什么是航空航天复合材料？

复合材料示例

复合材料是通过在宏观尺度上组合至少两种不同的材料来形成的，从而产生一种具有混合了各组分材料特性的最终材料。

“复合材料”是一个广义术语，指的是各种材料，但在本文中，该术语指的是纤维增强聚合物复合材料，特别是碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维与环氧树脂的结合。航空航天复合材料是复合材料的一个子集，适用于飞机和航天器应用。

航空航天复合材料与复合材料其他领域的区别在于航空航天复合材料的强度、重量和质量标准，以及用于设计、制造和测试航空航天复合材料结构的严格程序。

此外，航空航天复合材料的材料特性和工艺变量是量化的，并受到严格控制。虽然本文主要关注飞机应用，但这些信息和技术也可以应用于赛车、帆船、电动汽车或航天器中的其他高性能结构。

为什么要使用复合材料？

与金属等传统材料相比，复合材料在飞机应用中具有许多优势。通过提高疲劳极限和耐腐蚀性，可以提高强度、增加刚度、减轻重量、减少零件数量并延长使用寿命，这些都是用复合材料替代金属的好处。

复合材料用途广泛，因为它们的物理和机械性能通常可以通过调整特定材料的成分来定制或“调整”以适应应用。复合材料的使用还为飞机结构的设计几何形状开辟了更多选择，因为它们特别适合复合曲线和有机形状，例如发动机罩、机轮整流罩和翼尖。如果正确使用，所有这些优势都会转化为更高的应用性能。

通过使用复合材料，飞机可以飞得更高、更快、更远，同时携带更大的有效载荷。过去几十年来航空航天业的许多进步都是通过采用复合材料实现的。

什么是纤维增强材料？

复合材料的主要成分是纤维增强材料。纤维增强材料在纤维排列的方向上提供强度和刚度。航空航天应用中最常见的三种纤维类型是碳纤维、玻璃纤维和芳族聚酰胺纤维。这些纤维类型在分子水平上具有不同的化学组成，从而在宏观纤维水平上产生不同的物理和机械性能。纤维的重要特性包括其强度、刚度、韧性、温度能力、密度、导电性、化学相容性、疲劳寿命和成本。

什么是碳纤维？

单根碳纤维丝由93%-95%的碳原子组成，这赋予了纤维特有的黑色。碳纤维可从三种聚合物前体中提取，包括聚丙烯腈(PAN)、人造丝和沥青。最常见的聚合物前体是PAN。将聚合物前体转化为碳纤维束需要几个化学和机械过程。

概括地说，PAN与其他原材料混合，然后纺成纤维。然后，对纤维进行化学改变以稳定粘合。然后将这些纤维加热到高温，导致几乎所有非碳原子被排出，留下紧密的碳晶体结构。

此时，用偶联剂处理纤维以提高其与树脂的粘合能力。单根纤维丝的直径仅为5至10微米（0.0002至0.0004英寸）。它们被组合成由1,000(1k)至320,000(320k)根单纤维的纤维束组成的丝束。

碳纤维丝束

碳纤维是最普遍认可的纤维增强材料类型之一。碳纤维的开发始于20世纪60年代初，当时第一批高性能纤维很快进入市场，用于飞机和航天器。

经过多年对不同制造工艺的试验和从不同基础材料中提取碳纤维，碳纤维的强度得到了极大提高，其作为最终用途产品的多功能性也得到了提升。值得注意的是，并非所有碳纤维都是一样的。碳纤维有很多种类型，强度、刚度和成本各不相同。

物理特性

碳纤维是一种用途广泛的材料，与玻璃纤维和芳纶纤维相比，碳纤维在高强度、高刚度、低密度和适中价格之间实现了极好的平衡。碳纤维的导电性较弱，但导热性却很强。碳纤维丝作为增强材料具有极高的温度能力。碳纤维在很宽的温度范围内尺寸稳定，热膨胀系数较低。

最佳使用应用程序和限制

碳纤维具有较高的强度重量比，这使其非常适合各种各样的航空航天应用，从机身结构到航天器隔热罩。除了航空航天应用之外，碳纤维还可用于船舶、赛车和运动器材。碳纤维的缺点之一是其导电性，这使其难以与某些金属结合，因为这可能会产生电化学腐蚀。其导电性也使其成为需要通信信号穿过它的应用的不佳选择，例如天线外壳或机鼻雷达罩。

对于小而精细的几何形状，碳纤维通常不是最佳选择。如果小部件的特征尺寸接近纤维束的大小，则很难制造出具有获得所需强度特性所必需的纤维取向范围的小部件。