航空航天领域对材料性能要求较高,同时严格控制成本和重量。虽然连续碳纤维预浸料已广泛用于主承力结构,但在内部非结构件中,碳纤维短切增强复合材料提供了一种兼顾性能与经济性的方案。合理选用碳纤维短切材料,可以满足客舱内饰、辅助支架等部件的要求。
航天器内部存在大量托架、卡箍、隔离垫等小型零件。这些零件形状多样、数量众多,若采用连续碳纤维层压板加工,材料利用率和生产效率较低。而采用碳纤维短切增强热塑性塑料注射成型,可一次成型复杂几何形状,无需二次加工,大幅降低成本。常用的基体包括聚醚醚酮、聚醚酰亚胺等高性能热塑性树脂,以耐受宇航环境中的真空、温度交变和辐射。
在选用碳纤维短切时,需要关注材料的放气性能。航天器内的非金属材料在真空环境下会释放挥发性物质,这些物质可能凝结在光学镜头或散热表面造成污染。因此,选用碳纤维短切增强材料时,必须要求供应商提供放气测试数据,包括总质量损失和收集到的可凝挥发物含量。通常要求总质量损失低于1%,可凝挥发物低于0.1%。
另一个重要的选用指标是阻燃性能。民用飞机内部材料必须满足适航规章中的火焰蔓延和烟密度要求。碳纤维短切本身的阻燃性较好,但树脂基体是主要可燃源。通过选择阻燃等级的树脂,并添加碳纤维短切形成的碳层保护作用,材料能够通过垂直燃烧测试和烟密度测试。对于飞机客舱内部件,还要求材料具有低毒性,确保火灾时产生的气体不会对人员造成严重危害。
此外,抗静电性能是飞机内部材料的常见要求。燃油箱附近的部件需防止静电积聚引发危险。添加足够量的碳纤维短切可使表面电阻率稳定在10的5次方至10的7次方欧姆之间,满足抗静电设计规范。与传统的导电炭黑相比,碳纤维短切对材料力学性能的负面影响较小。
由于航空认证周期较长,材料供应商通常需要提供完整的性能数据库,包括力学性能在不同温湿度条件下的数据。选材人员应优先选择已拥有行业应用经验或者已完成适航符合性测试的碳纤维短切牌号,以降低项目风险。
