先进材料在飞机上的应用

1、天津中德职业技术学院毕 业 设 计 （论文）论文题目：先进复合材料在飞机上的应用与发展 系（部）: 航器系 专 业: 飞机制造（机电一体化） 班 级： 13飞机2班 姓 名： 赵佳伟 学 号： 指导教师： 丁娜仁花 ( 2015 年 4月 )航空航天与汽车学院毕业设计（论文）摘 要本论文主要阐述了先进材料在飞机上的应用。首先介绍了先进材料的分类及其特点；其次对先进材料在飞机上的应用作了说明；在各章节列举例子（A380客机）上的先进材料进行了了具体分析。关键词：先进材料的分类、先进材料在飞机上的应用（新型且先进的金属材料、复合材料）、先进材料的加工技术（GLARE 技术、激光焊技术）、举例A38

2、0客机上的新型材料分析。AbstractThis paper mainly expounds the advanced materials in the plane of the application. Firstly introduces the classification of advanced materials and its characteristics, Second of advanced materials in the plane of the application are explained; In every chapter enumerated example

3、(A380) of the advanced materials how concrete analysis.Key words:Advanced materials classification, advanced materials in the plane of the application (new and advanced metal materials, composite materials), advanced materials processing technology (sure technology, laser welding technology), for ex

4、ample A380 of new material analysis.目录第一章 .先进材料在上的应用. . . . . . . . . . . . . . . . .5 1.1先进材料的概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1.2传统飞机的材料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 1.3现代飞机上的新型材料. . . . . . . . . . . . . . . . . 6第二章.新型且先进的金属材料. . . . . . . . . . . . . . . . . .72.1高温合金. .

5、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2铝合金 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3钛合金. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102.4.超高强度钢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112.5新型且先进的金属材料在飞机上的应用. . . . . . . . . .12第三章.复合材料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6、 . . .123.1复合材料的介绍. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123.2复合材料的分类. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133.3树脂基复合材料的发展史. . . . . . . . . . . . . . . . .143.4 先进复合材料工业上通常使用环氧树脂的品种、性能和特性 .153.5复合材料在飞机上应用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153.5.1应用先进复合材料可以显著提高战斗机作战性能. . . . .15

7、3.5.2应用先进复合材料可以明显增大军用运输机有效载重量. . 16 3.5.3应用先进复合材料是高超声速飞行器能否上天的关键因素16 35.4应用先进复合材料能大幅增加无人战斗机载油量. . . .173.5.5应用先进复合材料可以极大提升民用飞机市场竞争力. . .173.5.6应用先进复合材料在减重的同时改善了直升机抗坠毁性 .173.5.7先进复合材料在航空发动机上也得到成功应用. . . . .193.5.8 先进战斗机用复合材料树脂基体. . . . . . . . . . .203.5.9飞机结构受力构件用的高性能环氧树脂复合材料. . . .20 3.5.10民用大飞机复合材

8、料. . . . . . . . . . . . . . . .21 3.5。11国内大飞机复合材料现状. . . . . . . . . . . . . . .233.5.12国产大飞机的软肋还是技术问题. . . . . . . . . . .24第四章.先进材料的加工技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . .274.1先进材料的加工技术的介绍. . . . . . . . . . . . . . . 274.2先进材料的加工技术的分类. . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2.1GLARE 技术. . . . . . . .

9、 . . . . . . . . . . . .27 4.2.2.激光焊技术. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29第五章 结论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31结束语. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32谢辞 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33参考文献 . . . . . . . . . . . . . . .

10、 . . . . . . . . . . . .34第一章 先进材料在飞机上的应用1.1先进材料的概述 飞机的寿命要达到40-50年，因此必须选用先进且新型材料和工艺技术，为未来飞机搭建技术平台。这些技术不仅经过了大量全尺寸试验验证而且经过了航空公司维修专家的评审（符合检查和维修标准）。 A380结构设计准则（图1）。重复的拉伸载荷加上载荷的变化将会在金属结构内产生微小的疲劳裂纹。裂纹增长速度以及残余强度（当裂纹产生时）将指导选择何种材料。为了防止结构由外物损伤，需要考虑材料的损伤容限性能。 图1 A380机身及尾翼结构的一般结构设计准则压力载荷需要考虑采用屈服强度和刚度好的材料，以增加稳定性

11、。抗腐蚀能力是选择材料和工艺的另一个重要准则，尤其是在机身下部。选择材料和工艺目标的一部分是使结构轻量化。因此，复合材料是很好的选择，但必须了解设计准则和维修需要。材料的选择不仅仅是考虑设计准则，同时还要考虑生产成本和采购问题。 1 .2 传统的飞机材料 飞机材料的范围较广，分为机体材料（包括结构材料和非结构材料）、发动机材料和涂料，其中最主要的是机体结构材料和发动机材料。 非结构材料包括：透明材料，舱内设施和装饰材料，液压、空调等系统用的附件和管道材料，天线罩和电磁材料，轮胎材料等。 非结构材料量少而品种多，有：玻璃、塑料、纺织品、橡胶、铝合金、镁合金、铜合金和不锈钢等。1.3 现代飞机上的

