聚合基复合材料绪论

1、会计学1聚合基复合材料绪论聚合基复合材料绪论2材料材料 密度密度（g/cm) 拉伸强度拉伸强度（GPa）弹性模量弹性模量（102GPa）比强度比强度（106cm）比模量比模量（106cm）钢钢铝合金铝合金钛合金钛合金玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料碳纤维碳纤维/环氧复合材料环氧复合材料碳纤维碳纤维/环氧复合材料环氧复合材料有机纤维有机纤维/环氧复合材料环氧复合材料硼纤维硼纤维/环氧复合材料环氧复合材料硼纤维硼纤维/铝基复合材料铝基复合材料7.82.84.52.01.451.61.42.12.651.030.470.961.061.501.071.401.381.02.10.751.140.41

2、.42.40.82.12.01.31.72.15.310.36.71.06.63.82.72.62.52.09.7155.7107.5 表表1-1 一些常用材料及纤维复合材料的比强度、比模量一些常用材料及纤维复合材料的比强度、比模量3碳纤维树脂基复合材料表现了较高的比碳纤维树脂基复合材料表现了较高的比模量和比强度。模量和比强度。 作用：作用：在强度和刚度相同的情况下，结在强度和刚度相同的情况下，结构质量可以减轻，或尺寸减小。这在节构质量可以减轻，或尺寸减小。这在节省能源，提高构件的使用性能方面，是省能源，提高构件的使用性能方面，是现有其他材料所不能比拟的。现有其他材料所不能比拟的。4碳纤维复合

3、材料与钢、铝材料性能比较碳纤维复合材料与钢、铝材料性能比较5671.5.2 1.5.2 耐疲劳性能好，破损安全性能高耐疲劳性能好，破损安全性能高8共振的危害共振的危害1.5.3阻尼减振性好阻尼减振性好91.5.3阻尼减振性好阻尼减振性好101.5.4 1.5.4 具有多种功能性具有多种功能性111213 当飞行器在稠密大气中作超音速飞行时，受激波与机体间高温压缩当飞行器在稠密大气中作超音速飞行时，受激波与机体间高温压缩气体的加热和机体表面与空气强烈摩擦的影响，飞行器蒙皮的温度会气体的加热和机体表面与空气强烈摩擦的影响，飞行器蒙皮的温度会随随M数的提高而急剧上升。飞行数的提高而急剧上升。飞行 M

4、数为数为 2.0时，机头处的温度略超过时，机头处的温度略超过100。而当。而当 M数等于数等于3.0时，飞行器表面的温度则升至时，飞行器表面的温度则升至350左右，已左右，已超过了铝合金的极限温度，使其强度大大削弱。超过了铝合金的极限温度，使其强度大大削弱。 航空界把飞行器作高速飞行时所遭遇到的这种高温情况称之为航空界把飞行器作高速飞行时所遭遇到的这种高温情况称之为“热障热障”。一般把。一般把M数数 2.5作为作为“热障热障”的界线，低于这一值，气动加热的界线，低于这一值，气动加热不严重，可用常规的方法和材料设计、制造飞机；高于该值，则必须不严重，可用常规的方法和材料设计、制造飞机；高于该值，

5、则必须采取克服气动加热问题的措施，如用耐高温的钢或钛合金制造飞机的采取克服气动加热问题的措施，如用耐高温的钢或钛合金制造飞机的蒙皮和框架等。蒙皮和框架等。 宇宙飞船和返回式卫星在重返大气层时，宇宙飞船和返回式卫星在重返大气层时，M数更高，它们的外表数更高，它们的外表温度可达温度可达 1000多度。多度。 为保证其不致被烧毁，飞船和返回式卫星的头为保证其不致被烧毁，飞船和返回式卫星的头部得用烧蚀材料包上一层，让它在高温时烧掉，以吸收气动加热时产部得用烧蚀材料包上一层，让它在高温时烧掉，以吸收气动加热时产生的热能。生的热能。 14 ，马赫数的命名是为了纪念奥地利学者马，马赫数的命名是为了纪念奥地利

6、学者马赫赫(Ernst Mach, 1838-1916) 马赫就是声速，马赫就是声速，1马赫马赫=340M/s. 1马赫马赫=每小时每小时1126公里公里,大概是一倍音速大概是一倍音速 . 马赫数，气流速度马赫数，气流速度V与当地声（音）速与当地声（音）速a之比，简称之比，简称Ma数。飞机的飞行速度常以马赫数表示，当其飞行速度数。飞机的飞行速度常以马赫数表示，当其飞行速度小于当地音速时，则马赫数小于小于当地音速时，则马赫数小于1，反之，飞行速度大于，反之，飞行速度大于当地音速时，马赫数则大于当地音速时，马赫数则大于1。一般把马赫数小于或等于。一般把马赫数小于或等于0.4的飞行称为低速飞行，马赫

