สถานะทางเทคโนโลยีและความก้าวหน้าในการวิจัยของคาร์บอนไฟเบอร์ในการบินและอวกาศ

สถานะปัจจุบันของเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์และความก้าวหน้าในการวิจัยลักษณะทั่วไปและการประยุกต์ใช้

คาร์บอนไฟเบอร์และการใช้งานในด้านการบินและอวกาศเหตุผลที่คาร์บอนไฟเบอร์สามารถใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการบินและอวกาศส่วนใหญ่เกิดจากข้อดีดังต่อไปนี้:

(1) คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถตอบสนองความต้องการความแข็งแกร่งสูงของยานอวกาศ

เนื่องจากดาวเทียมและยานอวกาศอื่น ๆ ต้องทนต่อการเร่งความเร็วที่สูงมากและการสั่นสะเทือนที่รุนแรงในระหว่างการเปิดตัวการพิจารณาหลักของการออกแบบโครงสร้างดาวเทียมคือการแก้ปัญหาของความแข็งแกร่งในการตอบสนองความแข็งแรง โครงสร้างดาวเทียมสามารถรับประกันได้เฉพาะโครงสร้างที่มีความแข็งแรงสูง ความสมบูรณ์และการทำงาน โดยปกติแล้ววัสดุทางเดียวของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จะมีโมดูลัสมากกว่าอลูมิเนียมอัลลอยด์ 5-7 เท่า ดังนั้นคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสสูงจึงเป็นวัสดุที่ดีที่สุดเพื่อตอบสนองความต้องการความแข็งแกร่งของโครงสร้างของยานอวกาศเช่นดาวเทียม

(2) คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถตอบสนองความต้องการของความมั่นคงมิติของยานอวกาศ

ปัญหาหลักของยานอวกาศที่โคจรในสภาพแวดล้อมเชิงอวกาศคือการสลับอุณหภูมิสูงและต่ํา ตัวอย่างเช่น, เมื่อดาวเทียมโคจรอยู่ในวงโคจรค้างฟ้า, อุณหภูมิสูงสุดของมันคือ 120 ° C และต่ำสุด - 160 ° C. ชิ้นส่วนโครงสร้างดาวเทียมต้องการความแม่นยำสูงและความเสถียรของมิติของโครงสร้างในสภาพแวดล้อมการสลับอุณหภูมิสูงและต่ำ ด้วยคาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุเสริมแรงด้วยการออกแบบชั้นที่เหมาะสมวัสดุคอมโพสิตที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเกือบเป็นศูนย์สามารถรับได้ วัสดุเพื่อตอบสนองความต้องการความมั่นคงมิติของยานอวกาศในสภาพแวดล้อมสลับอุณหภูมิสูงและต่ำ

(3) คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถตอบสนองความต้องการของยานอวกาศแสง

เชื้อเพลิงที่ใช้ในยานอวกาศมีค่าใช้จ่ายประมาณ 5 ล้านเหรียญสหรัฐต่อตัน การบรรทุกเชื้อเพลิงจํานวนมากจะเพิ่มน้ําหนักขึ้นลงของยานอวกาศและเพิ่มต้นทุนการผลิตและการบินของยานอวกาศอย่างมาก ประมาณการ, ว่าทุก 1 กิโลกรัมของมวลที่บันทึกไว้ของดาวเทียม, ผู้ให้บริการสามารถบันทึก 500 กิโลกรัมของน้ำมันเชื้อเพลิงและลดค่าใช้จ่ายของการเปิดตัว $20,000. เมื่อเทียบกับวัสดุโลหะคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ไม่เพียง แต่ตอบสนองความแข็งแกร่งสูงและความมั่นคงมิติของยานอวกาศเท่านั้น แต่ยังมีน้ำหนักเบาอย่างมีนัยสำคัญซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายในการเปิดตัวและการดำเนินงาน

เมื่อเทียบกับประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมข้างต้น คาร์บอนไฟเบอร์ยังมีข้อจํากัดบางอย่าง ตารางด้านล่างแสดงดัชนีสมบัติเชิงกลของคาร์บอนไฟเบอร์เชิงพาณิชย์ทั่วไป

ตามโมดูลัสแรงดึงผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ของมันแบ่งออกเป็นโมดูลัสมาตรฐาน (230GPa) โมดูลัสปานกลาง (294GPa) และโมดูลัสสูง (> 350GPa) จากตารางไม่ยากที่จะพบว่าเมื่อเทียบกับคาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสขนาดกลางเช่น T800H, T800S คาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสสูงโดยทั่วไปมีความต้านทานแรงดึงต่ำ ตัวอย่างเช่น คาร์บอนไฟเบอร์เกรด M40J มีความแข็งแรงสูงสุดเพียง 4,400 MPa ส่งผลให้คาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสสูง PAN Base การยืดตัวที่แตกหักน้อยกว่าหรือเท่ากับ 1.2% ซึ่งจะช่วยลดการยืดตัวที่แตกหักและความเหนียวต่อแรงกระแทกของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสสูง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาการวิจัยและความก้าวหน้าในต่างประเทศในด้านคาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสสูง PAN ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงความแข็งแรงของเส้นใยและการยืดตัวที่แตก