航空宇宙の高度な複合材料における研究ホットスポットの目録

複合材料と金属、ポリマー、セラミックは、4つの主要な材料と呼ばれます。 今日、国または地域の複合材料産業レベルは、その技術的および経済的強さを測定するための指標の1つになっています。 高度な複合材料は、国家安全保障と国民経済にとって競争上の優位性の源です。 その中でも、エポキシ樹脂は優れた反応硬化性樹脂です。 繊維強化複合材料の分野では、エポキシ樹脂が大きな役割を果たしています。 高性能繊維PAN系炭素繊維、SまたはEガラス繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、玄武岩繊維を配合し、電力で広く使用されているかけがえのない重要なマトリックス材料や構造材料となり、航空宇宙、スポーツ機器、建物の補強、圧力パイプライン、化学防食およびその他の6つの分野。 この論文は、航空宇宙先進樹脂マトリックス複合材料の国内および海外の状況と、中国が研究している問題と方向性に焦点を当てています。

複合材料に使用される強化繊維

複合材料に使用されるさまざまな繊維材料の性能比較を表1に示します。いくつかの材料の特性を比較しました。 表1から、ガラス繊維のみの比強度と比弾性率は、金属材料と比較してそれぞれ540％と31％増加しており、炭素繊維の改善はさらに重要であることがわかります。 文献報告によると、結合エネルギーと結合密度から計算された単結晶グラファイトの理論強度は150GPaにも達します。 したがって、炭素繊維のさらなる開発の可能性は非常に大きいです。 日本の東レの当面の目標は、炭素繊維の引張強度を8.5GPa、弾性率を730GPaにすることです。 言うまでもなく、炭素繊維は、今後も固体ロケットモーターのケーシングとノズルの主な材料となるでしょう。

炭素繊維複合材料の他の用途の開発は、航空機および高速列車ブレーキシステム、民間航空機および自動車複合構造、高性能炭素繊維ベアリング、風力タービン用の大型ブレード、スポーツ用品（スキーなど）など、非常に有望です。 、ラケット、フィッシングロッド）など。 炭素繊維の生産規模の拡大と生産コストの段階的な低下に伴い、鉄筋コンクリート、新しい加熱装置、新しい電極材料、さらには日用品への炭素繊維の適用も急速に拡大します。 北京オリンピックに協力するために、私の国は、環境保護と消費財に関連する新しいCFRP建材と新しいハイテクCFRP市場を精力的に開発することを計画しています。

炭素繊維は、高強度、高弾性の素材です。 理論的には、ほとんどの有機繊維は炭素繊維にすることができます。 炭素繊維の原料として実際に使用されている有機繊維には、ビスコース繊維、ピッチ繊維、ポリアクリロニトリル繊維の3種類があります。 現在の固体ロケットモーターの構造部品に使用されている炭素繊維のほとんどは、ポリアクリロニトリル繊維でできています。

航空宇宙樹脂マトリックス複合材料

関連データによると、宇宙船の質量1キログラムごとにロケットの重量を500キログラム減らすことができ、衛星打ち上げのコストは数千万ドルになります。 コスト要因が高いため、構造材料は軽量で高性能になります。 フィラメントワインディングプロセスで製造されたエポキシベースのソリッドエンジンカバーは、腐食、高温、放射に耐性があり、密度が低く、剛性が高く、強度が高く、サイズが安定しています。 たとえば、ミサイル弾頭と衛星フェアリング、宇宙船用の耐熱材料、太陽電池アレイ基板はすべて、エポキシベースとエポキシフェノールベースの繊維強化材料で作られています。 航空宇宙飛行とその安全性を考えると、構造材料として軽量・高強度・高信頼性・安定性が求められ、エポキシ炭素繊維複合材料が欠かせない材料となっています。

高性能エポキシ複合材料に使用される補強材は、主に炭素繊維（CF）と、CFとアラミド繊維のハイブリッド繊維（K -49）または高強度ガラス繊維（S-GF）です。 マトリックス材料として使用されるエポキシ樹脂は、高性能コンポジットレジンの約90％を占めています。 高性能複合材料の成形プロセスでは、主に一方向プリプレグドライレイアップ、オートクレーブ硬化および成形が採用されています。 高性能エポキシ複合材料は、さまざまな航空機で広く使用されています。 米国を例にとると、1960年代には、ホウ素/エポキシ複合材料が航空機の外板と操作面に使用されていました。 ホウ素繊維のコストが高いため、1970年代に炭素/エポキシ複合材料が炭素/エポキシ複合材料に変わり、急速に発展しました。 それは大きく3つの段階に分けることができます。 第1段階は、さまざまな操縦翼面、舵面、スポイラー、エルロン、フラップ、抗力プレート、着陸装置のドア、エンジンカバー、その他の二次構造など、力の少ないコンポーネントに適用されます。 第2段階は、スタビライザー、フルモーション水平テール、主耐力構造翼など、大きな荷重がかかる構造部品に適用されます。 第3段階は、胴体、中央ウィングボックスなどの複雑な応力がかかった構造に適用されます。一般に、重量損失は20％から30％になる可能性があります。 現在、軍用機の複合材料の量は、構造物の重量の約25％に達しており、体の表面積の80％を占めています。 外国の軍用機および民間航空機における高性能エポキシ複合材料の多くの適用例があります。

航空宇宙産業におけるアブレイティブ複合材料に加えて、高性能複合材料も広く使用されています。 たとえば、C / EPを採用した後、トライデントミサイルの計器キャビンのコーンは重量を25％から30％削減し、労力を約50％節約できます。 また、トライデントミサイルの計器サポートおよびジャイロサポート、排出シリンダーサポートリング、排出ローラーサポート、慣性装置内部サポート、バッテリーサポートなどの55の補助構造部品としても使用されます。 軽量化により、航続距離は342km拡大。 デルタロケットのシールドと中間段もC/EPによって製造されています。 アメリカの衛星や航空機のアンテナ、アンテナブラケット、太陽電池フレーム、マイクロ波フィルターはすべてC/EPによって製造されています。 C / EPは、IntelsatVでアンテナサポート構造と大宇宙構造を作成するために使用されます。宇宙船AirVoyagerは、高ゲインアンテナサブリフレクターとハニカムサンドイッチ構造の内側と外側のスキンにK -49/EPを使用します。 スペースシャトルは、ノーメックスハニカムC / EP複合材料を使用して、大きなハッチ、C/EPテールキャビン構造パネルなどを作成します。