7、数在的飞行称为低速飞行，马赫数在0.75至至1.2（或（或1.4）之）之间称为亚音速飞行，马赫数在间称为亚音速飞行，马赫数在1.2（或（或1.4）至）至5之间称为之间称为超音速飞行，马赫数大于超音速飞行，马赫数大于5时则称为高超音速飞行。时则称为高超音速飞行。 15在晴朗的夜晚，仰望灿烂星空，有时会看到耀眼的陨星，倏忽即逝在晴朗的夜晚，仰望灿烂星空，有时会看到耀眼的陨星，倏忽即逝。它为什么会发光呢？。它为什么会发光呢？ 原来，这是高速飞行的陨星进入大气层与空气原来，这是高速飞行的陨星进入大气层与空气剧烈摩擦，猛烈燃烧而发出的光亮。当宇宙航天器完成任务返回地球剧烈摩擦，猛烈燃烧而发出的光亮。当宇

8、宙航天器完成任务返回地球时，面临着与陨星同样的残酷生存环境。研究表明，时，面临着与陨星同样的残酷生存环境。研究表明， 当宇宙飞行器的当宇宙飞行器的飞行速度达到飞行速度达到3倍声速时，其前端温度可达倍声速时，其前端温度可达330；当飞行速度为；当飞行速度为6倍声倍声 速时，可达速时，可达1480 。宇宙飞行器遨游太空归来，到达离地面宇宙飞行器遨游太空归来，到达离地面60-70千米时，速度仍然保千米时，速度仍然保持在声速的持在声速的20多倍，温多倍，温 度在度在10000以上，这样的高温足以把航天器化以上，这样的高温足以把航天器化作一团烈火。高速导致高温这似乎是一道不可逾越的障碍，人们把这作一团烈

9、火。高速导致高温这似乎是一道不可逾越的障碍，人们把这种障碍称为热障。显然热障并没有阻挡住人类种障碍称为热障。显然热障并没有阻挡住人类挺进宇挺进宇 宙的步伐，宙的步伐， 那么科那么科学家们是如何服热障，使航天器安全回家的呢？学家们是如何服热障，使航天器安全回家的呢？16 陨石穿越太空到达地球的神奇经历给了科学家们以特殊的启迪。分陨石穿越太空到达地球的神奇经历给了科学家们以特殊的启迪。分析陨石的成分和结构发现析陨石的成分和结构发现 ，陨石表面虽然已经熔融，但内部的化学成，陨石表面虽然已经熔融，但内部的化学成分没有发生变化。这说明陨石在下落过程中，分没有发生变化。这说明陨石在下落过程中， 表面因摩擦

10、生热达到几表面因摩擦生热达到几千度高温而熔融，但由于穿过大气层的时间很短，热量来不及传到陨石千度高温而熔融，但由于穿过大气层的时间很短，热量来不及传到陨石内部。给宇宙飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料制成内部。给宇宙飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料制成“盔甲盔甲”，把摩擦产，把摩擦产生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、气化等一系列物理和化学变化中，生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、气化等一系列物理和化学变化中，“丢卒保车丢卒保车”就能达到保护宇宙飞行器的目的。就能达到保护宇宙飞行器的目的。一位宇航员描述了宇宙飞船闯过热障的壮观景象：飞船进入大气层一位宇航员描述了宇宙飞船闯过热障的壮观景象：飞船进入大气层，首先从舷

11、窗中，首先从舷窗中 看到烟雾，然后出现五彩缤纷的火焰，同时发出噼噼看到烟雾，然后出现五彩缤纷的火焰，同时发出噼噼啪啪的声音。这是飞船头部的烧蚀材料在燃烧啪啪的声音。这是飞船头部的烧蚀材料在燃烧 ，它们牺牲了自己，把，它们牺牲了自己，把飞船内的温度始终维持在常温范围，保护飞船平安返回地面。飞船内的温度始终维持在常温范围，保护飞船平安返回地面。作为烧蚀材料，要求气化热大，热容量大，绝热性好，向外界辐射作为烧蚀材料，要求气化热大，热容量大，绝热性好，向外界辐射热量的本领强。热量的本领强。17（2 2）优异的电绝缘性能和高频介电性能；）优异的电绝缘性能和高频介电性能； 18 雷达是利用无线电波来测定物

12、体位置的无线电设备。雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备。电磁波遇到障碍物要发生反射，雷达就是利用电磁波的反电磁波遇到障碍物要发生反射，雷达就是利用电磁波的反射来工作的射来工作的. .波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射性能越强，因此雷达用的是微波波段的无线电波性能越强，因此雷达用的是微波波段的无线电波. . 雷达有一个特制的可以转动的天线，它能向一定的方向雷达有一个特制的可以转动的天线，它能向一定的方向发射不连续的无线电波发射不连续的无线电波. .每次发射的时间约为百万分之一秒每次发射的时间约为百万分之一秒，两次发射的时间间隔大约是发射时间