12、新型材料机翼是飞机的主要部件，早期的低速飞机的机翼为木结构，用布作蒙皮。这种机翼的结构强度低，气动效率差，早已被金属机翼所取代。机翼内部的梁是机翼的主要受力件，一般采用超硬铝和钢或钛合金；翼梁与机身的接头部分采用高强度结构钢。机翼蒙皮因上下翼面的受力情况不同，分别采用抗压性能好的超硬铝及抗拉和疲劳性能好的硬铝。为了减轻重量，机翼的前后缘常采用玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）或铝蜂窝夹层（芯）结构。尾翼结构材料一般采用超硬铝。有时歼击机选用硼或碳纤维环氧复合材料，以减轻尾部重量，提高作战性能。尾翼上的方向舵和升降舵采用硬铝。 飞机在高空飞行时，机身增压座舱承受内压力，需要采用抗拉强度高、耐疲劳的硬铝作

13、蒙皮材料。机身隔框一般采用超硬铝，承受较大载荷的加强框采用高强度结构钢或钛合金。很多飞机的机载雷达装在机身头部，一般采用玻璃纤维增强塑料做成的头锥将它罩住以便能透过电磁波。驾驶舱的座舱盖和风挡玻璃采用丙烯酸酯透明塑料（有机玻璃）。飞机在着陆时主起落架要在一瞬间承受几百千牛乃至几兆牛（几十吨力至几百吨力）的撞击力，因此必须采用冲击韧性好的超高强度结构钢。前起落架受力较小，通常采用普通合金钢或超硬铝。从60年代末期开始，在飞机上使用的复合材料，已由当初只应用于口盖和舱门等非承力构件，逐步扩大应用到减速板和尾翼等次承力构件，而且正向用于机翼甚至前机身等主承力构件的方向发展。另外，为提高突防攻击能力、

14、不被敌方雷达捕获，已在飞机上采用吸波材料.第二章 新型且先进的金属材料金属材料基本概念2.1.高温合金 高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关，尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出很高要求，早期英国研制了Ni3(Al、Ti)强化的Nimonic80合金，用作涡轮喷气发动机涡轮叶片材料，同时，又相继发展了 Nimonic系列合金。

15、美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。在高温合金发展过程中，制造工艺对合金的发展起着极大的推进作用。由于真空熔炼技术的出现，合金中有害杂质和气体的去除，特别是合金成分的精确控制，使高温合金性能不断提高。随后，定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究成功，推动了高温合金的迅猛发展。其中定向凝固技术最为突出，采用定向凝固工艺制出的定向、单晶合金，其使用温度接近初熔点的90%。因此，目前各国先进航空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。从国际范围来看

16、，镍基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。粉末高温合金也由第一代650发展到750、850粉末涡轮盘和双性能粉末盘，用于先进高性能发动机。我国高温合金随航空发动机的发展研制和生产需求而发展。我国高温合金的创业和起步于20世纪70年代前，由于我国第一、二代发动机的需求，我国研制和发展了GH系列的变形高温合金以及K 系列的铸造高温合金，同时发展了许多新的制造技术，如真空熔炼和铸造、空心叶片铸造、等温锻造等。70年代后，在高温合金的研制中，我国引进了欧美技术，按国外的技术标准进行研制和生产，对材料的纯洁度和综合性能提出了更高要求，研制了高性能变形高温合金、铸造高温合金。尤其是 DZ

17、系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的单晶合金的研究与发展，使我国高温合金在生产工艺技术和产品质量控制上了一个新台阶。近几年来，根据新型飞机的研制发展需求，我国高温合金研发又进入新阶段。通过新材料、新工艺的发展和应用，我国研制和生产了一系列高性能新合金。2.2.铝合金 铝合金的比强度和比刚度与钢相似，但由于其密度较低，在同样的强度水平下可提供截面更厚的材料，在受压时的抗屈曲能力更佳，因此铝合金成了经典的飞机结构材料。20世纪80年代末至90 年代中期，精密热处理技术及合金成分精确控制等关键技术取得突破，第四代耐损伤铝合金2524-T3和7150-T77研制成功，这是航空铝合金研究跨时代的进步。传统

18、铝合金因此完成了向高性能铝合金的里程碑式大发展。在第四代铝合金技术发展的同时，铝锂合金也被运用在先进的特大型民用飞机上。空客A380选用铝锂合金制造地板梁，空客A350选用铝锂合金制造机身蒙皮和地板结构等，其用量预计高达总结构重量的23%。第四代铝合金技术研制成功之后，国际上正在进行低成本铝合金的研制开发工作。下面从A380选材的分布来看一下（图2）. 铝合金占的比重最大，达机体结构重量的61%，因此要实现性能改进，必须开发创新的铝合金材料和工艺技术，具体是提高强度和损伤容限，加强稳定性并提高抗腐蚀能力。尤其是在A380机翼部位（机翼的80%以上是铝合金材料）要提高性能。A380-800飞机在

