Der Technologiestatus und Forschungsfortschritt von Kohlefaser in der Luft- und Raumfahrt

Technischer Stand und Forschungsfortschritt von Carbonfasern Typische Eigenschaften und Anwendungen

Kohlefaser und ihre Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt.Der Grund, warum Carbonfaser in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet sein kann, beruht hauptsächlich auf den folgenden Vorteilen:

(1) Kohlenstofffaserverbundmaterialien können die hohen Steifigkeitsanforderungen von Raumfahrzeugen erfüllen

Da Satelliten und andere Raumschiffe extrem hoher Beschleunigungsüberladung und starken Vibrationen während des Starts standhalten müssen, besteht die Hauptüberlegung beim Entwurf der Satellitenstruktur darin, das Steifigkeitsproblem unter der Bedingung zu lösen, die Festigkeit zu erfüllen. Nur durch die Annahme einer hochfesten Struktur kann die Satellitenstruktur sichergestellt werden. Vollständigkeit und Funktionalität. Im Allgemeinen hat das unidirektionale Material des Kohlenstofffaserverbundmaterials ein Modul 5-7-mal größer als das der Aluminiumlegierung. Daher ist Kohlenstofffaserverbundmaterial mit hohem Modul das beste Material, um die strukturellen Steifigkeitsanforderungen von Satelliten und anderen Raumfahrzeugen zu erfüllen.

(2) Kohlenstofffaserverbundmaterialien können die Anforderungen der Raumfahrzeugdimensionsstabilität erfüllen

Das Hauptproblem von Raumfahrzeugen, die in der Weltraumumgebung arbeiten, ist der Wechsel zwischen hohen und niedrigen Temperaturen. Wenn ein Satellit beispielsweise in einer geostationären Umlaufbahn arbeitet, hat er eine maximale Temperatur von 120°C und eine Mindesttemperatur von minus 160°C. Satellitenbauteile stellen extrem hohe Anforderungen an die hohe Präzision und Dimensionsstabilität der Struktur in der wechselnden Hoch- und Tieftemperaturumgebung. Mit Kohlefaser als Verstärkungsmaterial kann durch eine vernünftige Schichtkonstruktion ein Verbundwerkstoff mit nahezu null Wärmeausdehnungskoeffizient erzielt werden. Material, um die Dimensionsstabilitätsanforderungen des Raumfahrzeugs in wechselnden Umgebungen mit hohen und niedrigen Temperaturen zu erfüllen.

(3) Kohlenstofffaserverbundmaterialien können die Anforderungen von leichten Raumfahrzeugen erfüllen

Der Brennstoff eines Raumschiffs kostet etwa fünf Millionen US-Dollar pro Tonne. Das Tragen einer großen Menge Kraftstoff erhöht das Start- und Fluggewicht des Raumfahrzeugs und erhöht die Herstellungskosten und Flugkosten des Raumfahrzeugs erheblich. Es wird geschätzt, dass das Trägerfahrzeug für jedes 1 kg Masse, das durch den Satelliten eingespart wird, 500 kg Kraftstoff sparen und die Startkosten um US$20.000 senken kann. Verglichen mit Metallmaterialien erfüllen Kohlefaserverbundwerkstoffe nicht nur die hohe Steifigkeit und Dimensionsstabilität des Raumfahrzeugs, sondern haben auch einen signifikanten Leichtbaueffekt, der zur Senkung der Start- und Betriebskosten beiträgt.

Verglichen mit der oben erwähnten ausgezeichneten Leistung hat Carbonfaser auch bestimmte restriktive Faktoren. Die folgende Tabelle zeigt die mechanischen Leistungsindikatoren gängiger kommerzieller Carbonfasern.

Entsprechend dem Zugmodul werden seine Kohlefaserprodukte in Standardmodul (230 GPa), Mittelmodul (294 GPa) und Hochmodul (*350 GPa) unterteilt. Es ist nicht schwer aus der Tabelle zu finden, dass im Vergleich zu T800H, T800S und anderen mittleren Modulkohlefasern die Zugfestigkeit von Hochmodulkohlefasern im Allgemeinen niedriger ist. Zum Beispiel ist die höchste Festigkeit der M40J-Klasse Kohlefaser nur 4400 MPa, was zu PAN-basierten High-Modul-Kohlefasern führt. Die Dehnung beim Bruch ist kleiner oder gleich 1.2%, was die Dehnung beim Bruch und die Schlagzähigkeit des Kohlenstofffaserverbundmaterials mit hohem Modul weiter reduziert. In den letzten Jahren konzentrierten sich ausländische Forschung und Durchbrüche auf dem Gebiet der PAN-basierten Hochmodul-Kohlefasern hauptsächlich auf die Verbesserung der Faserfestigkeit und Dehnung beim Bruch.