13、的一百倍，两次发射的时间间隔大约是发射时间的一百倍. .发射出去发射出去的无线电波遇到障碍物时，可以在这个时间间隔内反射回的无线电波遇到障碍物时，可以在这个时间间隔内反射回来为天线接收来为天线接收. . 19202122232425复合材料与金属等材料比较，显示出较大的优越性。复合材料与金属等材料比较，显示出较大的优越性。2627复合材料结构在火箭中的应用复合材料结构在火箭中的应用1.6 复合材料的应用复合材料的应用28复合材料结构在人造卫星中的应用复合材料结构在人造卫星中的应用29 东方红一号卫星是我国于东方红一号卫星是我国于1970年年4月月24日发射的第一颗日发射的第一颗人造地球卫星。按

14、当时时间先人造地球卫星。按当时时间先后后,我国是继苏、美、法、日之我国是继苏、美、法、日之后后,世界上第五个用自制火箭发世界上第五个用自制火箭发射国产卫星的国家射国产卫星的国家 30 人造地球卫星与空间探测器的结构材料人造地球卫星与空间探测器的结构材料大多采用铝合金和镁合金，要求高强大多采用铝合金和镁合金，要求高强度的零部件则采用钛合金和不锈钢。为了提高刚度和减轻重量，已开始采用高模量石度的零部件则采用钛合金和不锈钢。为了提高刚度和减轻重量，已开始采用高模量石墨纤维增强的新型复合材料。墨纤维增强的新型复合材料。 卫星体和仪器设备表面卫星体和仪器设备表面常覆有温控涂层，利用热辐射或热吸收特性来调

15、节温度常覆有温控涂层，利用热辐射或热吸收特性来调节温度。 航天器上的大面积太阳翼航天器上的大面积太阳翼初期为铝合金加筋板或夹层板结构，后来改用石墨纤初期为铝合金加筋板或夹层板结构，后来改用石墨纤维复合材料作面板的铝蜂窝夹芯结构，更先进的轻型太阳翼则以石墨纤维复合材料作维复合材料作面板的铝蜂窝夹芯结构，更先进的轻型太阳翼则以石墨纤维复合材料作框架，蒙上聚酰胺薄膜。框架，蒙上聚酰胺薄膜。面积更大的柔性太阳翼面积更大的柔性太阳翼全部由薄膜材料制成。全部由薄膜材料制成。 大型抛物面天线大型抛物面天线是现代卫星的重要组成部分，原来多采用铝合金或玻璃钢制造，是现代卫星的重要组成部分，原来多采用铝合金或玻璃

16、钢制造，但随着天线指向精度的提高，已改用热膨胀系数极小的轻质材料。石墨和芳纶在一定但随着天线指向精度的提高，已改用热膨胀系数极小的轻质材料。石墨和芳纶在一定的温度范围内具有负膨胀系数，可通过材料的铺层设计制造出膨胀系数接近于零的复的温度范围内具有负膨胀系数，可通过材料的铺层设计制造出膨胀系数接近于零的复合材料，从而成为制造天线的基本材料。超大型天线需制成可展开的伞状，其骨架由合材料，从而成为制造天线的基本材料。超大型天线需制成可展开的伞状，其骨架由铝合金或复合材料制成，反射面为涂有特殊涂层的聚酯纤维网或镍铝合金或复合材料制成，反射面为涂有特殊涂层的聚酯纤维网或镍-铬金属丝网。铬金属丝网。 卫星

17、体内还使用多层材料、工程塑料、玻璃钢等作为卫星体内还使用多层材料、工程塑料、玻璃钢等作为隔热材料隔热材料，用二硫化钼固体，用二硫化钼固体润滑剂等作为运动部件的润滑材料，用硅橡胶等作为舱室的润滑剂等作为运动部件的润滑材料，用硅橡胶等作为舱室的密封材料密封材料。3132 2009年年8月月25日当地时间日当地时间17时，时，韩国首枚运载火箭韩国首枚运载火箭“罗老号罗老号”发射上发射上天，但其所搭载的卫星并未进入预定天，但其所搭载的卫星并未进入预定轨道，尽管韩联社引述韩、俄两国相轨道，尽管韩联社引述韩、俄两国相关专家的话称，因为关专家的话称，因为“火箭发射本身火箭发射本身是成功的是成功的”，所以，所

18、以“此次发射算是成此次发射算是成功了一半功了一半”，但站在客观立场上评论，但站在客观立场上评论，这应该算是一次失败。，这应该算是一次失败。道理是明摆着的，火箭发射的目道理是明摆着的，火箭发射的目的是把卫星送进预定轨道，按照韩国的是把卫星送进预定轨道，按照韩国教育科技部此前的说法，是借此次成教育科技部此前的说法，是借此次成功，令韩国功，令韩国“成为第成为第10个用本土技术个用本土技术、从本国国土上发射卫星入轨、从本国国土上发射卫星入轨”的国的国家，而这个目的显然业已落空。家，而这个目的显然业已落空。罗老号：拿来主义的苦辣酸甜罗老号：拿来主义的苦辣酸甜 发射失败发射失败33哥伦比亚号所用的复合材料

