Süsinikkiudude tehnoloogia staatus ja teadusuuringute edusammud lennunduses

Süsinikkiudude tehniline seisund ja teadusuuringute areng Tüüpilised omadused ja rakendused

Süsinikkiud ja selle rakendused kosmosevaldkonnas.Põhjus, miks süsinikkiuda saab laialdaselt kasutada lennundus- ja kosmosevaldkonnas, tuleneb peamiselt järgmistest eelistest:

(1) Süsinikkiust komposiitmaterjalid võivad vastata kosmoseaparaadi kõrgetele jäikusnõuetele

Kuna satelliidid ja muud kosmoselaevad peavad stardi ajal taluma äärmiselt suurt kiirenduse ülekoormust ja tugevat vibratsiooni, on satelliidi konstruktsiooni projekteerimisel peamine kaalutlus lahendada jäikuse probleem tingimusel, et tugevus vastab. Satelliidi struktuuri saab tagada ainult kõrge jäikusega struktuuri kasutuselevõtmisega. Täielikkus ja funktsionaalsus. Üldiselt on süsinikkiudkomposiitmaterjali ühesuunalisel materjalil moodul 5-7 korda suurem kui alumiiniumisulamil. Seetõttu on kõrge mooduliga süsinikkiudkomposiitmaterjal parim materjal satelliitide ja muude kosmoseaparaatide struktuurilise jäikuse nõuete rahuldamiseks.

(2) Süsinikkiust komposiitmaterjalid võivad vastata kosmoseaparaadi mõõtmete stabiilsuse nõuetele

Kosmosekeskkonnas töötavate kosmoseaparaatide peamine probleem on kõrge ja madala temperatuuri vaheldumine. Näiteks, kui satelliit töötab geostatsionaarsel orbiidil, seisab see silmitsi maksimaalse temperatuuriga 120 °C ja minimaalse temperatuuriga miinus 160 °C. Satelliidi konstruktsiooniosadel on äärmiselt kõrged nõuded konstruktsiooni suure täpsuse ja mõõtmete stabiilsuse jaoks kõrge ja madala temperatuuri vahelduvas keskkonnas. Süsinikkiu kui tugevdusmaterjali puhul on mõistliku kihi konstruktsiooni abil võimalik saada peaaegu nulli soojuspaisumiskoefitsiendiga komposiit. Materjal, et täita kosmoseaparaadi mõõtmete stabiilsuse nõudeid kõrge ja madala temperatuuri vahelduvates keskkondades.

(3) Süsinikkiust komposiitmaterjalid võivad vastata kergete kosmoseaparaatide nõuetele

Kosmoselaevade kasutatav kütus maksab umbes 5 miljonit USA dollarit tonni kohta. Suure koguse kütuse kandmine suurendab kosmoseaparaadi stardi- ja lennukaalu ning suurendab oluliselt kosmoseaparaadi tootmiskulusid ja lennukulusid. Hinnanguliselt võib kanderakett iga satelliidi säästetud 1 kg massi kohta säästa 500 kg kütust ja vähendada stardikulusid 20 000 USA dollari võrra. Võrreldes metallmaterjalidega ei vasta süsinikkiudkomposiitmaterjalid mitte ainult kosmoseaparaadi kõrgele jäikusele ja mõõtmete stabiilsusele, vaid neil on ka märkimisväärne kerge mõju, mis aitab vähendada stardi- ja käitamiskulusid.

Võrreldes eespool nimetatud suurepärase jõudlusega on süsinikkiul ka teatavad piiravad tegurid. Järgmises tabelis on esitatud tavaliste kaubanduslike süsinikkiudude mehaanilise jõudluse näitajad.

Tõmbemooduli kohaselt jagunevad selle süsinikkiudtooted standardmooduliks (230 GPa), keskmiseks mooduliks (294 GPa) ja kõrgeks mooduliks (>350 GPa). Tabelist ei ole raske leida, et võrreldes T800H, T800S ja muude keskmise mooduliga süsinikkiududega on kõrge mooduliga süsinikkiudude tõmbetugevus üldiselt madalam. Näiteks M40J-klassi süsinikkiu suurim tugevus on ainult 4400 MPa, mille tulemuseks on PAN-põhine kõrge mooduliga süsinikkiud. Murdumise pikenemine on väiksem või võrdne 1,2%, mis vähendab veelgi murdumise pikenemist ja kõrge mooduliga süsinikkkiust komposiitmaterjali lööksitkust. Viimastel aastatel on välismaised uuringud ja läbimurded PAN-põhiste kõrge mooduliga süsinikkiudude valdkonnas keskendunud peamiselt kiudude tugevuse ja katkestusvenivuse parandamisele.