19、铝合金结构上取得的主要成就包括： 1.在机身壁板上引用了很宽的钣金材料，减少了连接件从而减轻了重量在主地板横梁上采用了先进的铝锂合金挤压件，在这一部位的应用可与碳纤维增强塑料相媲美。2.在机翼大梁和翼肋上选择了新型7085合金，这种合金在很薄的板材和很大锻件上性能优于通常的高强度合金；钛合金由于具有高强度、低密度，高损伤容限和抗腐蚀能力使其代替钢而广泛应用，但是它的高价格使其应用受到限制。在A380的结构中，钛合金用量较空中客车其它机型有所增加，达到10%。仅仅挂架和起落架的钛合金用量就增加了2%。 3.A380挂架的主要结构是空中客车公司第一次采用全钛设计。在A380飞机上采用最广泛的钛合金

20、是Ti-6Al-4V，在B退火状态下最大的断裂韧性和最小的裂纹增长速度。 4.在A380上第一次采用了新型钛合金VST55531，这种新的钛合金是空中客车公司与俄罗斯制造商共同开发的，能够为设计者提供良好的断裂韧性和高强度综合性能。这种合金目前用于A380飞机的机翼和挂架之间的连接件，进一步的应用还在研究当中。2.3.钛合金 钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好和耐高温等一系列优点，能够进行各种方式的零件成形、焊接和机械加工，因而在先进飞机及发动机上获得了广泛应用。当今，钛合金用量占飞机结构重量的百分比已成为衡量飞机用材先进程度的重要标志之一。钛合金占F-22战斗机机体结构重量的39%。钛合金在国外

21、民用飞机上的用量也随飞机设计和性能水平的提高而不断增加。铝合金所能承受的温度载荷有限，20世纪70年代，航空材料进入钛合金时代。由于钛合金成形及切削加工非常困难、与某些化学品接触时性能会发生变化等特点，各飞机制造公司为钛合金材料的研制付出巨大努力。首先.飞机结构钛合金材料。高损伤容限性能是新一代战斗机(包括高推比发动机)长寿命、高机动性、低成本和损伤容限设计需要的重要材料性能指标。美国率先把破损安全设计概念和损伤容限设计准则成功应用在先进战斗机上，F-22战斗机大量采用损伤容限型钛合金及其大型整体构件，以满足高减重和长寿命的设计需求。Ti-6Al-4V ELI在美国C-17军用运输机上的特大型

22、锻件上得到重要应用，高强度钛合金Ti-6-22-22S也在C-17飞机上的水平尾翼接头(转轴)等关键部位上得到应用。这两种钛合金的使用，使大型运输机的寿命高达60000 飞行小时以上。在欧洲，空客A380是首架全钛挂架的飞机，未来的A350也将采用全钛挂架。第二.航空发动机用高温钛合金高温钛合金主要用于制造航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件，这些零件要求材料在高温工作条件下(300600)具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。随着航空发动机推重比的提高，高压压气机出口温度升高导致高温钛合金叶片和盘的工作温度不断升高。经过几十年的发展，固溶强化型的高温钛合金最高工作温

23、度由350提高到了600。我国在航空发动机上使用的工作温度在400以下的高温钛合金主要有 TC4和TC6，应用于发动机工作温度较低的风扇叶片和压气机第1、2级叶片。500左右工作的高温钛合金有TC11、TA15和TA7合金，其中 TC11是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金。单纯采用固溶强化的钛合金难以满足600以上温度环境对蠕变抗力和强度的要求。有序强化的钛-铝系金属间化合物因其高比强度、比刚度、高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，而成为600以上温度非常有使用潜力的候选材料，其中 Ti3Al基合金长期工作温度在650左右，而TiAl基合金工作温度可达760800。2.4.超高强度钢 超高

24、强度钢作为起落架材料应用在飞机上。第二代飞机采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A钢，抗拉强度为1700MPa，这种起落架的寿命较短，约2000飞行小时。第三代战机设计要起落架求寿命超过5000飞行小时，同时由于机载设备增多，飞机结构重量系数下降，对起落架选材和制造技术提出更高要求。美国和我国的第三代战机均采用300M钢(抗拉强度1950MPa)起落架制造技术。应该指出的是，材料应用技术水平的提高也在推动起落架寿命的进一步延长和适应性的扩大。如空客A380飞机起落架采用了超大型整体锻件锻造技术、新型气氛保护热处理技术和高速火焰喷涂技术，使得起落架寿命满足设计要求。由此，新材料和制造技术的进