19、哥伦比亚号所用的复合材料1981年年4月月12日，美国第日，美国第一架航天飞机一架航天飞机“哥伦比亚哥伦比亚”号在肯尼迪航天中心首号在肯尼迪航天中心首次升空。次升空。2003年年2月月1日，美国日，美国“哥伦比亚哥伦比亚”号航天号航天飞机在返回地面时在飞机在返回地面时在得克萨斯州中北部地得克萨斯州中北部地区上空解体并坠毁，区上空解体并坠毁，机上名宇航员全部机上名宇航员全部遇难。遇难。 34载人飞船各舱段的结构材料载人飞船各舱段的结构材料大多是铝合金、镁合金和钛合金。大多是铝合金、镁合金和钛合金。再入舱段的侧壁采取辐射防热措施，外蒙皮为耐高温的镍基合金，再入舱段的侧壁采取辐射防热措施，外蒙皮为耐

20、高温的镍基合金，内部结构为耐热钛合金。外蒙皮与内部结构之间填以石英纤维等各内部结构为耐热钛合金。外蒙皮与内部结构之间填以石英纤维等各种隔热材料。再入舱靠外蒙皮的高辐射特性和隔热层的良好的隔热种隔热材料。再入舱靠外蒙皮的高辐射特性和隔热层的良好的隔热特性，保持舱内有适宜的工作温度。再入舱的头部经受的热流高，特性，保持舱内有适宜的工作温度。再入舱的头部经受的热流高，须采用与导弹头部相似的烧蚀材料。须采用与导弹头部相似的烧蚀材料。 航天飞机的轨道器航天飞机的轨道器大部分用铝合金制造。大部分用铝合金制造。 支承主发动机的推力结构支承主发动机的推力结构用钛合金制造；用钛合金制造；中机身的部分主框中机身的

21、部分主框采采用以硼纤维增强铝合金的金属基复合材料；用以硼纤维增强铝合金的金属基复合材料；货舱舱门货舱舱门用石墨纤维增用石墨纤维增强环氧树脂复合材料作面板的特制纸蜂窝夹层结构。强环氧树脂复合材料作面板的特制纸蜂窝夹层结构。 航天飞机使用百次左右，再入大气层时的防热是一个重要的问航天飞机使用百次左右，再入大气层时的防热是一个重要的问题，因此使用了各类表面隔热材料，其中主要是题，因此使用了各类表面隔热材料，其中主要是新型陶瓷隔热瓦新型陶瓷隔热瓦。 35 哥伦比亚号航天飞机（哥伦比亚号航天飞机（STS Columbia OV-102）是美国的太空梭机队中第一架正式服役的，它在）是美国的太空梭机队中第一

22、架正式服役的，它在1981年年4月月12日首次执行代号日首次执行代号STS-1的任务，正式开启了的任务，正式开启了NASA的太空运输系统计划（的太空运输系统计划（Space Transportation System program，STS）之序章。）之序章。 然而很不幸的，哥伦比亚号在然而很不幸的，哥伦比亚号在2003年年2月月1日，在代号日，在代号STS-107的第的第28次任务重返大气层的阶段中与次任务重返大气层的阶段中与控制中心失去联系，并且在不久后被发现在控制中心失去联系，并且在不久后被发现在德克萨斯州德克萨斯州上空爆炸解体，机上上空爆炸解体，机上7名太空人全数罹难。名太空人全数罹难

23、。 1981年年4月月12日，在卡纳维拉尔角日，在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心肯尼迪航天中心聚集着上百万人，参观第一架航天飞机哥伦比亚聚集着上百万人，参观第一架航天飞机哥伦比亚号航天飞机发射。宇航员翰号航天飞机发射。宇航员翰杨（杨（John WYoung）和克里平（）和克里平（Robert LCrippen）揭开了航天史上新的）揭开了航天史上新的一页。这架航天飞机总长约一页。这架航天飞机总长约56米，翼展约米，翼展约24米，起飞重量约米，起飞重量约2040吨，起飞总推力达吨，起飞总推力达2800吨，最大有效载吨，最大有效载荷荷29.5吨。它的核心部分轨道器长吨。它的核心部分轨道器长37.2米，大

24、体上与一架米，大体上与一架DC9客机的大小相仿。每次飞行最多可载客机的大小相仿。每次飞行最多可载8名名宇航员，飞行时间宇航员，飞行时间7至至30天，轨道器可重复使用天，轨道器可重复使用100次。次。 航天飞机集火箭，卫星和飞机的技术特点于一身，能像火箭那样垂直发射进入空间轨道，又能像航天飞机集火箭，卫星和飞机的技术特点于一身，能像火箭那样垂直发射进入空间轨道，又能像卫星那样在太空轨道飞行，还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆，是一种新型的多功能航天飞行器。卫星那样在太空轨道飞行，还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆，是一种新型的多功能航天飞行器。 1981年初，经过十年的研制开发，年初，经过十年的研制

