第六章 复合材料在飞行器制造中的应用

1、11.5复合材料构件在飞行器上的应用复合材料构件在飞行器上的应用 2 34B2隐形轰炸机隐形轰炸机5678F-18战斗机战斗机9101112131415161718 记者在哈航集团的生产车间里看到，工人们正在模记者在哈航集团的生产车间里看到，工人们正在模具上进行具上进行“铺层铺层”工作。几名工人首先将一种薄得像布工作。几名工人首先将一种薄得像布一样的特殊材料铺在模具上，然后在上面刷上一层特种一样的特殊材料铺在模具上，然后在上面刷上一层特种胶水，随后再铺上一层胶水，随后再铺上一层“布布”。在铺了若干层。在铺了若干层“布布”后，后，经过固化、成型，制成特殊复合材料。最后将根据尺寸经过固化、成型，制

2、成特殊复合材料。最后将根据尺寸要求，加工出具有流线形的壳体要求，加工出具有流线形的壳体整流罩。哈航集团整流罩。哈航集团为波音公司生产的整流罩将用于为波音公司生产的整流罩将用于“波音波音787”机体和机翼机体和机翼的结合部，可将裸露在机体外面的某一部件或装置封闭的结合部，可将裸露在机体外面的某一部件或装置封闭起来，起到保护与减少空气阻力的双重作用。起来，起到保护与减少空气阻力的双重作用。 19202122232425262728297.82.84.521.451.61.42.12.650246810钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合

3、材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料密度密度1.6复合材料的性质复合材料的性质:性性能能比比较较3000.20.40.60.811.21.41.61钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料拉伸强度拉伸强度3101231钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料弹性模量弹性模量3200.511.5212钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧

4、复合材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料比强度比强度比模量比模量33 比强度和比模量高比强度和比模量高 材料的强度除以密度称为比强度；材料材料的强度除以密度称为比强度；材料的刚度除以密度称为比刚度的刚度除以密度称为比刚度 。这两个参量。这两个参量是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和比刚度较高说明材料重量轻，而强度和刚度比刚度较高说明材料重量轻，而强度和刚度大。这是结构设计，特别是航空、航天结构大。这是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的重要要求。现代飞机、导弹和设计对材料的重要要求。现代飞机、导弹和卫星等机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复卫星等

5、机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复合材料的比例。合材料的比例。34 耐疲劳性能好耐疲劳性能好 一般金属的疲劳强度为抗拉强度的一般金属的疲劳强度为抗拉强度的404050%50%，而某些复合材料可高达，而某些复合材料可高达707080%80%。复。复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突发性的展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化。因此，变化。因此，复合材料在破坏前有预兆，复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救可以检查和补救。纤维复合材料还具有较。纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能。好的抗声振疲劳性能。用复合材料制成的用复合材料制

6、成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长数倍数倍。35 减振性能良好减振性能良好 纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大，因此具有较好的减振性能。用同形较大，因此具有较好的减振性能。用同形状和同大小的两种粱分别作振动试验，碳状和同大小的两种粱分别作振动试验，碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属粱要短得多。粱要短得多。36 过载安全性好过载安全性好 在纤维增强复合材料的基体中有成千在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超

7、载，并有少量纤维断裂时，载荷会构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。能力。37 耐热性能好耐热性能好 在高温下，用碳或硼纤维增强的金在高温下，用碳或硼纤维增强的金属其强度和刚度都比原金属的强度和刚属其强度和刚度都比原金属的强度和刚度高很多。普通铝合金在度高很多。普通铝合金在400400时，弹时，弹性模量大幅度下降，强度也下降；而在性模量大幅度下降，强度也下降；而在同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的铝合金的强度和弹性

8、模量基本不变。铝合金的强度和弹性模量基本不变。复复合材料的热导率一般都小，因而它的瞬合材料的热导率一般都小，因而它的瞬时耐超高温性能比较好时耐超高温性能比较好。38各向异性及性能可设计性各向异性及性能可设计性 各向异性是复合材料的一个突出特点，各向异性是复合材料的一个突出特点，与之相关的是性能的可设计性。复合材料与之相关的是性能的可设计性。复合材料的力学、物理性能除了由的力学、物理性能除了由纤维、树脂的种纤维、树脂的种类及体积含量类及体积含量而定外，还与而定外，还与纤维的排列方纤维的排列方向、铺层顺序和层数向、铺层顺序和层数密切相关。因此，可密切相关。因此，可以根据工程结构的载荷分布及使用条件

