Inventori Titik Panas Penyelidikan dalam Bahan Komposit Termaju Aeroangkasa
Bahan komposit dan logam, polimer, dan seramik dipanggil empat bahan utama. Hari ini, tahap industri bahan komposit sesebuah negara atau wilayah telah menjadi salah satu petunjuk untuk mengukur kekuatan teknologi dan ekonominya. Bahan komposit termaju adalah sumber kelebihan daya saing untuk keselamatan negara dan ekonomi negara. Antaranya, resin epoksi adalah resin yang boleh dirawat tindak balas yang sangat baik. Dalam bidang bahan komposit bertetulang gentian, resin epoksi memainkan peranan yang besar. Ia dikompaun dengan gentian karbon berasaskan PAN gentian berprestasi tinggi, gentian kaca S atau E, gentian aramid, gentian polietilena, dan gentian basalt, dan ia menjadi bahan matriks penting dan bahan struktur yang tidak boleh diganti, yang digunakan secara meluas dalam kuasa elektronik, aeroangkasa, Peralatan sukan, tetulang bangunan, saluran paip tekanan, anti-karat kimia dan enam bidang lain. Kertas kerja ini memberi tumpuan kepada status domestik dan asing komposit matriks resin lanjutan aeroangkasa dan masalah serta hala tuju yang sedang dikaji oleh China.
Gentian pengukuhan yang digunakan dalam bahan komposit
Perbandingan prestasi pelbagai bahan gentian yang digunakan dalam bahan komposit ditunjukkan dalam Jadual 1. Sifat beberapa bahan telah dibandingkan. Ia boleh dilihat daripada Jadual 1 bahawa kekuatan khusus dan modulus khusus gentian kaca sahaja meningkat sebanyak 540 peratus dan 31 peratus, masing-masing, berbanding dengan bahan logam, dan peningkatan gentian karbon adalah lebih ketara. Menurut laporan literatur, kekuatan teori grafit kristal tunggal yang dikira daripada tenaga ikatan dan ketumpatan ikatan adalah setinggi 150 GPa. Oleh itu, potensi pembangunan selanjutnya gentian karbon adalah sangat besar. Matlamat jangka pendek Syarikat Toray Jepun adalah untuk menjadikan kekuatan tegangan gentian karbon sebanyak 8.5GPa, modulus 730GPa. Tidak perlu dikatakan, gentian karbon masih akan menjadi bahan utama untuk sarung dan muncung motor roket pepejal pada masa hadapan.
Pembangunan aplikasi lain komposit gentian karbon adalah sangat menjanjikan, seperti pesawat dan sistem brek kereta api berkelajuan tinggi, pesawat awam dan struktur komposit automotif, galas gentian karbon berprestasi tinggi, bilah besar untuk turbin angin, peralatan sukan (seperti ski. , raket, pancing), dsb. Dengan pengembangan skala pengeluaran gentian karbon dan penurunan kos pengeluaran secara beransur-ansur, penggunaan gentian karbon dalam konkrit bertetulang, peranti pemanasan baharu, bahan elektrod baharu dan juga keperluan harian juga akan berkembang dengan pesat. Untuk bekerjasama dengan Sukan Olimpik Beijing, negara saya merancang untuk membangunkan secara bersungguh-sungguh bahan binaan CFRP baharu dan pasaran CFRP berteknologi tinggi baharu yang berkaitan dengan perlindungan alam sekitar dan barangan pengguna.
Gentian karbon ialah bahan berkekuatan tinggi, modulus tinggi. Secara teorinya, kebanyakan gentian organik boleh dijadikan gentian karbon. Terdapat tiga jenis gentian organik utama yang sebenarnya digunakan sebagai bahan mentah untuk gentian karbon: gentian viscose, gentian pic, dan gentian polyacrylonitrile. Kebanyakan gentian karbon yang digunakan dalam bahagian struktur motor roket pepejal semasa diperbuat daripada gentian poliakrilonitril.