25、开发，“哥伦比亚哥伦比亚”号终于建造成功，它是第一架用于在太空和地面之号终于建造成功，它是第一架用于在太空和地面之间往返运送宇航员和设备的航天飞机。它第一次飞行的任务只是测试它的轨道飞行和着陆能力。在太空间往返运送宇航员和设备的航天飞机。它第一次飞行的任务只是测试它的轨道飞行和着陆能力。在太空飞行飞行54小时，环绕地球飞行小时，环绕地球飞行36周之后航天飞机安全着陆。周之后航天飞机安全着陆。 “哥伦比亚哥伦比亚”号是以号是以18世纪初第一艘环绕地球航行的美国轮船的名字命名的，在下一架航天飞机，世纪初第一艘环绕地球航行的美国轮船的名字命名的，在下一架航天飞机，“挑战者挑战者”号建成之前，号建成之

26、前，“哥伦比亚哥伦比亚”号又进行了四次飞行。号又进行了四次飞行。 哥伦比亚号航天飞机失事哥伦比亚号航天飞机失事36美国宇航局确认，美国美国宇航局确认，美国“哥伦比亚哥伦比亚”号航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的缺陷号航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的缺陷，是造成整起事故的祸首。，是造成整起事故的祸首。“哥伦比亚哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会去年公布的调查报告称，外部燃号航天飞机事故调查委员会去年公布的调查报告称，外部燃料箱表面脱落的一块料箱表面脱落的一块泡沫材料泡沫材料击中航天飞机热保护系统，是导致事故发生的主要原因。击中航天飞机热保护系统，是导致事故发生的主要原因

27、。事故发生后，由于无法迅速找回事发时的泡沫材料和燃料箱进行检验，宇航局和事故调查委员会事故发生后，由于无法迅速找回事发时的泡沫材料和燃料箱进行检验，宇航局和事故调查委员会一直没对事故原因作出最终定论。目前，一直没对事故原因作出最终定论。目前，“哥伦比亚哥伦比亚”号外部燃料箱约号外部燃料箱约50万块碎片已被找到并重新拼万块碎片已被找到并重新拼在一起。宇航局负责在一起。宇航局负责“哥伦比亚哥伦比亚”号外部燃料箱工程的首席工程师尼尔号外部燃料箱工程的首席工程师尼尔奥特说，宇航局经多次试验确奥特说，宇航局经多次试验确定，定，泡沫材料安装过程有缺陷泡沫材料安装过程有缺陷是造成事故的主要原因。是造成事故的

28、主要原因。奥特说，泡沫材料本身的化学成分没有问题，问题在于用喷枪在燃料箱外敷设泡沫材料的过程。奥特说，泡沫材料本身的化学成分没有问题，问题在于用喷枪在燃料箱外敷设泡沫材料的过程。试验表明，目前的敷设工艺会在各块泡沫材料之间留下缝隙，液态氢能够渗入其间。航天飞机起飞后试验表明，目前的敷设工艺会在各块泡沫材料之间留下缝隙，液态氢能够渗入其间。航天飞机起飞后，氢气受热膨胀，最终导致大块泡沫材料脱落。撞击，氢气受热膨胀，最终导致大块泡沫材料脱落。撞击“哥伦比亚哥伦比亚”号的泡沫材料有手提箱大小，重约号的泡沫材料有手提箱大小，重约0.75公斤。它几乎是被整块公斤。它几乎是被整块“撕下撕下”后，高速撞击到

29、航天飞机左翼前缘的热保护系统，并形成裂隙。后，高速撞击到航天飞机左翼前缘的热保护系统，并形成裂隙。航天飞机重返大气层时，超高温气体得以从裂隙处进入航天飞机重返大气层时，超高温气体得以从裂隙处进入“哥伦比亚哥伦比亚”号机体，造成航天飞机解体。号机体，造成航天飞机解体。奥特说，根据新标准对燃料箱进行检测是目前摆在美国宇航局面前的最大障碍。新标准要求，不奥特说，根据新标准对燃料箱进行检测是目前摆在美国宇航局面前的最大障碍。新标准要求，不允许有允许有0.5盎司（盎司（14.17克）以上的克）以上的燃料箱外泡沫材料燃料箱外泡沫材料脱落。美国宇航局目前准备对所有航天飞机的脱落。美国宇航局目前准备对所有航天

30、飞机的11个燃料箱进行检测，检查每个燃料箱需要个燃料箱进行检测，检查每个燃料箱需要4千万美元。千万美元。 哥伦比亚号航天飞机失事哥伦比亚号航天飞机失事37300km动车组动车组动车组车头动车组车头司机台内饰司机台内饰动车组车头动车组车头300km/h动车组动车组动车组卫生间动车组卫生间3839波音波音-767用复合材料用复合材料中国大飞机总装中心挂牌中国大飞机总装中心挂牌40 目前，国外新一代军机和民用运输机已普遍采用高性能树脂基碳纤维复目前，国外新一代军机和民用运输机已普遍采用高性能树脂基碳纤维复合材料，第四代战机复合材料用量占飞机结构重量的合材料，第四代战机复合材料用量占飞机结构重量的20