9、的以根据工程结构的载荷分布及使用条件的不同，选取相应的材料及铺层设计来满足不同，选取相应的材料及铺层设计来满足既定的要求。复合材料的这一特点可以实既定的要求。复合材料的这一特点可以实现构件的优化设计，做到安全可靠、经济现构件的优化设计，做到安全可靠、经济合理。合理。39工艺性好工艺性好 纤维增强复合材料一般适合于整体成纤维增强复合材料一般适合于整体成型，型，减少了零部件的数目及接头紧固件，减少了零部件的数目及接头紧固件，减少设计计算工作量并有利于提高计算的减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。准确性。另外，制作纤维增强复合材料部另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体粘结在一起

10、，先件的步骤是把纤维和基体粘结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，中基体由流体变为固体，不易在材料中造不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力很小成微小裂纹，而且固化后残余应力很小。401.7 增强材料纤维增强材料纤维 增强材料增强材料:能和聚合物复合，形成复合材料后其比强能和聚合物复合，形成复合材料后其比强度和比模量超过现有金属的物质。反之，称为度和比模量超过现有金属的物质。反之，称为填料填料。纤纤维维增增强强材材料料粒子增粒子增强材料强材料（片状、（片状、颗粒状）颗粒状）41主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量一

11、般主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量一般在在90以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如等，但与一般碳等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的素材料不同的是，其外形有显著的。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。制造制造：由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造：由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经化学纤维，经及及等等工艺制成。工艺制成。应用应用：与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材：与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。料。，在强度、刚度在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要

12、求高温、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具优势。、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具优势。42碳纤维碳纤维 碳纤维是以碳纤维是以聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维、粘胶纤维粘胶纤维或或沥青纤维沥青纤维为为原丝，通过加热除去碳以外的其它一切元素制得的一种原丝，通过加热除去碳以外的其它一切元素制得的一种高强度、高模量的纤维，它具有很高的化学稳定性和耐高强度、高模量的纤维，它具有很高的化学稳定性和耐高温性能，是高性能增强复合材料中的优良结构材料。高温性能，是高性能增强复合材料中的优良结构材料。 以粘胶为原丝时，粘胶纤维可直接炭化和石墨化。以粘胶为原丝时，粘

13、胶纤维可直接炭化和石墨化。纤维先进行干燥，然后在氮或氩等惰性气体保护下缓慢纤维先进行干燥，然后在氮或氩等惰性气体保护下缓慢加热到加热到400 。达。达400 后，快速升温至后，快速升温至9001000 ，使之完全炭化，可得含碳量达使之完全炭化，可得含碳量达90%的碳纤维。的碳纤维。 若以聚丙烯睛若以聚丙烯睛 纤维为原丝，则需先对原丝进行纤维为原丝，则需先对原丝进行180220 、约、约10小时的预氧化处理，然后再经过炭化小时的预氧化处理，然后再经过炭化和石墨化处理，由此制得具有优良性能的碳纤维。和石墨化处理，由此制得具有优良性能的碳纤维。43活性碳纤维的生产工艺流程活性碳纤维的生产工艺流程PA

14、N纤维纤维沥青纤维沥青纤维粘胶纤维粘胶纤维预氧丝预氧丝预氧丝预氧丝预氧丝预氧丝碳化活化碳化活化ACF活性炭纤维活性炭纤维活性碳纤维毡活性碳纤维毡活性碳纤维布活性碳纤维布活性碳纤维纸活性碳纤维纸不熔化不熔化预氧化预氧化催化浸清催化浸清预氧化预氧化44按性能分类：按性能分类：高性能型碳纤维抗拉强度在高性能型碳纤维抗拉强度在2000MPa以上，主要用于航天、以上，主要用于航天、 航空和军工等领域；航空和军工等领域；通用型碳纤维抗拉强度在通用型碳纤维抗拉强度在6001200MPa左右，主要用于左右，主要用于 机械制造、建筑和体育用品，如刹车片、轴承、密封材料等。机械制造、建筑和体育用品，如刹车片、轴承

15、、密封材料等。其它：活性碳纤维、气相生长碳纤维、纳米碳纤维等其它：活性碳纤维、气相生长碳纤维、纳米碳纤维等按原料分类：按原料分类：粘胶基碳纤维（粘胶基碳纤维（ 90 ）沥青基碳纤维（沥青基碳纤维（10%）45碳纤维的制造方法碳纤维的制造方法: 碳纤维制品有布、带、粗纱、短纤维和毡等碳纤维制品有布、带、粗纱、短纤维和毡等气相法气相法有机纤维碳化法（可制造连续长纤维）有机纤维碳化法（可制造连续长纤维）464748495051521、纺丝原液的制备：聚合物在少数强酸性、纺丝原液的制备：聚合物在少数强酸性溶液中（浓硫酸）溶解成适宜纺丝的浓溶液，溶液中（浓硫酸）溶解成适宜纺丝的浓溶液，使其具有典型的使其

