Hiện trạng công nghệ sợi carbon trong lĩnh vực không gian và tiến bộ nghiên cứu

Ký hợp đồng cung cấp Phần mềm tính toán định lượng rủi ro ngoài khơi – Safeti Offshore cho Trung tâm nghiên cứu và phát triển An toàn và Môi trường Dầu khí (CPSE) (

Sợi carbon và ứng dụng của nó trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.Lý do tại sao sợi carbon có thể được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, chủ yếu là do những ưu điểm sau:

(1) Vật liệu composite sợi carbon có thể đáp ứng yêu cầu độ cứng cao của tàu vũ trụ

Do vệ tinh và các tàu vũ trụ khác cần phải chịu quá tải gia tốc cực cao và rung động dữ dội trong quá trình phóng, cân nhắc chính trong thiết kế cấu trúc vệ tinh là giải quyết vấn đề độ cứng trong điều kiện cường độ được đáp ứng. Cấu trúc vệ tinh chỉ có thể được đảm bảo bằng cách sử dụng cấu trúc có độ cứng cao. Tính toàn vẹn và chức năng. Nói chung, mô đun một chiều của vật liệu composite sợi carbon gấp 5-7 lần so với hợp kim nhôm. Do đó, vật liệu composite sợi carbon mô đun cao là vật liệu tốt nhất để đáp ứng các yêu cầu về độ cứng cấu trúc của vệ tinh và các tàu vũ trụ khác.

(2) Vật liệu composite sợi carbon có thể đáp ứng các yêu cầu về độ ổn định kích thước của tàu vũ trụ

Vấn đề chính đối với hoạt động của tàu vũ trụ trong môi trường không gian là thay thế nhiệt độ cao và thấp. Ví dụ, khi một vệ tinh quay trong quỹ đạo địa tĩnh, nó phải đối mặt với nhiệt độ tối đa là 120 ° C và nhiệt độ tối thiểu là -160 ° C. Các bộ phận cấu trúc vệ tinh có yêu cầu rất cao về độ chính xác cao và độ ổn định kích thước của cấu trúc trong môi trường thay thế nhiệt độ cao và thấp. Sử dụng sợi carbon làm vật liệu gia cố, vật liệu composite với hệ số giãn nở nhiệt gần bằng không có thể thu được thông qua thiết kế lớp hợp lý. Vật liệu để đáp ứng yêu cầu ổn định kích thước của tàu vũ trụ trong môi trường thay thế nhiệt độ cao và thấp.

(3) Vật liệu composite sợi carbon có thể đáp ứng các yêu cầu của tàu vũ trụ hạng nhẹ

Nhiên liệu được sử dụng bởi tàu vũ trụ là khoảng 5 triệu USD mỗi tấn. Mang theo một lượng lớn nhiên liệu sẽ làm tăng trọng lượng cất cánh và bay của tàu vũ trụ, đồng thời làm tăng đáng kể chi phí sản xuất và chi phí bay của tàu vũ trụ. Người ta ước tính rằng phương tiện phóng có thể tiết kiệm 500 kg nhiên liệu và giảm chi phí phóng 20.000 USD cho mỗi 1 kg khối lượng mà vệ tinh tiết kiệm được. So với vật liệu kim loại, vật liệu composite sợi carbon không chỉ đáp ứng độ cứng và độ ổn định chiều cao của tàu vũ trụ mà còn có tác dụng trọng lượng nhẹ đáng kể giúp giảm chi phí phóng và vận hành.

So với các tính chất tuyệt vời được mô tả ở trên, sợi carbon cũng có những hạn chế nhất định. Bảng dưới đây cho thấy các chỉ số tính chất cơ học của sợi carbon thương mại phổ biến.

Theo mô đun kéo, các sản phẩm sợi carbon của nó được chia thành mô đun tiêu chuẩn (230GPa), mô đun trung bình (294GPa) và mô đun cao (>350GPa). Không khó để tìm thấy từ bảng, độ bền kéo của sợi carbon mô đun cao thường thấp hơn so với sợi carbon mô đun trung bình T800H, T800S, v.v. Ví dụ, độ bền tối đa của sợi carbon lớp M40J chỉ là 4400MPa, dẫn đến sợi carbon mô đun cao dựa trên PAN. Độ giãn dài khi nghỉ nhỏ hơn hoặc bằng 1,2%, điều này sẽ làm giảm hơn nữa độ giãn dài khi nghỉ và độ bền va đập của vật liệu composite sợi carbon modulus cao. Trong những năm gần đây, hầu hết các nghiên cứu và đột phá ở nước ngoài trong lĩnh vực sợi carbon mô đun cao polyacrylonitrile tập trung vào việc cải thiện độ bền sợi và độ giãn dài khi đứt.