25、步确保了飞机的更新换代。2.5新型且先进的金属材料在飞机上的应用飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计对材料提出了更高要求，AerMet100钢较300M钢而言，强度级别相当，而耐一般腐蚀性能和耐应力腐蚀性能明显优于300M钢，与之相配套的起落架制造技术已应用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先进飞机上。更高强度的Aermet310钢断裂韧性较低，正在研究中。损伤容限超高强度钢AF1410的裂纹扩展速率极慢，用作B-1飞机机翼作动筒接头，比Ti-6Al-4V减重10.6%，加工性能提高60%，成本降低 30.3%。俄罗斯米格1.42上高强度不锈钢用量高达30%。PH13-8Mo是唯一的高强度马

26、氏体沉淀硬化不锈钢，广泛用作耐蚀构件。国内探索超高强度不锈钢取得初步效果。国外还发展了超高强度齿轮(轴承)钢，如CSS-42L、GearmetC69等，并在发动机、直升机和宇航中试用。国内发动机、直升机传动材料技术十分落后，北京航空材料研究院已自主研究开发了一种超高强度轴承齿轮钢。第三章 .复合材料 复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。今天，一个国家或地区的复合材料工业水平，已成为衡量其科技与经济实力的标志之一。先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。到2020年，只有复合材料才有潜力获得20-25%的性能提升。环氧树脂是优良的反应固化型性树脂。在纤维增强复合材料领域中，环

27、氧树脂大显身手。它与高性能纤维:PAN基碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维、S或E玻璃纤维复合，便成为不可替代的重要的基体材料和结构材料，广泛运用在电子电力、航天航空、运动器材、建筑补强、压力管雄、化工防腐等六个领域。本文重点论述航空航天先进树脂基体复合材料的国内外现状及中国的技术软肋问题。3.1复合材料的分类复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：纤维复合材料。将各种纤维强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。夹层复合材料。由性

28、质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内层间混杂和超混杂复合材料。60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4106厘米（cm），比模量大于

29、4108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250350、3501200和1200以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。表1对一些材料的性能进行了比较。表1 各种纤维材料性能比较 性 能拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa密度/(g/cm3)比模量109/cm比强度107/c

30、m产地30CrMnSi11002057.80.260.14-S-玻璃纤维3200852.50.341.28-F12有机纤维43001451.441.002.99俄罗斯IM6碳纤维52002761.71.623.06美 国IM9碳纤维63432902.01.453.17P30碳纤维40002101.761.192.27日 本T700碳纤维48002301.801.282.67T800碳纤维54902941.801.623.03 由表1可见，仅玻璃纤维就比金属材料的比强度、比模量分别提高了540%、31%，碳纤维的提高则更为显著。据文献报道，由键能和键密度计算得出的单晶石墨理论强度高达150GPa

31、1。因此碳纤维的进一步开发潜力是十分巨大的。日本东丽公司的近期目标是使碳纤维抗拉强度达到8.5 GPa、模量730 GPa。毋庸置言，碳纤维仍将是今后固体火箭发动机壳体和喷管的主要材料。 开发碳纤维复合材料的其他应用大有作为，如飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动器材(如滑雪板、球拍、渔杆)等。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的逐步下降，在增强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用也必将迅速扩大24。我国为配合北京奥运会,拟大力开发新型CFRP建材及与环保，日用消费品相关的高科技CFRP新市场5。 3.3复合

32、材料的发展史 树脂基复合材料（Resin Matrix Composite）也称纤维增强塑料（Fiber Reinforced Plastics），是技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，在我国不科学地俗称为玻璃钢 。树脂基复合材料于1932年在美国出现，1940年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的雷达罩，其后不久，美国莱特空军发展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的飞机，并于1944年3月在莱特-帕特空军基地试飞成功。1946年

33、纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。1949年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁，尺寸、形状准确的复合材料模压件。1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨。60年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，玻璃纤维-聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。1961年片状模塑料（Sheet Molding Compound, 简称SMC）在法国问世，利用这种技术可制出大幅面表面光洁，尺寸、形状稳定的制品，如汽车、船的壳体以及卫生洁具

34、等大型制件，从而更扩大了树脂基复合材料的应用领域。1963年前后在美、法、日等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产线，使复合材料制品形成了规模化生产。拉挤成型工艺的研究始于50年代，60年代中期实现了连续化生产，在70年代拉挤技术又有了重大的突破。在70年代树脂反应注射成型（Reaction Injection Molding, 简称RIM）和增强树脂反应注射成型（Reinforced Reaction Injection Molding, 简称RRIM）两种技术研究成功，现已大量用于卫生洁具和汽车的零件生产。1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模型料成型技术，

