碳纤维在航空领域的应用(毕业论文)(编辑修改稿)

碳纤维在航空领域的应用(毕业论文)(编辑修改稿)内容摘要：

多、最广泛的 是树脂基复合材料 [8]。 碳纤维增陶瓷基复合材料 陶瓷具有优异的耐蚀性、耐磨性、耐高温性和化学稳定性 ,广泛应用于工业和民用产品。 但是对裂纹、气孔和夹杂物等细微的缺陷很敏感 .用碳纤维增强陶瓷可有效地改善性改变陶瓷的脆性断裂形态 ,同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展。 目前国内外比较成熟的碳纤维增陶瓷材料是碳纤维增强碳化硅材料 ,因其具有优良的高温力学性能 ,在高温下服役不需要额外的隔热措施 ,因而在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域具有广泛应用 [9]。 碳 /碳复合材料 碳 /碳复合材料是碳 纤维增强碳基复合材料的简称 ,也是一种高级复合材料 ,它是由碳纤维或织物 、编织物等增强碳基复合材料构成 ,碳 /碳复合材料主要 由各类碳组成 ,即纤维碳 ,树脂碳和沉积碳 ,这种完全由人工设计、制造出来的纯碳元素构成的复合材料具有许多优异性能 ,除具备高强度、高刚性、尺寸稳定、 抗氧化和耐磨损等特性外 ,还具有较高的断裂韧性和假塑性 ,特别是在高温环境中 ,强度高、不熔不燃 ,仅是均匀烧蚀 ,这是任何金属材料无法与其比拟的 ,因此广泛 应用于导弹弹头、固体火箭发动机喷管以及飞机刹车盘等高科技领域 [10]。 碳纤维增强金属基 复合材料 碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维 ,金属为基体的复合材料 .碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比 ,具有高的比强度和比模量与陶瓷相比具有高的韧性和耐冲击性能 ,金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等 .其中碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟 ,制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层 ,以防止在复合过程中损伤碳纤维从而使复合材料的整体性能下降 .目前在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的 6 6 表面改性主要采用气相沉积、液钠法等 .但因其过程复杂、成本高 ,限制了碳纤维增强 金 属基复合材料的推广应用。 碳纤维增强树脂复合材料 碳纤维增强树脂基复合材料 ( CFRP )是目前最先进的复合材料之一 ,它以轻 质、高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料 ,是其他纤维增强复合材料所无法比拟的 .碳纤维增强树脂复合材料所用的基体树脂主要分为两大类 :一类是热固性树脂 ,另一类是热塑性树脂 .热固性树脂 由反应性低分子量集体或带有活性基团高分子量聚合物组成 ,成型过程中在固化剂或热作用下进行交联、缩聚 ,形成不熔不溶的交联体型结构 .在复合材料中常采用的有环氧树 脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等 .热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成 ,在一定条件下溶解熔融 .只发生物理变化 .常用 的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯以及聚醚醚酮等 [11]。 在碳纤维增强树脂基复合材料中 ,碳纤维起到增强作用 .而树脂基体则使复合材料成型为承载外力的整体 ,并通过界面传递载荷于碳纤维 ,它对碳纤维复合材料的技术性能、成型工艺以及产品价格等都有直接的影响 ,碳纤维的复合方式也会对复合材料的性能产生影响 .在制备复合材料时碳纤维大致可分为两种类型 :连续纤维和短纤维 ,连续纤维增强的复合材料通常具有更 好的机械性能但由于其制造成本 较高并不适应于大规模的生产 .短纤维复合材料可采用与树脂基体相同的加工工艺 .