16、具有典型的向列型液晶结构向列型液晶结构； 2、成形工艺：纺丝原液通过喷丝孔，在剪、成形工艺：纺丝原液通过喷丝孔，在剪切力和拉伸流动下，向列型液晶微区沿纤维轴切力和拉伸流动下，向列型液晶微区沿纤维轴向取向，吐出喷丝孔后，由于压力松弛，使取向取向，吐出喷丝孔后，由于压力松弛，使取向的大分子链产生部分向的大分子链产生部分解取向解取向倾向。很快液流倾向。很快液流受到拉伸应力作用，又抑制解取向，在空气中受到拉伸应力作用，又抑制解取向，在空气中进一步细化伸长并获得进一步细化伸长并获得高度取向高度取向，到低温的凝，到低温的凝固浴中，冷却凝固成冻结液晶相纤维，因此初固浴中，冷却凝固成冻结液晶相纤维，因此初生丝

17、无需拉伸就能得到高强度高模量的纤维。生丝无需拉伸就能得到高强度高模量的纤维。5354 最早用于聚合物基最早用于聚合物基复合材料的一种增复合材料的一种增强材料。美国于强材料。美国于18931893年即研究成功年即研究成功玻璃纤维，玻璃纤维，19381938年年工业化并作为商品工业化并作为商品出售，出售，4040年代初即年代初即应用于航空工业。应用于航空工业。玻璃纤维熔制过程示意图玻璃纤维熔制过程示意图5556 玻璃纤维具有很高的拉伸强度，不仅超过玻璃纤维具有很高的拉伸强度，不仅超过了各种天然纤维和合成纤维，同时也超过一般了各种天然纤维和合成纤维，同时也超过一般钢材的强度。玻璃纤维的强度与直径和长

18、度的钢材的强度。玻璃纤维的强度与直径和长度的大小有关，一般来说大小有关，一般来说直径越细，拉伸强度越高；直径越细，拉伸强度越高；拉伸试件越长，强度越小拉伸试件越长，强度越小。玻璃纤维的弹性模。玻璃纤维的弹性模量不高，与纯铝的模量接近，只有普通钢的量不高，与纯铝的模量接近，只有普通钢的1/31/3。弹性模量低是其主要缺点弹性模量低是其主要缺点。玻璃纤维受力时，。玻璃纤维受力时，其拉伸应力其拉伸应力- -应变特性基本上是一条直线，没有应变特性基本上是一条直线，没有塑性变形阶段，属于具有脆性特征的弹性材料。塑性变形阶段，属于具有脆性特征的弹性材料。它的它的扭转强度、剪切强度均较其它纤维低扭转强度、剪

19、切强度均较其它纤维低。 5758坩坩埚埚炉炉59 池窑拉丝是国际上普遍采池窑拉丝是国际上普遍采用的玻璃纤维生产新工艺，该用的玻璃纤维生产新工艺，该技术特点是，采用重油或燃气技术特点是，采用重油或燃气加热单元窑，粉料直接熔化成加热单元窑，粉料直接熔化成玻璃，经燃气加热的成型通路，玻璃，经燃气加热的成型通路，由多台（数十到上百台）漏板由多台（数十到上百台）漏板同时拉制各种规格的玻璃纤维同时拉制各种规格的玻璃纤维原丝。具有生产规模大、效率原丝。具有生产规模大、效率高、能耗低、产品质量好等优高、能耗低、产品质量好等优点，能适应点，能适应800至至4000孔大漏孔大漏板拉丝成型的要求，是生产高板拉丝成型

20、的要求，是生产高质量、低成本玻璃纤维材料的质量、低成本玻璃纤维材料的最佳方法。最佳方法。 6061626364656667 1.7.4复合纤维的生产方法复合纤维的生产方法 复合纤维的生产方法主要有复合纤维的生产方法主要有复合纺丝法复合纺丝法和和共共混纺丝法混纺丝法。 复合纺丝法是将两种性质不同的高聚物，用两复合纺丝法是将两种性质不同的高聚物，用两根螺杆分别熔融、计量后，共同进入特殊设计的纺根螺杆分别熔融、计量后，共同进入特殊设计的纺丝组件，经喷丝孔喷出冷却成形。复合纺丝采用专丝组件，经喷丝孔喷出冷却成形。复合纺丝采用专用的复合纺丝机生产。用的复合纺丝机生产。 共混纺丝是将两种或两种以上的具有相