35、1975年投入生产。80年代又发展了离心浇铸成型法，英国曾使用这种工艺生产10m长的复合材料电线杆、大口径受外压的管道等。从上述可知，新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展。树脂的局面，人们一方面不断开辟玻纤-树脂复合材料的新用途，同时也开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料（Advanced Composite Materials, 简称ACM）。这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。自从先进复合材料投入

36、应用以来，有三件值得一提的成果。第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机-里尔芳2100号，并试飞成功。第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长18.2m、宽4.6m的主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器。在这架代表近代最尖端技术成果的航天收音机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料。第三件是使用了先进复合材料作为主承力结构，制造了这架可载80人的波音-767大型客运飞机，不仅减轻了重量，还提高了飞机的各种飞行性能。复合材料在这几个飞行器上的成功应用，表明了复合材料的良好性能和技术的成熟，这对于复合材料在重要工程结构上的应用

37、是一个极大的推动。3.5复合材料的应用随着先进碳纤维复合材料及其加工技术的快速进步，在飞机制造领域，新型飞机设计开始越来越多地采用先进复合材料，在纤维增强塑料（CFRP）成为通用材料的同时，全铝材承力结构正渐渐失宠。在高油价时代，复合材料结构轻巧、维修费用低廉的优势极大地冲击了铝材承力结构一统天下的局面。统计表明，2007年飞机上复合材料的用量，在总材料用量中所占比例已经高达57%。预计未来10年这一数字将上升到69%。这是一个重要的发展趋势。先进复合材料具有高比强、高比模、耐疲劳、多功能、各向异性和可设计性、材料与结构的同一性等优异性能，自上世纪60年代年问世以来，先进复合材料很快获得广泛应

38、用，成为航空航天四大材料之一。下面就让我们对先进复合材料的应用情况和其优异性能做一简要介绍。3.5.1应用先进复合材料可以显著提高战斗机作战性能。 为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的要求，进入90年代后，西方的战斗机无一例外的大量采用复合材料结构，用量一般都在25以上，有的甚至达到35，结构减重效率达30。应用部位几乎遍布飞机的机体，包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。如美国第四代战斗机F-22复合材料用量已达到24%，而EF2000更高达43，EF2000除鸭翼外，机身、机翼、腹鳍、方向舵都采用复合材料，结构的“湿润”表面的70为复合材料，阵风也是如此，70

39、的“湿润”表面为复合材料，约947kg之重。F-35的复合材料几乎覆盖了整个飞机外表面。3.5.2应用先进复合材料可以明显增大军用运输机有效载重量。 C-17是上世纪先进大型军用运输机的典型代表，C-17是1986年设计的，限于当时的水平，复合材料主要用于次要结构，如雷达罩、整流罩、操纵面、口盖、翼梢小翼蒙皮等，复合材料重约7258k，占该机结构重量8.1%。树脂基复合材料从非承力结构发展到次承力构件。在复合材料中碳纤维增强复合材料约占结构重量6%，玻璃纤维塑料、Kevlar纤维增强材料占2%。而欧洲EADS正在研究的A400M属于新一代大型军用运输机，在材料应用技术上有了一个新的飞跃，主要表

40、现为先进复合材料占结构重量的35%40%。与C-17不同的是，在A400M上，碳纤维复合材料用于一些主承力结构，而C-17的复合材料结构重量比仅为8%，且主要用于操纵面及次要结构。A400M的机身仍由传统的铝合金制成，但却开创了采用碳纤维复合材料制造大型运输机机翼的先河，机翼长达19米，令业界颇为瞩目。3.5.3应用先进复合材料是高超声速飞行器能否上天的关键因素。 高超声速技术主要指研制高超声速（Ma5）飞行器所需的相关技术。近中期将采用的材料将包括陶瓷纤维增强的金属基复合材料、陶瓷及碳碳复合材料以及轻质隔热材料。此外，发动机及机身将需要导热率高的材料，如碳碳复合材料。更远的将来，将需要先进型

41、的材料，如铍基复合材料之类的超轻材料以及纤维增强陶瓷之类超高温材料。以NASA开发的第二代可重复使用航天飞机为例，油箱内衬为复合材料。在推进系统中将采用陶瓷基复合材料发射斜轨、金属基复合材料机匣以及树脂基复合材料涵道。此外还将采用复合材料电子设备舱。第三代可重复使用航天飞机将为一智能结构，具有自适应热防护系统及智能化无损检测装置，自愈合的飞机结构及表面。发动机材料将可能使用经冷却的复合材料、金属基复合材料加力燃烧室壳体、超高温复合材料。结构材料将包括超高温树脂基复合材料、低成本耐腐蚀热防护系统复合材料液氧油箱。美国高超声速飞行器X-43是由超燃冲压发动机作动力装置的验证机。其油箱/机身由石墨/