31、50，干线客机，干线客机约为约为10%50。 以波音以波音777为例，在其机体结构中，铝合金占为例，在其机体结构中，铝合金占70%、钢、钢11%、钛、钛7%，复，复合材料仅占到合材料仅占到11%，而且复合材料主要用于飞机辅件。但到波音，而且复合材料主要用于飞机辅件。但到波音787时，复时，复合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的50%，不仅数量激，不仅数量激增，而且已用于飞机的主承力构件。增，而且已用于飞机的主承力构件。 我国复合材料制造技术经过我国复合材料制造技术经过30多年的研究和发展，已形成了一定的规多年的研究和发展，已形成了

32、一定的规模，达到了一定的水平。各主机生产厂均已建设了生产手段，完成了相应模，达到了一定的水平。各主机生产厂均已建设了生产手段，完成了相应的设备改造和技术改造。各研究院所及重点高校培养了大量人才。国内从的设备改造和技术改造。各研究院所及重点高校培养了大量人才。国内从设计、材料到工艺有了一支配套的研发队伍。但与国外相比，还存在应用设计、材料到工艺有了一支配套的研发队伍。但与国外相比，还存在应用规模和水平、材料基础、制造工艺、设计方法与手段严重落后等问题，且规模和水平、材料基础、制造工艺、设计方法与手段严重落后等问题，且差距有进一步拉开的趋势。差距有进一步拉开的趋势。 41各种风格的玻璃钢建筑各种风

33、格的玻璃钢建筑4243玻璃钢轴流风机玻璃钢轴流风机 屋顶离心风机屋顶离心风机 酚醛玻璃钢管道泵酚醛玻璃钢管道泵玻璃钢管道玻璃钢管道玻璃钢贮罐玻璃钢贮罐玻璃钢耐腐蚀设备玻璃钢耐腐蚀设备44雪橇探险车雪橇探险车 休闲船休闲船复合材料运动与娱乐器件复合材料运动与娱乐器件45渔船渔船 敞开式机动救生艇敞开式机动救生艇 海洋应用海洋应用6m敞开艇敞开艇 摩托艇摩托艇46图图1-17 风力发电机叶片风力发电机叶片47层压板层压板覆铜板覆铜板48复合材料复合材料学术界开始使用学术界开始使用“复合材料复合材料”（composite materials ）一词大约是在一词大约是在20世纪世纪40年代，当时出现了

34、年代，当时出现了玻璃纤维增强不玻璃纤维增强不饱和聚酯饱和聚酯，开辟了，开辟了的新纪元。的新纪元。1.7 复合材料的进展复合材料的进展49从从20世纪世纪60年代开始，开发出多种年代开始，开发出多种。 20世纪世纪80年代以后，由于人们丰富了年代以后，由于人们丰富了设计设计、制造制造和和测试测试等方面的知识和经验，加上各类作为等方面的知识和经验，加上各类作为复合材料基体的材料的使用和改进，使复合材料基体的材料的使用和改进，使的发展达到了更高的水平，即进入的发展达到了更高的水平，即进入的发展阶段。的发展阶段。50复合材料的复合材料的可表示为：可表示为：古代古代近代近代先进复合材料先进复合材料51自

35、然界中存在许许多多的天然复合材料。例如，自然界中存在许许多多的天然复合材料。例如，和和是是和和的复合体；的复合体；则由则由和和复合而成。复合而成。52人类很早就人类很早就各种天然复合材料，并各种天然复合材料，并自自然界制作各种各样的复合材料。例如然界制作各种各样的复合材料。例如陕西半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今；陕西半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今； 漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年；漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年； 敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。53近代近代，复合材料的发展始于，复合材料的发展始于20世纪世纪40年代，

36、年代，第二次世界大战中，第二次世界大战中，复合复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。50年代得到了迅速发展。年代得到了迅速发展。我国我国从从1958年开始发展复合材料年开始发展复合材料54的制作成功则要从的制作成功则要从1942年，第年，第二次世界大战中，二次世界大战中，复合材复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。材料科学家们认为，就世界范围而论，从材料科学家们认为，就世界范围而论，从1940年到年到1960年这年这20年间，是玻璃纤维增强塑料时代，年间，是玻璃纤维增强塑料时代，可以称为可以称为。第一代：

37、第一代：1940年到年到1960年，玻璃纤维增强塑料年，玻璃纤维增强塑料；551965年英国科学家研制出碳纤维；年英国科学家研制出碳纤维；1971年美国杜邦公司开发出年美国杜邦公司开发出Kevler-49 （凯芙拉（凯芙拉-49 ）；1975年先进复合材料年先进复合材料“碳纤维增强、及碳纤维增强、及Kevler纤维增纤维增强环氧树脂复合材料强环氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的主承力件上。已用于飞机、火箭的主承力件上。这一时期被称为这一时期被称为第二代：第二代：1960年到年到1980年，先进复合材料的发展时期年，先进复合材料的发展时期561980年到年到1990年间，是年间，是的时代，其中以

38、铝基复合材料的应用最为广的时代，其中以铝基复合材料的应用最为广泛，这一时期是泛，这一时期是。571990年以后则被认为是年以后则被认为是，主要，主要发展发展，如，如和和。随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造船、建筑、电子、桥梁、机械、医疗和体育等各个部门都船、建筑、电子、桥梁、机械、医疗和体育等各个部门都得到应用。得到应用。58 纵观复合材料的发展过程，可以看到：纵观复合材料的发展过程，可以看到：早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，

