항공 우주용 탄소 섬유 기술 현황 및 연구 진전

탄소섬유의 기술 현황과 연구 진전의 전형적인 특성과 응용

탄소섬유와 항공우주 분야에서의 응용탄소섬유가 항공우주 분야에 광범위하게 응용될 수 있는 이유는 다음과 같은 장점에서 비롯된다.

(1) 탄소섬유 복합재료는 우주선의 고강도 요구를 충족시킬 수 있다

위성 등 우주선은 발사 과정에서 매우 높은 가속도 과적재와 격렬한 진동을 견뎌야 하기 때문에 위성 구조 설계의 주요 고려는 강도를 만족시키는 조건에서 강도 문제를 해결하는 것이다.고강도 구조를 채택해야만 위성 구조를 보장할 수 있다.무결성과 기능성.일반적으로 탄소섬유 복합재료의 단방향 재료의 양은 알루미늄 합금의 5-7배이다.따라서 고형량 탄소섬유 복합재료는 위성 등 우주선 구조의 강도 요구를 충족시키는 가장 좋은 재료다.

(2) 탄소섬유 복합재료는 우주선의 사이즈 안정성에 대한 요구를 충족시킬 수 있다

우주선이 우주 환경에서 운행하는 주요 문제는 고저온 교체이다.예를 들어 위성이 지구 정지 궤도에서 운행할 때 직면하는 최고 온도는 120°C이고 최저 온도는 -160°C이다. 위성 구조 부품은 구조가 고저온 교체 환경에서의 고정밀도와 사이즈 안정성에 대해 매우 높은 요구를 가진다.탄소섬유를 증강재료로 하고 합리적인 포장 설계를 통해 열팽창 계수가 0에 가까운 복합재료를 얻을 수 있다.우주선이 고저온 교차 환경에서의 사이즈 안정성 요구를 만족시키다.

(3) 탄소섬유 복합재료는 경량화 우주선의 요구를 충족시킬 수 있다

우주선이 사용하는 연료 가격은 톤당 약 500만 달러이다.대량의 연료를 휴대하면 우주선의 이륙과 비행 중량을 증가시키고 우주선의 제조 원가와 비행 원가를 크게 증가시킬 것이다.위성은 1킬로그램의 품질을 절약할 때마다 로켓을 운반하면 500킬로그램의 연료를 절약하고 2만 달러의 발사 비용을 줄일 수 있을 것으로 추정된다.금속재료에 비해 탄소섬유 복합재료는 우주선의 고강도와 사이즈 안정성을 충족시킬 뿐만 아니라 현저한 경량화 효과가 있어 발사와 운행 원가를 낮추는 데 도움이 된다.

상술한 우수한 성능에 비해 탄소섬유는 일정한 제약 요소가 존재한다.다음 표는 흔히 볼 수 있는 상용 탄소섬유의 기계적 성능 지표를 보여 준다.

스트레칭 모델에 따라 탄소섬유 제품은 표준 모델(230GPa), 중간 모델(294GPa), 높은 모델(>350GPa)으로 나뉜다.표에서 어렵지 않게 알 수 있듯이 T800H, T800S 등 중형 탄소섬유에 비해 고형량 탄소섬유의 당김 강도는 보편적으로 비교적 낮다.예를 들어 M40J급 탄소섬유의 최고 강도는 4400메가파르에 불과해 PAN기 고모량 탄소섬유가 생겼다.단열 신장률이 1.2%보다 작거나 같으면 고량의 탄소섬유 복합재료의 단열 신장률과 충격 강인성을 더욱 낮출 수 있다.최근 몇 년 동안 외국에서 PAN기 고모량 탄소섬유 분야의 연구와 돌파는 대부분 섬유의 강도와 끊어지는 신장률을 높이는 데 집중되었다.