42、环氧框架及蒙皮组成。蒙皮外再覆以热防护系统。飞机上翼面热防护层为可剪裁的先进绝缘毡，下翼面为内多层屏蔽绝缘物。后者是正处于开发中的防热材料，由C/SiC外面板，中介陶瓷屏以及先进聚酰亚胺泡沫内衬。中介陶瓷屏覆以贵金属以降低其热辐射。机翼及垂尾由钛基复合材料制成，并有一个由二硼化锆制成的前缘。3.5.4应用先进复合材料能大幅增加无人战斗机载油量。 国外目前研制的无人机以复合材料和传统铝合金的混合结构为主。如“捕食者”“全球鹰”等均是如此。其中“全球鹰”的机翼和尾翼由石墨/环氧复合材料制造，而机身仍采用传统铝合金，复合材料占结构重量的65%。 无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。为满足采购

43、政策、隐身性能、机动性、生存力对材料的特殊需求，为尽可能地降低结构重量、提高燃油装载量，无人战斗机结构的一个显著特点就是大量应用复合材料。以波音公司的X-45A为例，除机身的龙骨、梁和隔框采用高速切削铝合金外，其余的机体结构都是由复合材料制成。诺斯罗普格鲁门公司的X-47A的机体除一些接头采用铝合金外，整个机体几乎全部采用了复合材料。3.5.5应用先进复合材料可以极大提升民用飞机市场竞争力。 民用飞机方面，复合材料的使用对于增大客舱湿度进而改善乘客的舒适度、降低油耗、易于实现结构/舱内材料的一体化、减少零部件数量、简化系统安装及缩短总装时间等方面潜力巨大。波音、空客两家大型民用客机制造商均将其

44、视为实现新飞机机体减重及降低直接运营成本的有效途径。如在新一代波音787飞机上，复合材料用量将达到50%，创大型客机复合材料的应用记录。欧洲空中客车公司在新近研制的A380型宽体客机的机翼和机身结构上均采用了先进复合材料，用量已占结构重量的25%，其中碳纤维增强复合材料占22%，另采用了3%玻璃纤维增强的铝合金层板复合材料Glare。在机翼前缘等处还采用了聚苯硫醚热塑性复合材料。该公司目前正在研制的新一代客机A350，复合材料的应用比例也将达到39%。3.5.6应用先进复合材料在减重的同时很好地改善了直升机抗坠毁性。 直升机采用复合材料不仅可减重，而且对于改善直升机抗坠毁性能意义重大，因而复合

45、材料在直升机结构中应用更广、用量更大，不仅机身结构，而且由桨叶和桨毂组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升机均大量采用了复合材料，如顷转旋翼飞机V-22用复合材料近3000公斤，占结构总重的45左右，法德合作研制的“虎”式武装直升机，复合材料用量更高达77。为了适应航空航天领域日益苛刻的要求，通用环氧树脂已不能满足要求，世界各国都在致力于开发各种高性能环氧树脂，以便于开发同高性能增强材料（如芳纶、碳纤维等）相匹配的树脂体系。性 能1#2#复合材料重量/Kg5.890.263容积/L43.40.574内 衬6061-T6(无缝)6061

46、-T6(无缝)碳纤维T1000(R=6350MPa)T-40(R=5656MPa)树 脂环氧/酸酐环氧/胺工作压强/Mpa28.969爆破压强/Mpa52.3128.0PV/W值/km38.528.2 表2 碳纤维缠绕压力容器比较复合材料应用部位材料及其应用卫星的太阳电池阵结构国际通信卫星号、号、V号和号采用碳纤维/环氧复合材料制作的蜂窝结构面板。法国的电信1号和直播卫星!德国直播卫星、阿拉伯通信卫星以及瑞典通信卫星等的太阳电池阵由3块电池基板和连接架组成1个翼，内含按45铺叠、间距为3mm的石墨纤维/环氧复合材料的网格板。飞行器的天线结构美国的海盗号飞行器天线采用以碳纤维/环氧为面板的铝蜂窝

47、夹层结构ANIK-B、Intelsat-V、ERS-1等卫星上使用了碳纤维/环氧复合材料导波和滤波器件卫星本体结构日本ETS-1卫星的壳体采用了碳纤维复合材料国际空间站的桁架结构美国为国际空间站所研制的桁架结构，其管状杆件为镀铝膜的石墨纤维/环氧复合材料：选用了三组复合材料，分别为P75/934Ep、T300Gv/934Ep和P75/Bp907 表3 国外复合材料在空间飞行器上的应用情况3.5.7先进复合材料在航空发动机上也得到成功应用 航空发动机使用碳纤维增强树脂基复合材料取代金属材料可以有效减轻发动机重量，降低燃料消耗，增加航程。有资料报导，发动机减轻1磅重量，从而使飞机可减轻1020磅重