21、容性的共混纺丝是将两种或两种以上的具有相容性的聚合物混合在一起进行纺丝的方法。这种方法可以聚合物混合在一起进行纺丝的方法。这种方法可以用普通纺丝设备。用普通纺丝设备。69 70 聚合物基复合材料的基体材料是树聚合物基复合材料的基体材料是树脂。用作基材的树脂首先要具有脂。用作基材的树脂首先要具有较高的较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老力学性能、介电性能、耐热性能和耐老化性能，并且要施工简便，有良好的工化性能，并且要施工简便，有良好的工艺性能艺性能。树脂大致可分为。树脂大致可分为热固性树脂热固性树脂和和热塑性树脂热塑性树脂两类。前者有环氧树脂、两类。前者有环氧树脂、酚醛树脂等；后者有聚酰胺、

22、聚砜、聚酚醛树脂等；后者有聚酰胺、聚砜、聚酰亚胺、聚脂等。这两类基体材料在使酰亚胺、聚脂等。这两类基体材料在使用方法上有很大的不同。用方法上有很大的不同。7172复合材料的组成复合材料的组成基体基体Matrix增强体增强体Reinforcement界面界面Interface73a是玻纤增强是玻纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片，的冲击试样的断口扫描电镜照片，（a）是加入）是加入MPP相容剂的玻纤增强相容剂的玻纤增强体系，体系，( a）中玻璃）中玻璃纤维与基体的结合纤维与基体的结合较好，纤维拔出较较好，纤维拔出较少少.74（b）是未加相容剂的玻纤增强体系。）是未加相容剂的玻纤增强体系。从中可

23、以看出，而从中可以看出，而（b）中有大量的玻）中有大量的玻纤从基体中拔出，证纤从基体中拔出，证明与基体的粘接性较明与基体的粘接性较差，因而体系的力学差，因而体系的力学性能不高。性能不高。75复合效应复合效应 复合效应实质上是原相材料及其所形成的界面复合效应实质上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互补充的结果。相互作用、相互依存、相互补充的结果。 复合材料具有特殊的复合效应，使得复合材料复合材料具有特殊的复合效应，使得复合材料不但基本保持了原有组分的性能，还增添了原有组不但基本保持了原有组分的性能，还增添了原有组分没有的性能。分没有的性能。 它表现为树脂基复合材料的性能是其组分材料

24、它表现为树脂基复合材料的性能是其组分材料基础上的线性和非线性的综合。复合效应有正有负，基础上的线性和非线性的综合。复合效应有正有负，性能的提高总是人们所期望的，但有些材料在复合性能的提高总是人们所期望的，但有些材料在复合之后某些方面的性能出现抵消甚至降低的现象是不之后某些方面的性能出现抵消甚至降低的现象是不可避免的。可避免的。 76 线性效应线性效应非线性效应非线性效应界面效应界面效应尺寸效应尺寸效应各向异性效应各向异性效应 复合效应复合效应线性效应可细分为平均效应、平行效应、相补效应、相抵线性效应可细分为平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应。效应。 非线性效应可细分为乘积效应、系统效应、诱

25、导效应、共非线性效应可细分为乘积效应、系统效应、诱导效应、共振效应。振效应。771 1、线性效应、线性效应（1 1）平均效应（混合效应）平均效应（混合效应） 复合材料的某项性能等于各组分的该项性能乘以该复合材料的某项性能等于各组分的该项性能乘以该组分体积分数之和。可用混合物定律描述：组分体积分数之和。可用混合物定律描述： Kc = KiiKc = Kii （并联模型）（并联模型） 1/Kc = i/Ki 1/Kc = i/Ki （串联模型）（串联模型）（2 2）平行效应）平行效应 复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基本相当。本相当。 KcKc

26、 Ki Ki 78（3 3）相补效应）相补效应 复合材料各组分复合后相互补充，弥补复合材料各组分复合后相互补充，弥补各自的弱点，产生优异的综合性能。各自的弱点，产生优异的综合性能。 C = AC = AB B（4 4）相抵效应）相抵效应 复合材料各组分之间出现性能相互制约，复合材料各组分之间出现性能相互制约，使其性能低于混合物定律预测值。使其性能低于混合物定律预测值。 Kc KiiKc Kii79以下举例对其中的重要效应简单作一说明。以下举例对其中的重要效应简单作一说明。 平均效应又可称为加和效应平均效应又可称为加和效应(Mean Properties)，反映在，反映在复合材料的混合定则复合材

