významný lehký efekt, který pomáhá snížit náklady na start a provoz.

Ve srovnání s výše uvedeným vynikajícím výkonem má uhlíková vlákna také určité omezující faktory. Následující tabulka ukazuje mechanické ukazatele výkonnosti běžných komerčních uhlíkových vláken.

Podle tahového modulu jsou jeho výrobky z uhlíkových vláken rozděleny na standardní modul (230 GPa), střední modul (294 GPa) a vysoký modul (*350 GPa). Z tabulky není obtížné zjistit, že ve srovnání s T800H, T800S a dalšími uhlíkovými vlákny se středním modulem je pevnost v tahu uhlíkových vláken s vysokým modulem obecně nižší. Například nejvyšší pevnost uhlíkových vláken M40J je pouze 4400 MPa, což má za následek vysoký modul uhlíkových vláken na bázi PAN. Prodloužení při zlomení je menší nebo rovná se 1,2%, což dále snižuje prodloužení při zlomení a houževnatost nárazu kompozitního materiálu s vysokým modulem uhlíkových vláken. V posledních letech se zahraniční výzkum a průlomy v oblasti uhlíkových vláken s vysokým modulem na bázi PAN zaměřily především na zlepšení pevnosti vláken a prodloužení při zlomení.