39、生产早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产量大，使用面广，可称之为量大，使用面广，可称之为。后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能高的高的。59 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，其比强度大于等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4106厘米（厘米（cm），比模），比模量大于量大于108cm。为了与第一代玻

40、璃纤维增强树脂复合材料相区别，。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。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。其使用温度分别达合材料。其使用温度分别达250350、3501200和和1200以上。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

41、料合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变、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。化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。 先进复合材料先进复合材料60中国新型远程战略导弹使中国新型远程战略导弹使用先进复合材料用先进复合材料 正六边形的天然蜂窝是蜂正六边形的天然蜂窝是蜂族的杰作，以蜂窝结构作族的杰作，以蜂窝结构作为夹层结构的芯材是人类为夹层结构的芯材是人类仿生学应用的一大成果。仿生学应用的一大成果。 隐身飞机隐身飞机61前苏联暴风雨号前苏联暴风雨号美挑战者号美挑战者号 美国美国正式使用的第二架正式使

42、用的第二架航天飞机航天飞机。并于并于1983年年4月月4日日正式进行任务首航正式进行任务首航。然而很不幸的，挑战者号在。然而很不幸的，挑战者号在1986年年1月月28日进行代号日进行代号STS-51-L的第的第10次太次太空任务时，因为右侧固态火箭推进器空任务时，因为右侧固态火箭推进器上面的一个上面的一个O形环失效，导致一连串形环失效，导致一连串的的连锁反应连锁反应，并且在升空后，并且在升空后73秒时，秒时，爆炸解体坠毁。机上的爆炸解体坠毁。机上的7名宇航员全在名宇航员全在该次意外中丧生。该次意外中丧生。62神州神州5号号2003.10.1563神州神州6号号2005年年10月月12日上午日上

43、午9:00在酒泉卫星发射中心发射升空在酒泉卫星发射中心发射升空 64656667 在美国著名科幻电视剧在美国著名科幻电视剧星际旅行星际旅行中，物理学家弗中，物理学家弗里曼里曼戴森描写了这样一个场景，在银河中旅行的星舰发现戴森描写了这样一个场景，在银河中旅行的星舰发现了一个极度发达的文明社会，那里的人在自己星球的太空了一个极度发达的文明社会，那里的人在自己星球的太空中布满了太阳能电池板，捕获了几乎恒星释放出的所有能中布满了太阳能电池板，捕获了几乎恒星释放出的所有能量，解决了该星球的能源问题。然而这个科学幻想将很快量，解决了该星球的能源问题。然而这个科学幻想将很快变成现实。变成现实。 2 2、复合

44、材料为新能源开发提供了理想的材料、复合材料为新能源开发提供了理想的材料 68 利用卫星，可在太空中把太阳能聚利用卫星，可在太空中把太阳能聚集起来，然后把能量集中射向地面，再集起来，然后把能量集中射向地面，再转变成电能供人类使用。人类的这个梦转变成电能供人类使用。人类的这个梦想将可能走出科幻小说王国，更接近现想将可能走出科幻小说王国，更接近现实。实。这种卫星，预计将于这种卫星，预计将于2016年建成并年建成并给人类带来一种叫做给人类带来一种叫做“基于太空的太阳基于太空的太阳能能”（SBSP，Space-based Solar Power）的新能源，但面对的困难还十分巨大）的新能源，但面对的困难还

45、十分巨大。不过，有了气候变化给人类带来的压。不过，有了气候变化给人类带来的压力和低成本太阳能技术的诱惑力，越来力和低成本太阳能技术的诱惑力，越来越多的国家和企业认为：人类很快就能越多的国家和企业认为：人类很快就能看到能源革命的曙光。看到能源革命的曙光。美拟建太空太阳能电站，美拟建太空太阳能电站， 用卫星向地球供电，同步用卫星向地球供电，同步卫星将电力从太空发至地球卫星将电力从太空发至地球69 太空中的阳光强度要比地面大太空中的阳光强度要比地面大5-10倍。倍。SBSP可提供恒定而没有污染的能可提供恒定而没有污染的能量，这与地面上断断续续、受云层遮盖影响较大的太阳能利用方式有很大区量，这与地面上

46、断断续续、受云层遮盖影响较大的太阳能利用方式有很大区别，而且别，而且 不会象燃料电厂那样排放污染物，也不会象核电站那样产生放射性不会象燃料电厂那样排放污染物，也不会象核电站那样产生放射性废料。废料。SBSP技术之所以能成为一项革命性技术，就在于这种技术所改变的将技术之所以能成为一项革命性技术，就在于这种技术所改变的将是能源的整体格局。是能源的整体格局。 2008年，美国和日本两国的科研人员已跨越了年，美国和日本两国的科研人员已跨越了SBSP技术的一个重要门槛技术的一个重要门槛，他们在夏威夷两座相距，他们在夏威夷两座相距90英里的海岛上，成功实现了微波级能量的无线远英里的海岛上，成功实现了微波级