27、料的混合定则(Rule of Mixture)中。中。该定则通常用来计算增强材料和基体复合后对某一性质该定则通常用来计算增强材料和基体复合后对某一性质产生的效果，即产生的效果，即式中式中 p某一性质，例如强度、模量、泊松比、热导等某一性质，例如强度、模量、泊松比、热导等Pc复合材料的某一性质；复合材料的某一性质；Pi原始原始i材料的某一性质；材料的某一性质；体积分数；体积分数；i N种原始材料中第种原始材料中第i种材料体积分数种材料体积分数n由实验确定，其范围为由实验确定，其范围为-1 n 1Niinicpp180Niinicpp1例题：p(PA66) =81.3MPa, p(GF)=3232

28、MPa, p(CF)=35001= 0.7 , 2=0.3 n=1Pc1=81.30.7+32320.3=1026.51 (MPa)Pc2=81.30.7+35000.3=1106.91 (MPa)81相补效应和相抵效应相补效应和相抵效应AB82非线性效应中，乘积效应非线性效应中，乘积效应(Product ProPcnMs又叫传递特性，交叉耦合效应。又叫传递特性，交叉耦合效应。 例如对材料例如对材料X X输入时输出为输入时输出为Y Y，即一种转换功，即一种转换功能材料能材料Y/X(Y/X(如磁场压力的换能材料如磁场压力的换能材料) )；而；而Y Y又作为又作为另一种材料的第二次输入，产生输出另

29、一种材料的第二次输入，产生输出Z Z，即为另一，即为另一种换能材料种换能材料Z ZY(Y(如电阻磁场转换材料如电阻磁场转换材料) )。两种材。两种材料复合得出一新的机能材料，即料复合得出一新的机能材料，即Y YX XZ ZY YZ ZX(X(即电阻压力转换构料即电阻压力转换构料) )。 乘积效应对开发新型功能材料指出了方向，因乘积效应对开发新型功能材料指出了方向，因为这种效应不仅仅比单一材料获得很强的性能，甚为这种效应不仅仅比单一材料获得很强的性能，甚至还可利用它创造出任何单一材料都不存在的新的至还可利用它创造出任何单一材料都不存在的新的功能效应。功能效应。832、非线性效应、非线性效应相乘效

30、应相乘效应（X/Y）（Y/Z）=X/ZA组元性质组元性质X/YB组元性质组元性质Y/Z相乘性质相乘性质X/Z压磁效应压磁效应压磁效应压磁效应磁致伸缩磁致伸缩热致变形热致变形磁阻效应磁阻效应电磁效应电磁效应压阻效应压阻效应压敏效应压敏效应压阻效应压阻效应压电效应压电效应磁阻效应磁阻效应热敏效应热敏效应84 当你在点燃煤气灶或热水器时，当你在点燃煤气灶或热水器时，就有一种压电陶瓷已悄悄地就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动下点火装置的弹簧时，传

31、动装置就把压力施加在压电陶装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引向燃气的出口进而将电能引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火放电，于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。反之功能就叫做压电效应。反之施加电压，则产生机械应力，施加电压，则产生机械应力，称为逆压电效应。称为逆压电效应。 85原理上利用锆钛酸铅PZT压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应，既在压电陶瓷加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于它的陶瓷时，则会有电信号输出，通过

32、数据处理时间差测距，计算显示车与障碍物的距离及危险相撞时报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物，实用性相当强。 超声波传感器用作汽车倒车防撞报警器装置，也被称为超声波倒车雷达或倒车声纳系统，尤其适用于加长型装载汽车、载重大货车、矿山汽车等大型车辆。 86 具有具有质量轻、强度和刚度高、阻尼大质量轻、强度和刚度高、阻尼大的特的特点，主要用于先进载人航天器、空间站和固体点，主要用于先进载人航天器、空间站和固体发动机的结构件，是航天领域中用量较多的结发动机的结构件，是航天领域中用量较多的结构复合材料。与常规金属材料相比，构复合材料。与常规金属材料相比，可减轻构可减轻构件质量件质量