如模压成型、注射成型以及挤出成型等 ,当采用适合的成型工艺时 .短纤维复合 材料甚至可以具备与连成续纤维复合材料相媲美的机械性能并且适宜于大规模的生产 ,因此短纤维复合材料近来得到了广泛的应用 [12]。 复合材料的特性 碳纤维增强复合材料 (CFRP)由于与传统材料相比具有独特的力学性能，电阻特性，耐磨损性，界面结合强度，吸波性等 优良 性能，在国内引起了广大科研工作者的兴趣 和喜好 ,并在近今年取得了很多成就。 强度 金属材料在外载荷的作用下抵抗塑形变形和断裂的能力称为强度。 根据受力 7 7 种类的不同分为以下几种： (1)抗压强度 材料承受压力的能力； (2)抗拉强度 材料承受拉力的能力； (3)抗弯强度 材料对致弯外力的承受能力； (4)抗剪强度材料承受剪切力的能力。 本文将进行简单的阐述 [13]。 抗拉强度 由连续增强碳纤维和树脂基体组成的复合材料 碳纤维增强复合材料 （ CFRP）与传统加固材料相比， CFRP 具有抗拉强度高、自重轻、施工方便等优点。 罗小萍等对炭纤维进行了表 面化学镀镍处理，采用粉末冶金热挤压法将镀层炭纤维与镁基体复合，当炭纤维含量为 %的镁基预制体采用压制压力为 420MPa，烧结温度为 550℃ ,保温 后， 480℃ 用 280 MPa 的压力进行热挤压得到镀层炭纤维 /镁基复合材料的抗拉强度达 167MPa，同时硬度、屈服强度分别为 120MPa，125MPa。 弯曲强度 艾娇艳等将碳纤维增强聚碳酸酯 (PC)与玻璃纤维增强聚碳酸酯 (PC)复合材料性能对比进行了研究， 发现 碳纤维增强 PC 在机械性能、电性能和加工性等方面有明显的提高。 随着碳纤维含量的增加，拉伸 强度、弯曲强度、弯曲模量明显呈上升趋势。 龚伟平等采用溶胶 凝胶法在炭纤维表面涂覆 TiO2 薄膜，通过球磨混合均匀、热压烧结制备炭纤维增强羟基磷灰石复合材料，用三点弯曲法测试复合材料的弯曲强度。 结果表明，球磨时间影响羟基磷灰石中炭纤维的长度及其分布，球磨时间以 为宜。 表面涂层 TiO2 的炭纤维增强羟基磷灰石的弯曲强度比未涂层的高，尤以用丙酮除胶、盐酸与水量比例为 :8 进行 TiO2 涂层，得到的炭纤维增强羟基磷灰石的弯曲强度最高。 在炭纤维表面均匀涂覆一层厚度合适 TiO2薄膜有利于提高炭纤维增强羟基磷灰石复合 材料的力学性能。 抗压强度 项东虎等采用直碳纤维和螺旋碳纤维增强 PTFE 复合材料，发现直纤维增强复合材料的硬度呈先增大后减小的趋势，螺旋碳纤维增强复合材料的硬度则缓慢提高，两种纤维均可使抗压强度提高，且螺旋碳纤维的效果更为明显 [14]。 断裂韧性 8 8 高弹性模量的碳纤维对材料既能增强，又可显著增韧。 碳纤维增强镁合金层合板具有比玻璃纤维增强铝合金层合板更高界面断裂韧性 ； 在水泥砂浆中掺入碳纤维可显著提高水泥砂浆的断裂韧度和断裂能，且随着碳纤维掺量的增加，断裂韧度和断裂能随之增大 ， 水泥基材料 的密度和弹性模量降低、泊松比 也随之 增加 ；采用碳纤维填充改善聚四氟乙烯 ( PTFE)，大大改善了纯 PTFE 的塑性性能 [13]。 耐磨性 项东虎等选用螺旋碳纤维 ( CMCs) 和直碳纤维 ( SCF) 填充改善聚四氟乙烯( PTFE) 的综合性能。 测试了纯 PTFE 及其复合材料的摩擦磨损、硬度、抗压强度等性能，并利用扫描电镜对磨损表面及残留在表面的磨屑和转移膜进行形貌观察。 结果表明： 添加其中任何一种碳纤维都会不同程度地提高 PTFE 复合材料的摩擦因数，高载下的摩擦因数稍低于低载下的摩擦因数 ，另外，随着碳纤维含量的增加，其耐磨性能逐步提高，磨损率下降 [15]。 灵敏性 碳纤维水泥基复合材料能以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。 碳纤维水泥基复合材料界面性能对其功能响应 特性的具体机理为： （ 1）碳纤维在拔出力的作用下，试样界面力及电阻变化率随着拉伸位移的增加而逐渐增大，当界面力达到极值时，纤维与基体间的结合被破坏，电阻迅速上升。 试验所表现出的这种电学特性可用隧道效应理论来描述。 界面应力的作用使材料内部导电网络发生改变，引起隧道电流的变化，从而导致了电阻的变化。 （ 2）在荷 载作用下，碳纤维基复合材料通过界面将载荷传递给碳纤维，碳纤维和基体之间界面应力的变化导致界面结构变化，材料内部的导电网。