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碳纖維在航發領域顯身手 未來強度和韌度將進一步提升

來源:賽奧碳纖維技術|

發表時間:2019-04-01

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文章來源:中國航天報 作者:毛吉烜


1860年,約瑟夫·斯萬發明了白熾燈的原型——半真空碳絲電燈。為了點亮暗夜,作為電燈的發光體,碳纖維悄然誕生。


初生的碳纖維并不引人矚目,早期的碳纖維由天然纖維制成,幾乎沒有結構強度,制成的燈絲質量和可靠性都很差,使用中很容易碎裂、折斷,其耐用性也很不理想,很快就被鎢絲取代。碳纖維研究進入了休眠期。


20世紀50年代,航空航天領域對材料提出了耐高溫、耐腐蝕、高強度的嚴苛要求,人們再次將目光轉向碳化物。經過一系列的研究,最終發現了熔點在3600℃的材料,并將其正式命名為“碳纖維”。


碳纖維最出色的特性是質量輕、強度高,具有很高的比強度和比模量,其密度不到鋼的1/4,其拉伸比強度約是鐵的10倍,拉伸比彈性模量約是鐵的7倍。此外,碳纖維有著不疲勞、不生銹、化學穩定性和熱穩定性好等多種優良特性。


在航空發動機領域,碳纖維主要以增強基的形式與樹脂、金屬、陶瓷等基體構成輕量化的復合材料,即碳纖維增強復合材料(CFRP),主要起到減重增效、降低噪聲及排放、提高材料強度和燃油經濟性的目的。


GE90發動機風扇葉片應用了GE公司研發的第一代復合材料,在隨后的20多年時間里,共發展了四代。此外,GE9X的機匣也采用了碳纖維復合材料,相比金屬材料減重近160千克。LEAP發動機風扇機匣應用了同樣的技術,和鋁相比減重30%。


羅羅公司下一代遄達發動機以及將在2020年投入使用的Advance發動機將采用FACC公司開發的碳纖維復合材料封嚴環,減重40%。Advance發動機采用碳纖維復合材料葉片、機匣,與早期的遄達發動機相比,將減輕680千克,改善20%的燃油效率,減少20%的碳排放。


除風扇和機匣外,航空發動機高溫部件中也逐漸開始應用復合材料,如GEnx的變量溢流閥(VBV)導管,采用碳纖維增強雙馬來酰亞胺(BMI)制造,每套導管重量只有3.6千克。俄羅斯的SaM146發動機上的混流噴嘴(MFN)也采用了碳纖維增強的BMI零件,較金屬減重約20千克,其復合材料蜂窩結構內襯可以將聲波限制在16萬個小孔內,起到吸聲的作用。


未來,隨著碳纖維復合材料強度和韌性的進一步提升,碳纖維復合材料在航空發動機上的應用也將越來越多:增強熱縮性塑料工藝形成的CFRTP;增強碳工藝形成CFRC碳/碳復合材料;增強金屬工藝形成CFRM;增強橡膠工藝形成CFRR……無論是向哪個方向發展,碳纖維復合材料都將是未來高性能航空發動機中不可或缺的重要材料。


本文封面圖來源于圖蟲創意

2019第五屆碳纖維及其復合材料產業大會 2018年碳纖維行業研究報告 碳纖維通訊錄

“本文由新材料在線平臺入駐媒體號賽奧碳纖維技術提供,觀點僅代表作者本人,不代表新材料在線立場。本站只提供參考并不構成任何投資及應用建議。本站擁有對此聲明的最終解釋權。”

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