33、20%20%60%60%。主要材料有石墨主要材料有石墨/ /环氧、硼环氧、硼/ /环氧、石墨环氧、石墨/ /聚酰亚胺和聚醚酮等。国内外在防聚酰亚胺和聚醚酮等。国内外在防空导弹天线罩的制造中也应用或正在开展应用空导弹天线罩的制造中也应用或正在开展应用工作。工作。 以金属或合金为基体、并以纤维、晶须、以金属或合金为基体、并以纤维、晶须、颗料等为增强体。按所用的基体金属和增强体颗料等为增强体。按所用的基体金属和增强体的不同，使用温度范围约在的不同，使用温度范围约在30030012001200。高高比强度、比刚度、良好韧性和塑性、低膨胀系比强度、比刚度、良好韧性和塑性、低膨胀系数、良好的导电和导热性、

34、抗辐射、抗激光及数、良好的导电和导热性、抗辐射、抗激光及制造性能好，在太空环境不放气，能在较高温制造性能好，在太空环境不放气，能在较高温度（度（200200800800）工作）工作。用于先进载人器的起。用于先进载人器的起落架等落架等以及以及等。主要材料有碳化硅等。主要材料有碳化硅/ /铝、氧化铝铝、氧化铝/ /铝、铝、碳化硅碳化硅/ /钛、碳化硅钛、碳化硅/ /钛铝化合物和石墨钛铝化合物和石墨/ /铜等铜等。8889 以碳或石墨纤维为增强体。具有良好的以碳或石墨纤维为增强体。具有良好的，是，是现有复合材料中工作现有复合材料中工作温度最高的材料温度最高的材料。主要用于载人再入航天器的热。主要用于

35、载人再入航天器的热结构、面板结构和发动机喷管烧蚀防热结构等。结构、面板结构和发动机喷管烧蚀防热结构等。材料有材料有增强碳增强碳/ /碳（碳（RCCRCC）和进行碳）和进行碳/ /碳（碳（ACCACC）。超轻、超刚性结构用的石墨泡沫材料（超轻、超刚性结构用的石墨泡沫材料（SGFSGF）目）目前正在研究中，它有可能用于包括机翼、无人机前正在研究中，它有可能用于包括机翼、无人机及卫星在内的结构件。及卫星在内的结构件。90 一半以上的碳一半以上的碳/ /碳复合材料用于飞机刹车装碳复合材料用于飞机刹车装置，具有重量轻、耐高温、比热容大、寿命长、置，具有重量轻、耐高温、比热容大、寿命长、刹车力矩平稳、噪音

36、小等优点。刹车力矩平稳、噪音小等优点。 前苏联的前苏联的“暴风雪暴风雪”号航天飞机所用的复合号航天飞机所用的复合材料达材料达5t5t之多，在机翼前缘和头锥罩应用了碳之多，在机翼前缘和头锥罩应用了碳/ /碳复合材料充当最重要的隔热部分，工作温度碳复合材料充当最重要的隔热部分，工作温度16001600。 美国美国“哥伦比亚哥伦比亚”号航天飞机在头锥和机翼号航天飞机在头锥和机翼前缘也使用了碳前缘也使用了碳/ /碳复合材料，工作温度大于碳复合材料，工作温度大于12001200。美国国防部将研制碳。美国国防部将研制碳/ /碳部件和轻质航碳部件和轻质航天器作为天器作为2001200120052005年航天

37、材料技术发展的重要年航天材料技术发展的重要目标。目标。 -以碳纤维或碳化硅纤维增强的铝基以碳纤维或碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在复合材料，在500500时仍能保持足够的时仍能保持足够的强度和模量，比未增强的铝好得多；强度和模量，比未增强的铝好得多；碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。扇叶片。 -非金属基复合材料由于密度小，用于汽车可减轻重非金属基复合材料由于密度小，用于汽车可减轻重量、提高车速、节约能源。如用碳纤维增强塑料制成的量、提高车速、节约能源。如用碳纤维增强塑料制成的车身和发动机罩，其

38、重量可比金属制的轻一半以上；用车身和发动机罩，其重量可比金属制的轻一半以上；用碳纤维与玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度碳纤维与玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大五倍多的钢片弹簧相等。和承载能力与重量大五倍多的钢片弹簧相等。-碳化硅纤维与氮化硅陶瓷复合，使用温度可达碳化硅纤维与氮化硅陶瓷复合，使用温度可达15001500，比超合金涡轮叶片的使用温度高很多。，比超合金涡轮叶片的使用温度高很多。-复合材料范围广，品种多，性能优异，有很大的发展复合材料范围广，品种多，性能优异，有很大的发展前途。玻璃纤维增强前途。玻璃纤维增强热固性塑料热固性塑料中的片状模塑料发展很快，中

