隨著材料科學(xué)的技術(shù)提升，復(fù)合材料在許多領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。在航空航天領(lǐng)域中，碳纖維復(fù)合材料是一種被廣泛應(yīng)用的材料，它能夠有效提升航空航天的質(zhì)量和水平，為航空航天的發(fā)展提供技術(shù)支持和原材料保證。然而，由于環(huán)境污染和可持續(xù)發(fā)展問題的關(guān)注，已經(jīng)廣泛應(yīng)用的碳纖維熱固性樹脂復(fù)合材料受到了一定程度的沖擊。因此，人們開始關(guān)注具有韌性、耐腐蝕性、可回收性、穩(wěn)定性和耐久性的長纖連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料。
（熱塑性碳纖維預(yù)浸料）
長纖連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料概述與優(yōu)勢
長纖連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料是一種以熱塑性樹脂為基體、以長纖連續(xù)碳纖維為增強體制成的復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料相比，它們在許多方面具有顯著的特點。在“十三五”期間，我國提出了大力發(fā)展國產(chǎn)碳纖維的科學(xué)技術(shù)目標(biāo)，這對于提高我國碳纖維性能和碳纖維產(chǎn)業(yè)化具有重大的戰(zhàn)略意義。碳纖維性能的提高意味著航天飛行器在極端環(huán)境下的安全性能將得到提升。
與碳纖維熱固性樹脂基復(fù)合材料相比,碳纖維熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有以下特點
具有較高的抗沖擊韌性和耐疲勞損傷性能。熱塑性復(fù)合材料以韌性良好的線形高分子聚合物為基體材料,使得其具有優(yōu)異的抗沖擊性能和抗損傷性能。
具有成型周期短、生產(chǎn)效率高的特性。熱塑性復(fù)合材料的加工過程是一個加熱熔融變形、 冷卻固化的物理過程,成形周期-般只需幾分鐘。
沒必要在低溫下存放,且存儲條件要求低。在通常條件下,熱塑性樹脂一般不會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),因此對存儲條件無限制,使得存儲費用低。
熱塑性碳纖維復(fù)合材料可重復(fù)加工成形,廢品和邊角余料能向收利用。
（飛機起落架）
長纖連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀
1.C-130運輸機飛機起落架艙門，具有非常高的韌性表現(xiàn)，能夠有效的防止沙石顆粒物的沖擊損傷。
2.CH-53K直升機貨箱地板，采用電磁感應(yīng)熔焊技術(shù)，減輕重量使得直升機的有效載重跟容量變大。
3.A350XWB/A400M飛機承力結(jié)構(gòu)件，壓力艙壁板通過加強肋的方式，省去了鉆孔鉚接的流程，既降低了飛機重量又有效的提高了整個的強度剛度性能。
4.波音737飛機座椅框，跟傳統(tǒng)的鋁座椅框相比降低20%的重量，每個座椅就能節(jié)省1000美元的燃料損耗。
5.C919客機雷達(dá)罩、機翼前后緣、尾翼，很好的降低了全級結(jié)構(gòu)總重，有效的降低了燃油。
長纖連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域未來展望
目前通過熱塑碳纖維復(fù)合材料飛機的成功研制可充分表明該項材料在航空航天領(lǐng)域中的可行性。但是要想將其全面應(yīng)用到該領(lǐng)域中,還需要不斷研討。比如說到底用哪種設(shè)計準(zhǔn)則比較適合飛機火箭部分材料的設(shè)計,亦或部件連接應(yīng)該用什么方案是最優(yōu)的都是值得思考的問題。
其次飛機屬于一個龐大的結(jié)構(gòu),如何做到用更好的方案實現(xiàn)飛機的系統(tǒng)結(jié)合,這些都是需要繼續(xù)研究的內(nèi)容。此外成本是制約熱塑性碳纖維復(fù)合材料推廣使用的關(guān)鍵,如果價格居高不下,也很難進(jìn)行該材料的持續(xù)推廣,所以持續(xù)快速地發(fā)展碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈,對推廣碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的使用具有一定幫助。
另一方面還需要繼續(xù)開展熱塑性碳纖維復(fù)合材料的基礎(chǔ)性研究，復(fù)合材料與金屬材料不同,它具有獨立的特性,所以在設(shè)計的時候要盡量實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化設(shè)計,簡化結(jié)構(gòu)、進(jìn)一步降低重量,實現(xiàn)快速質(zhì)量生產(chǎn),滿足用戶的需求。目前軌道車輛仍然缺乏適合的標(biāo)準(zhǔn)體系,比如材料評價標(biāo)準(zhǔn)、計算驗證標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)以及運用維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等,碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用實際上還缺乏一定依據(jù) ,并不規(guī)范化和系統(tǒng)化,如果繼續(xù)進(jìn)行改善,必將促進(jìn)我國航空航天業(yè)的發(fā)展。推薦閱讀：熱塑性碳纖維的長切與短切對比