48、量。从70年代初，复合材料就成为TF39、F103特别是GE36UDF发动机研制计划的一部分，在这些发动机上积累了经验之后，在GE90的风扇叶片上成功使用了高性能韧化环氧复合材料。此外，在F119风扇机匣、遄达发动机的风扇机匣包容环及反推力装置上也广泛采用了树脂基复合材料。近期开发的波音787的动力装置GEnx的风扇机匣及风扇叶片，将由碳纤维/环氧树脂基复合材料制成。除减重外，复合材料还表现出良好的韧性及耐蚀性。至于陶瓷基复合材料等超高温复合材料，目前已在M88、F119等发动机尾喷管等静止件上获得应用。性能处理条件典型值弯曲强度/MPaA575拉伸强度/MPaA468冲击强度/(kJ/m2)

49、A169击穿强度/(kV/mm)D-48/50+D-0.5/2040介电常数C-96/40/934.17介质损耗因数C-96/40/930.0077吸水性/mgE-24/50+D-24/2313.6密 度/(g/cm3)A1.98Tg/(DSC)A257 表4 复合材料性能随着飞行器向高空、高速、无人化、智能化、低成本化方向发展，复合材料的地位会越来越重要。国外预计，在下一代飞机上，复合材料将扮演主角，目前采用全复合材料飞行器的计划正处于酝酿之中。3.5.8 先进战斗机用复合材料树脂基体在Namcor公司研制的双马来酰亚胺树脂系列中，以5250颇受重视。Rigidite 5250-2被美国YF

50、-22战斗机(即F22原型机)所选用。525Q-4正式被F-22战斗机型号接纳。占F-22飞机结构23.5%的先进复合材料结构，包括几乎所有的外部蒙皮和某些框、梁和骨架，其基体材料是5250-4双马来酞亚胺树脂，并以5050-4/A S-4体系为主，对要求高抗损伤的少数部位则采用5250-4/IM-7体系。Rigidite 5250-4是一种耐湿、抗冲击、耐高温的一种优质基体树脂，其刚性和湿热性能均优于5245C。与其他树脂体系一样，许多复合材料的力学性能、冲击韧性与成型固化条件有关。按F-22飞机结构复合材料件实际成型所采用的规范所测数据均为吸湿后状态，吸湿条件是在71水中浸泡2周，并于82

51、下测定。碳纤维复合材料系5250-4/IM-7层压板为由24层准备向同性取向铺迭而成，采用6.7kJ/m能量落锤冲击，随后压缩直至破坏，试样与试验按波音标准进行,固化条件为F-22复合材料结构件实际采用的固化规范，相对应的冲击压缩强度(CAl)值为165MPa。拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa断裂应变/%弯曲强度/MPa 弯曲应变/%热变形温度/玻璃化转变温度/GIc/(J/m2)68.93.931.71523.8526032196.3 表5 5250-4纯树脂性能5250-4纯树脂性能见表5。表5中树脂的固化条件是177/6 h和随后的227/12 h的后固化，从表中可见经上述规范处理的树脂

52、其弹性模量高，刚性较好，热变型温度高、耐温性好。5250-4复合材料的高温性能非常突出。3.5.9 飞机结构受力构件用的高性能环氧树脂复合材料3.5.9.1 T-300/4211体系它是北京航空材料研究所和北京航空工艺研究所1984年研制成功的。4211环氧基体由648酚醛环氧树脂和BF3MEA组成。交联密度大，弹性模量较高，耐热性好，其突出优点是有良好的工艺性，预浸料可在室温下存放。缺点是脆性大，对湿热敏感。T-300/4211复合材料可在120以下使用。已用于几种型号飞机的垂直安定面，飞机进气道外侧壁板等。3.5.9.2 T-300/5208体系它是美国Narmco公司1972年研制成功的

53、。5208基体由4，4-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺环氧树脂(TGDDM)和4，4-二氨基二苯砜(DDS)组成。该体系的性能好，能在177(下使用，因而美国绝大多数飞机复合材料结构件都采用碳纤维和5208或5208同系树脂体系制成。5208被称为第一代树脂基体。类似的体系还有美国Fiberite公司的934，美国Hercules公司的3501，(此二体系中加有BF3MEA)，我国北京航空材料研究所的5222，Hexcel公司的F263，日本东丽公司的3601，三菱公司的A401，东邦公司的1101等。所用的TGDDM树脂有：Ciba公司的MY-720，Reichhold公司的37-106，日本的

54、Epiclon 430，Glyamine 120，YH-343，ELM-434及我国上海合成树脂研究所的AG-80等。这些牌号的TGDDM树脂的平均相对分子质量和极性不完全相同，因此在性能上也有些差异。T300/5208复合材料耐热性及力学性能好，尤其是层剪性能优异。可在-55177使用。预浸料的铺覆性好，使用期长。其缺点是吸水性大，在湿热条件下Tg、模量及压缩强度下降严重；韧性差，复合材料90。方向的延伸率小，层间剥离强度低，耐冲击性能差，尤其是冲击后压缩强度CAI(Compression after impact)低，对缺口敏感性大，不能满足飞机主受力结构件的要求。T-300/934复合材