39、的片状模塑料发展很快，已出现了许多分支，其制品已由非受力件扩大到受力件如已出现了许多分支，其制品已由非受力件扩大到受力件如传动支架等。玻璃纤维增强传动支架等。玻璃纤维增强热塑性塑料热塑性塑料的用途越来越广，的用途越来越广，其发展速度在有的国家已超过热固性的增长率。其发展速度在有的国家已超过热固性的增长率。-高级复合材料的发展方向是降低成本，扩大应用范围。高级复合材料的发展方向是降低成本，扩大应用范围。用两种或两种以上的不同纤维作为增强材料，不但可降低用两种或两种以上的不同纤维作为增强材料，不但可降低成本，且其混合效应超过一般的混合规律。航空中的结构成本，且其混合效应超过一般的混合规律。航空中的

40、结构件、工业用机器人、海洋开发用的结构材料、汽车片弹簧件、工业用机器人、海洋开发用的结构材料、汽车片弹簧和驱动轴等，将越来越多采用和驱动轴等，将越来越多采用混合纤维增强复合材料混合纤维增强复合材料。-由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量的进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量的减少可大大减轻运载火箭的重量。同样，飞机减少可大大减轻运载火箭的重量。同样，飞机重量的减轻也可以节省油耗，提高航速。有一重量的减轻也可以节省油耗，提高航速。有一种垂

41、直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的已占全机重量的1/41/4，占机翼重量的，占机翼重量的1/31/3。据报。据报道，美国航天飞机上道，美国航天飞机上3 3只火箭推进器的关键部只火箭推进器的关键部件的喷嘴以及先进的件的喷嘴以及先进的MXMX导弹发射管等，都是用导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。先进的碳纤维复合材料制成的。（1 1） 主要是主要是桥梁和抗震补强材料桥梁和抗震补强材料，在日本和台湾省大地震后，需求量大增。在日本和台湾省大地震后，需求量大增。 另外，伴随着信息社会的发达，出现了机密另外，伴随着信息社会的发达，出现了机

42、密泄露和通过内外部的各种情报、通信设备而相互泄露和通过内外部的各种情报、通信设备而相互干扰等社会问题，其对策便是利用干扰等社会问题，其对策便是利用碳纤维网格混碳纤维网格混入混凝土中形成电磁波屏蔽墙入混凝土中形成电磁波屏蔽墙加以解决。加以解决。 此外，碳纤维管制的此外，碳纤维管制的桁梁构架屋顶桁梁构架屋顶，比钢制，比钢制品轻品轻1/21/2，使大型结构物达到了实用化的水平，使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。（2 2）天然纤维复合材料天然纤维复合材料在汽车工业在汽车工业中主要用于车门内装饰板、司机用杂物箱、货中主要用于车

43、门内装饰板、司机用杂物箱、货车车厢地板、备胎盖、座位靠背。还可以用于车车厢地板、备胎盖、座位靠背。还可以用于仪表板、座椅扶手、仪表板杂件箱、后搁物架、仪表板、座椅扶手、仪表板杂件箱、后搁物架、车顶内村、遮阳板、座椅架行李仓装饰板、座车顶内村、遮阳板、座椅架行李仓装饰板、座椅头枕衬垫等。椅头枕衬垫等。 相关数据显示，北美地区相关数据显示，北美地区2000200020052005年间年间天然纤维复合材料汽车零部件的平均年增长率天然纤维复合材料汽车零部件的平均年增长率为为5050左右。左右。20052005年，汽车工业对天然纤维的年，汽车工业对天然纤维的年需求量超过年需求量超过4.54.5万吨。万吨

44、。汽车零部件纤维种类聚合物纤维含量，% 车门板/衬垫洋麻/大麻，50/50聚丙烯50木纤维聚丙烯50杂物箱/后搁物架洋麻聚丙烯50亚麻聚丙烯50木纤维酚醛树脂85座位靠板/货车车厢地板亚麻聚丙烯50备胎盖/车身后壁板亚麻聚丙烯50木纤维聚丙烯50其它内装饰板 洋麻聚丙烯50亚麻聚丙烯50（3 3） 由由东邦人造丝东邦人造丝首先产业化和上市，具有首先产业化和上市，具有起吸附作用的微孔，吸脱附速度快，在起吸附作用的微孔，吸脱附速度快，在低浓度下的吸附性能优良，可用于清酒低浓度下的吸附性能优良，可用于清酒的脱色、净化器滤材等。的脱色、净化器滤材等。（4 4） 作为深海作为深海海底油田的输送管，具有轻

