De technologische status en de onderzoeksvooruitgang van koolstofvezel in de lucht- en ruimtevaart

Technische status en onderzoeksvoortgang van koolstofvezels Typische kenmerken en toepassingen

Koolstofvezel en zijn toepassingen in de lucht- en ruimtevaart.De reden waarom koolstofvezel op grote schaal kan worden gebruikt in de lucht- en ruimtevaart komt voornamelijk voort uit de volgende voordelen:

(1) Koolstofvezelcomposietmaterialen kunnen voldoen aan de hoge stijfheidsvereisten van ruimtevaartuigen

Aangezien satellieten en andere ruimtevaartuigen extreem hoge acceleratiebelasting en ernstige trillingen tijdens lancering moeten weerstaan, is de belangrijkste overweging bij het ontwerp van satellietstructuur het stijfheidsprobleem op te lossen onder de voorwaarde dat aan de sterkte wordt voldaan. Alleen door een structuur met hoge stijfheid aan te nemen kan de satellietstructuur worden gewaarborgd. Volledig en functioneel. Over het algemeen heeft het unidirectionele materiaal van koolstofvezelcomposietmateriaal een modulus 5-7 keer groter dan die van aluminiumlegering. Daarom is het hoge moduluskoolstofvezelcomposietmateriaal het beste materiaal om aan de structurele stijfheidsvereisten van satellieten en andere ruimtevaartuigen te voldoen.

(2) Koolstofvezelcomposietmaterialen kunnen voldoen aan de eisen van ruimtevaartuig dimensionale stabiliteit

Het belangrijkste probleem van ruimtevaartuigen die in de ruimteomgeving werken, is de afwisseling van hoge en lage temperaturen. Wanneer een satelliet bijvoorbeeld in een geostationaire baan werkt, wordt deze geconfronteerd met een maximale temperatuur van 120°C en een minimumtemperatuur van min 160°C. Satellietstructurele delen hebben extreem hoge eisen aan de hoge precisie en dimensionale stabiliteit van de structuur in de hoge en lage temperatuur wisselende omgeving. Met koolstofvezel als versterkingsmateriaal kan een composiet met bijna nul thermische uitzettingscoëfficiënt worden verkregen door een redelijk laagontwerp. Materiaal, om aan de dimensionale stabiliteitseisen van het ruimtevaartuig in wisselende omgevingen op hoge en lage temperatuur te voldoen.

(3) Koolstofvezelcomposietmaterialen kunnen aan de eisen van lichtgewicht ruimtevaartuigen voldoen

De brandstof die een ruimteschip gebruikt kost ongeveer vijf miljoen dollar per ton. Het dragen van een grote hoeveelheid brandstof zal het opstijgen en vlieggewicht van het ruimtevaartuig verhogen, en de productiekosten en vluchtkosten van het ruimtevaartuig aanzienlijk verhogen. Er wordt geschat dat voor elke 1 kg massa die door de satelliet wordt bespaard, het lanceervoertuig 500 kg brandstof kan besparen en de lanceerkosten met US$20.000 kan verlagen. Vergeleken met metaalmaterialen, voldoen koolstofvezelcomposietmaterialen niet alleen aan de hoge stijfheid en dimensionale stabiliteit van het ruimtevaartuig, maar hebben ook een aanzienlijk lichtgewicht effect, dat helpt lancerings- en bedrijfskosten te verminderen.

Vergeleken met de bovengenoemde uitstekende prestaties, heeft koolstofvezel ook bepaalde beperkende factoren. De volgende tabel toont de mechanische prestatie-indicatoren van gangbare commerciële koolstofvezels.

Volgens de trekmodulus, zijn zijn koolstofvezelproducten verdeeld in standaardmodulus (230 GPa), middelmodulus (294 GPa) en hoge modulus (*350 GPa). Het is niet moeilijk om uit de tabel te vinden dat, in vergelijking met T800H, T800S en andere medium modulus koolstofvezels, de treksterkte van hoge modulus koolstofvezels over het algemeen lager is. De hoogste sterkte van M40J-koolstofvezel is bijvoorbeeld slechts 4400 MPa, wat resulteert in PAN-gebaseerde koolstofvezel met hoge modulus. De verlenging bij breuk is minder dan of gelijk aan 1.2%, die de verlenging bij breuk en de effecttaaiheid van het hoge moduluskoolstofvezelcomposietmateriaal verder zal verminderen. In de afgelopen jaren hebben buitenlands onderzoek en doorbraken op het gebied van PAN-gebaseerde koolstofvezels met hoge modulus voornamelijk gericht op het verbeteren van vezelsterkte en verlenging bij breuk.