包括向智能化制造技術(shù)發(fā)展方向。結(jié)合目前先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù),發(fā)展設(shè)計與制造一體化的生產(chǎn)技術(shù)。著力發(fā)展制造工藝方面的仿真技術(shù),實現(xiàn)虛擬制造,從而優(yōu)化制造工藝。
（熱塑性碳纖維預(yù)浸料）
長纖連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料是一種以熱塑性樹脂為基體、以長纖連續(xù)碳纖維為增強體制成的復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料相比，它們在許多方面具有顯著的特點。在“十三五”期間，我國提出了大力發(fā)展國產(chǎn)碳纖維的科學(xué)技術(shù)目標(biāo)，這對于提高我國碳纖維性能和碳纖維產(chǎn)業(yè)化具有重大的戰(zhàn)略意義。碳纖維性能的提高意味著航天飛行器在極端環(huán)境下的安全性能將得到提升。
與碳纖維熱固性樹脂基復(fù)合材料相比,碳纖維熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有以下特點
具有較高的抗沖擊韌性和耐疲勞損傷性能。熱塑性復(fù)合材料以韌性良好的線形高分子聚合物為基體材料,使得其具有優(yōu)異的抗沖擊性能和抗損傷性能。
具有成型周期短、生產(chǎn)效率高的特性。熱塑性復(fù)合材料的加工過程是一個加熱熔融變形、 冷卻固化的物理過程,成形周期-般只需幾分鐘。
沒必要在低溫下存放,且存儲條件要求低。在通常條件下,熱塑性樹脂一般不會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),因此對存儲條件無限制,使得存儲費用低。
熱塑性碳纖維復(fù)合材料可重復(fù)加工成形,廢品和邊角余料能向收利用。
（飛機起落架）
1.C-130運輸機飛機起落架艙門，具有非常高的韌性表現(xiàn)，能夠有效的防止沙石顆粒物的沖擊損傷。
2.CH-53K直升機貨箱地板，采用電磁感應(yīng)熔焊技術(shù)，減輕重量使得直升機的有效載重跟容量變大。
3.A350XWB/A400M飛機承力結(jié)構(gòu)件，壓力艙壁板通過加強肋的方式，省去了鉆孔鉚接的流程，既降低了飛機重量又有效的提高了整個的強度剛度性能。
4.波音737飛機座椅框，跟傳統(tǒng)的鋁座椅框相比降低20%的重量，每個座椅就能節(jié)省1000美元的燃料損耗。
5.C919客機雷達(dá)罩、機翼前后緣、尾翼，很好的降低了全級結(jié)構(gòu)總重，有效的降低了燃油。
目前通過熱塑碳纖維復(fù)合材料飛機的成功研制可充分表明該項材料在航空航天領(lǐng)域中的可行性。但是要想將其全面應(yīng)用到該領(lǐng)域中,還需要不斷研討。比如說到底用哪種設(shè)計準(zhǔn)則比較適合飛機火箭部分材料的設(shè)計,亦或部件連接應(yīng)該用什么方案是最優(yōu)的都是值得思考的問題。
其次飛機屬于一個龐大的結(jié)構(gòu),如何做到用更好的方案實現(xiàn)飛機的系統(tǒng)結(jié)合,這些都是需要繼續(xù)研究的內(nèi)容。此外成本是制約熱塑性碳纖維復(fù)合材料推廣使用的關(guān)鍵,如果價格居高不下,也很難進(jìn)行該材料的持續(xù)推廣,所以持續(xù)快速地發(fā)展碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈,對推廣碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的使用具有一定幫助。
另一方面還需要繼續(xù)開展熱塑性碳纖維復(fù)合材料的基礎(chǔ)性研究，復(fù)合材料與金屬材料不同,它具有獨立的特性,所以在設(shè)計的時候要盡量實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化設(shè)計,簡化結(jié)構(gòu)、進(jìn)一步降低重量,實現(xiàn)快速質(zhì)量生產(chǎn),滿足用戶的需求。目前軌道車輛仍然缺乏適合的標(biāo)準(zhǔn)體系,比如材料評價標(biāo)準(zhǔn)、計算驗證標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)以及運用維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等,碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用實際上還缺乏一定依據(jù) ,并不規(guī)范化和系統(tǒng)化,如果繼續(xù)進(jìn)行改善,必將促進(jìn)我國航空航天業(yè)的發(fā)展。推薦閱讀：熱塑性碳纖維的長切與短切對比
包括向智能化制造技術(shù)發(fā)展方向。結(jié)合目前先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù),發(fā)展設(shè)計與制造一體化的生產(chǎn)技術(shù)。著力發(fā)展制造工藝方面的仿真技術(shù),實現(xiàn)虛擬制造,從而優(yōu)化制造工藝。
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