Komposit matriks resin aeroangkasa
Menurut data yang berkaitan, setiap 1 kilogram jisim kapal angkasa boleh mengurangkan berat kenderaan pelancar sebanyak 500 kilogram, dan kos pelancaran satelit adalah berpuluh-puluh juta dolar. Faktor kos yang tinggi menjadikan bahan struktur ringan dan berprestasi tinggi. Penutup enjin pepejal berasaskan epoksi yang dihasilkan oleh proses penggulungan filamen adalah tahan terhadap kakisan, suhu tinggi dan sinaran, dan mempunyai ketumpatan rendah, ketegaran yang baik, kekuatan tinggi dan saiz yang stabil. Contohnya, kepala peledak peluru berpandu dan fairing satelit, bahan tahan haba untuk kapal angkasa, dan substrat susunan sel suria semuanya diperbuat daripada bahan bertetulang gentian berasaskan epoksi dan epoksi-fenolik. Untuk pertimbangan penerbangan aeroangkasa dan keselamatannya, sebagai bahan struktur, ia harus mempunyai berat ringan, kekuatan tinggi, kebolehpercayaan dan kestabilan yang tinggi, dan bahan komposit gentian karbon epoksi telah menjadi bahan yang sangat diperlukan.
Bahan peneguh yang digunakan dalam komposit epoksi berprestasi tinggi adalah terutamanya gentian karbon (CF) dan gentian hibrid CF dan gentian aramid (K-49) atau gentian kaca berkekuatan tinggi (S-GF). Resin epoksi yang digunakan sebagai bahan matriks menyumbang kira-kira 90 peratus daripada resin komposit berprestasi tinggi. Proses pengacuan bahan komposit berprestasi tinggi kebanyakannya menggunakan susun atur kering prepreg satu arah, dan pengawetan dan pengacuan autoklaf. Komposit epoksi berprestasi tinggi telah digunakan secara meluas dalam pelbagai pesawat. Mengambil Amerika Syarikat sebagai contoh, pada tahun 1960-an, bahan komposit boron/epoksi digunakan untuk kulit pesawat dan permukaan operasi. Disebabkan kos gentian boron yang tinggi, komposit karbon/epoksi telah ditukar kepada komposit karbon/epoksi pada tahun 1970-an dan berkembang pesat. Ia boleh dibahagikan secara kasar kepada tiga peringkat. Peringkat pertama digunakan pada komponen dengan sedikit daya, seperti pelbagai permukaan kawalan, permukaan kemudi, spoiler, aileron, flaps, plat seret, pintu gear pendaratan, penutup enjin dan struktur sekunder lain. Peringkat kedua digunakan pada bahagian struktur dengan beban besar, seperti penstabil, ekor mendatar gerakan penuh, dan sayap struktur galas beban utama. Peringkat ketiga digunakan pada struktur tertekan yang kompleks, seperti fiuslaj, kotak sayap tengah, dsb. Secara amnya, penurunan berat badan boleh 20 peratus hingga 30 peratus . Pada masa ini, jumlah bahan komposit pada pesawat tentera telah mencapai kira-kira 25 peratus daripada berat struktur, menyumbang 80 peratus daripada luas permukaan badan. Terdapat banyak contoh aplikasi bahan komposit epoksi berprestasi tinggi dalam pesawat tentera dan awam asing.
Sebagai tambahan kepada bahan komposit ablatif dalam industri aeroangkasa, bahan komposit berprestasi tinggi juga digunakan secara meluas. Sebagai contoh, selepas menggunakan C/EP, kon kabin instrumen peluru berpandu Trident boleh mengurangkan berat sebanyak 25 peratus hingga 30 peratus dan menjimatkan tenaga kerja sebanyak kira-kira 50 peratus . Ia juga digunakan sebagai sokongan instrumen dan 55 bahagian struktur tambahan seperti sokongan giro, cincin sokongan silinder lenting, sokongan roller lenting, sokongan dalaman peranti inersia dan sokongan bateri pada peluru berpandu Trident. Disebabkan pengurangan berat, julat meningkat sebanyak 342km. Perisai dan interstages untuk roket Delta juga dihasilkan oleh C/EP. Antena, kurungan antena, bingkai sel suria dan penapis gelombang mikro pada satelit dan pesawat Amerika semuanya dihasilkan oleh C/EP. C/EP digunakan untuk membuat struktur sokongan antena dan struktur ruang yang besar pada Intelsat V. Kapal angkasa Air Voyager menggunakan K-49/EP untuk subreflektor antena untung tinggi dan kulit dalam dan luar struktur sandwic sarang lebah. Pesawat ulang-alik menggunakan bahan komposit C/EP sarang lebah Nomex untuk membuat penetasan besar, panel struktur kabin ekor C/EP, dsb.