45、、强、耐腐海底油田的输送管，具有轻、强、耐腐蚀等特性。此外，平台支架、钻井套管蚀等特性。此外，平台支架、钻井套管等也需等也需CFRPCFRP（碳纤维增强热固性树脂）（碳纤维增强热固性树脂）材料。材料。99 世界碳纤维的主要生产商为日本的世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克（团和美国的卓尔泰克（ZOLTEK）、阿）、阿克苏（克苏（AKZO）、阿尔迪拉（）、阿尔迪拉（ALDIL1）和德国的和德国的SGL公司等。其中日本三大集公司等。其中日本三大集团占世界生产能力的团占世界生产能力的75。世界。世界CT型碳型碳纤维总生产

46、能力为纤维总生产能力为22100吨吨/年；年；LT型碳型碳纤维总生产能力为纤维总生产能力为9550吨吨/年，实际生产年，实际生产量约为量约为7000吨吨/年。年。（5 5） 欧洲的风力发欧洲的风力发电翼片都采用电翼片都采用CFRPCFRP材料，而随着其大型材料，而随着其大型化，考虑到化，考虑到20-40m20-40m长的翼片其强度和质长的翼片其强度和质量，已开始采用量，已开始采用CFRPCFRP。（6 6） CFRPCFRP和和CFRPTCFRPT（碳纤维增强（碳纤维增强热塑性树脂）可用于印刷轴承、凸轮、热塑性树脂）可用于印刷轴承、凸轮、壳体、壳体、VTR(VTR(影象录放器影象录放器) )、

47、CDCD部件、齿轮、部件、齿轮、制动器、泵、照相机部件、眼镜架等，制动器、泵、照相机部件、眼镜架等，目前目前CFRPTCFRPT还用得很少。还用得很少。1011.11 复合材料飞机构件的特点复合材料飞机构件的特点 1.11.1 复合材料飞机构件复合材料飞机构件： 根据复合材料飞机构件的形式、增强剂、所用的原材料根据复合材料飞机构件的形式、增强剂、所用的原材料 可以分为三个方面：可以分为三个方面： 1. 1. 不同类型构件不同类型构件 (1)(1)由梁、肋、长桁、框、壁板组成的或一次固化成形的机体构由梁、肋、长桁、框、壁板组成的或一次固化成形的机体构件件，目前应用最广泛。零件可以分散制造，成形工

48、艺简单，质量，目前应用最广泛。零件可以分散制造，成形工艺简单，质量良好。良好。 (2)(2)用于承受轴向拉、压载荷及扭矩的管状构件用于承受轴向拉、压载荷及扭矩的管状构件，如飞机操纵杆，如飞机操纵杆。 (3)(3)操纵面上普遍使用的夹层结构操纵面上普遍使用的夹层结构，如方向舵面，副翼翼面等。，如方向舵面，副翼翼面等。夹层结构的芯子可以由不同材料组成，如硬质泡沫塑料、蜂窝芯夹层结构的芯子可以由不同材料组成，如硬质泡沫塑料、蜂窝芯子等。子等。夹层结构的特点在于比刚度和比强度高，能承受均布的气夹层结构的特点在于比刚度和比强度高，能承受均布的气动力，所以在飞机上的活动操纵面上使用很合适动力，所以在飞机上

49、的活动操纵面上使用很合适。1022. 2. 不同种类增强剂制造的构件不同种类增强剂制造的构件 复合材料飞机结构件的增强剂主要限于硼、复合材料飞机结构件的增强剂主要限于硼、碳及碳及KevlarKevlar的连续纤维。的连续纤维。硼纤维有优秀的机械性硼纤维有优秀的机械性能，但价格昂贵，纤维直径较粗，零件成形时限能，但价格昂贵，纤维直径较粗，零件成形时限制比碳纤维多，至今使用不广。制比碳纤维多，至今使用不广。在美国的在美国的F-111F-111、F-14F-14及法国的幻影及法国的幻影20002000等飞机上，碳纤维的使用等飞机上，碳纤维的使用量占首位。碳纤维品种规格齐全，可根据设计要量占首位。碳纤维品种规格齐全，可根据设计要求选用，价格也比硼纤维便宜。求选用，价格也比硼纤维便宜。KevlarKevlar纤维具有纤维具有很高的抗拉强度，密度小，韧性好，但抗压模量很高的抗拉强度，密度小，韧性好，但抗压模量低，在主受力构件中应用受到限制。但与其它纤低，在主受力构件中应用受到限制。但与其它纤维混用，可以改善层压板性能。维混用，可以改善层压板性能。103在复合材料构件中使用的主要增强剂有：在复合材料构件中