Lo stato tecnologico e il progresso della ricerca della fibra di carbonio nell'aerospaziale

Stato tecnico e progresso della ricerca delle fibre di carbonio Caratteristiche e applicazioni tipiche

La fibra di carbonio e le sue applicazioni nel campo aerospaziale.Il motivo per cui la fibra di carbonio può essere ampiamente utilizzata nel campo aerospaziale deriva principalmente dai seguenti vantaggi:

(1) I materiali compositi in fibra di carbonio possono soddisfare gli elevati requisiti di rigidità del veicolo spaziale

Poiché i satelliti e altre navicelle spaziali devono resistere al sovraccarico di accelerazione estremamente elevata e alle vibrazioni gravi durante il lancio, la considerazione principale nella progettazione della struttura satellitare è quella di risolvere il problema di rigidità nella condizione di soddisfare la forza. Solo adottando una struttura ad alta rigidità è possibile garantire la struttura satellitare. Completezza e funzionalità. Generalmente, il materiale unidirezionale del materiale composito in fibra di carbonio ha un modulo 5-7 volte più grande di quello della lega di alluminio. Pertanto, il materiale composito in fibra di carbonio ad alto modulo è il materiale migliore per soddisfare i requisiti di rigidità strutturale dei satelliti e di altre navicelle spaziali.

(2) I materiali compositi in fibra di carbonio possono soddisfare i requisiti della stabilità dimensionale del veicolo spaziale

Il problema principale dei veicoli spaziali che operano nell'ambiente spaziale è l'alternanza di alta e bassa temperatura. Ad esempio, quando un satellite opera in orbita geostazionaria, affronta una temperatura massima di 120°C e una temperatura minima di -160°C. Le parti strutturali satellitari hanno requisiti estremamente elevati per l'alta precisione e stabilità dimensionale della struttura nell'ambiente alternato ad alta e bassa temperatura. Con la fibra di carbonio come materiale di rinforzo, un composito con coefficiente di espansione termica quasi zero può essere ottenuto attraverso una progettazione ragionevole dello strato. Materiale, in modo da soddisfare i requisiti di stabilità dimensionale del veicolo spaziale in ambienti alternati ad alta e bassa temperatura.

(3) I materiali compositi in fibra di carbonio possono soddisfare i requisiti del veicolo spaziale leggero

Il carburante utilizzato da un veicolo spaziale costa circa 5 milioni di dollari USA per tonnellata. Trasportare una grande quantità di carburante aumenterà il peso di decollo e volo della navicella spaziale e aumenterà notevolmente il costo di produzione e il costo di volo della navicella spaziale. Si stima che per ogni 1 kg di massa risparmiato dal satellite, il veicolo di lancio può risparmiare 500 kg di carburante e ridurre i costi di lancio di 20.000 dollari. Rispetto ai materiali metallici, i materiali compositi in fibra di carbonio non solo soddisfano l'elevata rigidità e stabilità dimensionale del veicolo spaziale, ma hanno anche un significativo effetto leggero, che aiuta a ridurre i costi di lancio e di esercizio.

Rispetto alle prestazioni eccellenti di cui sopra, la fibra di carbonio ha anche alcuni fattori restrittivi. La seguente tabella mostra gli indicatori di prestazione meccanica delle fibre di carbonio commerciali comuni.

Secondo il modulo di trazione, i suoi prodotti in fibra di carbonio sono suddivisi in modulo standard (230 GPa), modulo medio (294 GPa) e modulo alto (>350 GPa). Non è difficile trovare dalla tabella che, rispetto a T800H, T800S e altre fibre di carbonio a modulo medio, la resistenza alla trazione delle fibre di carbonio ad alto modulo è generalmente inferiore. Ad esempio, la più alta resistenza della fibra di carbonio M40J è solo 4400 MPa, con conseguente fibra di carbonio ad alto modulo basata su PAN. L'allungamento alla rottura è inferiore o uguale all'1,2%, che ridurrà ulteriormente l'allungamento alla rottura e la resistenza all'impatto del materiale composito in fibra di carbonio ad alto modulo. Negli ultimi anni, la ricerca straniera e le scoperte nel campo delle fibre di carbonio ad alto modulo basate su PAN si sono concentrate principalmente sul miglioramento della resistenza delle fibre e dell'allungamento alla rottura.