55、料是波音公司广泛用于民机上的环氧结构复合材料。为了提高基体的韧性达到主受力结构复合材料的要求，主要从以下几方面进行改进。通过增加交联点间的距离来增加固化物的延伸性，开发出了一些新型高韧性环氧树脂和固化剂。但韧性的增加往往伴随着耐热性的降低。另一种方法是用橡胶增韧环氧树脂。能显著提高基体的韧性和CAI。但其耐热性、耐湿热性往往会下降。第三种方法是用热塑性耐热树脂来增韧环氧树脂。不仅能提高基体的韧性、复合材料层间性能和CAI，同时其耐热性不降低，甚至还有所增加。为了提高环氧树脂与热塑性树脂的界面性能，可选用末端为氨基的聚醚砜和聚醚酮以及末端为环氧基的聚醚砜等。被称为第二代树脂体系。如BASF/Na

56、rmco公司的Rigidite X5255-3的CAI高达345MPa；Toray-Hexcel公司的3900-2/T800H的CAI为368MPa；ICI-Fiberite公司的977-1/IMT的CAI为348MPa；我国北京航空材料研究院研制的热塑性树脂增韧环氧树脂复合材料T-300/5228和T800/5228的CAl分别为190MPa和250MPa，在湿热条件下的使用温度为130。 改进基体耐湿热性的途径是尽量减少基体中的极性基团(如羟基等)以及引入脂环和杂环结构。3.5.9.3 T-300/LWR-1体系它是北京航空工艺研究所和黑龙江石化所1989年研制成功的。LWR-1基体由E-

57、54，DDS及促进剂组成，它可中温(120130)固化。具有良好的耐湿热性能。可在80C以下使用。已用于前机身。3.5.9.4 T-300/914C体系它是目前欧洲空中客车飞机和海豚直升机等广泛使用的高性能环氧复合材料。914C是一种改性环氧树脂。T-300/914C预浸料由Ciba公司生产。T-300/914C复合材料的性能与T-300/5208复合材料相当。可在-50180使用。目前我国环氧树脂在微胶囊技术，带压粘接堵漏技术和单组分包装技术上已得到广泛的应用。一种钛材经磷酸盐氟化物处理后，涂布底胶待部分固化后，用FM一73(改性环氧胶)粘接，其剪切强度(40)也可达到35.8MPa。这种环

58、氧胶目前国外已广泛用于飞机、宇航飞船机体及表皮。美国第四代战斗机主体材料就是采用二氨基二苯砜(DDS)固化的二胺基二苯甲烷四官能环氧树脂(TGDDN)复合材料。另外，二异丙四缩水甘油胺环氧树脂(HPTl071)与芴型二缩水甘油醚环氧树脂也因具有较高热性能，而被视为21世纪飞机结构材料之一。美国FA-14型战斗机的主体机翼结构系采用碳纤维-环氧树脂复合材料。我国上海MD-90双喷气客机推力装置短舱壁板等部件也是采用英国WestlantGvond公司生产的碳纤维环氧树脂复合材料。实践证明，采用热塑性树脂来改性环氧树脂可改进其韧性，提高复合材料的综合性能。一种采用纳米蒙脱土作为填料，通过插层复合的方

59、法可制备出一种纳米蒙脱土环氧树脂胶粘剂，其涂层综合性能要比纯环氧树脂胶粘剂性能好的多。这些领域已得到国内高度重视，并进入了开发或应用阶段。3.5.10 民用大飞机复合材料复合材料在航空制造业的应用趋于广泛,世界上大型飞机如波音787,空客380等机型的结构件复合材料的用量占到了40-50%,先进直升机结构件复合材料用量甚至占到了80%以上，可以说复合材料就是构成空中飞行器的“血肉”。日本Yokohama橡胶公司58开发了一种用于空中客车A380的复合材料部件的环境友好的无粘接剂预浸料。该预浸料用于飞机机翼整流罩,由碳纤维增韧环氧树脂制成。A380的机翼构造为蜂窝状内层夹在纤维增韧塑料板材中间。该预浸料省去了需要使用环境友好,无味的溶剂融解预渍料以便模塑的工艺,应用时只须加热即可融解模塑,同样,只须加热即可固定蜂窝内层,无需粘接剂,这减少了整流罩安装的一个步骤,提高了生产效率。该公司也成为首家获得为空中客车供应这类材料许可的日本公司。Nordam Group lnc获得了波音公司的许可,为其供应787大型客机复合材料窗框。该窗框将采HexcelCorp的HexMC-一种专门设计用于压缩模塑的高填充环氧片状模塑料,该材料具有高强度,低密度,结实,富于刚性的特点。该窗框与原先的铝质窗框相比,重量减轻了50%,具有高耐破坏性,这是首次将复合材料窗框用于商业大型客机,也是