47、能量的无线远距传输，这个距离相当于从太空轨道传送能量到地面所要穿透的大气层厚度距传输，这个距离相当于从太空轨道传送能量到地面所要穿透的大气层厚度。近些年来，与近些年来，与SBSP技术有关的其他多种技术也取得了重大进展。大约技术有关的其他多种技术也取得了重大进展。大约十年前，光电效率（即光能转换成电能的转换率）只有十年前，光电效率（即光能转换成电能的转换率）只有10%，而现在已经能，而现在已经能达到达到40%。卫星技术也得到了改进，其中的全自动计算机系统以及。卫星技术也得到了改进，其中的全自动计算机系统以及先进的轻先进的轻质建材质建材也取得了飞跃性的进步。也取得了飞跃性的进步。7071日本航空宇

48、宙开发中心（日本航空宇宙开发中心（JAXAJAXA）也在研究类似的太空）也在研究类似的太空太阳能发电系统太阳能发电系统(SSPS)(SSPS)，有望于，有望于20302030年前启动。其基本原年前启动。其基本原理和美国类同，但日本科学家不是用无线电波传送能量，理和美国类同，但日本科学家不是用无线电波传送能量，他们选择了微波（微波比无线电波的波长短，并且只能直他们选择了微波（微波比无线电波的波长短，并且只能直线传播），试图采用频率为线传播），试图采用频率为2.45 GHz2.45 GHz和和5.8GHz5.8GHz的微波传送的微波传送，这项技术日本已经应用于工业和医疗设备。，这项技术日本已经应用

49、于工业和医疗设备。 在北海道的研究基地，日本科学家用直径在北海道的研究基地，日本科学家用直径2.42.4米米的仪器装置进行了地面接收太空微波的实验。的仪器装置进行了地面接收太空微波的实验。 JAXAJAXA的最终目标是要建立一个约的最终目标是要建立一个约3 3平方公里的地平方公里的地面接收站，生产面接收站，生产100100万千瓦的电力，给万千瓦的电力，给5050万个家庭供电。万个家庭供电。7273三峡大坝三峡大坝 74新华网宜昌新华网宜昌2010年年7月月30日电（记者江时强日电（记者江时强 李志晖）今年以来长江李志晖）今年以来长江最大洪峰抵达三峡坝区，最大洪峰抵达三峡坝区，30日日12时起，

50、经过时起，经过14年持续建设的三峡工年持续建设的三峡工程首次开始发挥防洪功能，为长江中下游拦蓄洪水。程首次开始发挥防洪功能，为长江中下游拦蓄洪水。 75美第一颗人造心脏获批使用美第一颗人造心脏获批使用 智能膝盖智能膝盖 仿生手臂仿生手臂 颈托颈托口腔科材料口腔科材料3 3、复合材料、复合材料761 1、复合材料、复合材料77 军用新材料技术军用新材料技术是新一代武器装备的物质基础，军用新材料技术军用新材料技术是新一代武器装备的物质基础，也是当今世界军事领域的关键技术。也是当今世界军事领域的关键技术。 先进复合材料是比通用复合材料有更高综合性能的新型材料，它先进复合材料是比通用复合材料有更高综合

51、性能的新型材料，它包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等，它在军事工业的发展中起着举足轻重的作用。材料等，它在军事工业的发展中起着举足轻重的作用。 先进复合材料具有高的比强度、高的比模量、耐烧蚀、抗侵蚀、先进复合材料具有高的比强度、高的比模量、耐烧蚀、抗侵蚀、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隐身、抗高速撞击等一系列优点，是抗核、抗粒子云、透波、吸波、隐身、抗高速撞击等一系列优点，是国防工业发展中最重要的一类工程材料。国防工业发展中最重要的一类工程材料。 复合材料在国防建设的地位和作用复合材料在国防建设的地位和作

52、用 1 1、 78 当飞行器在稠密大气中作超音速飞行时，受激波与机体间高温压缩气体的当飞行器在稠密大气中作超音速飞行时，受激波与机体间高温压缩气体的加热和机体表面与空气强烈摩擦的影响，飞行器蒙皮的温度会随加热和机体表面与空气强烈摩擦的影响，飞行器蒙皮的温度会随M数的提高而数的提高而急剧上升。飞行急剧上升。飞行 M数为数为 2.0时，机头处的温度略超过时，机头处的温度略超过100。而当。而当 M数等于数等于3.0时，飞行器表面的温度则升至时，飞行器表面的温度则升至350左右，已超过了铝合金的极限温度，使其左右，已超过了铝合金的极限温度，使其强度大大削弱。强度大大削弱。 航空界把飞行器作高速飞行时

53、所遭遇到的这种高温情况称之为航空界把飞行器作高速飞行时所遭遇到的这种高温情况称之为“热障热障”。一般把一般把M数数 2.5作为作为“热障热障”的界线，低于这一值，气动加热不严重，可用常的界线，低于这一值，气动加热不严重，可用常规的方法和材料设计、制造飞机；高于该值，则必须采取克服气动加热问题的规的方法和材料设计、制造飞机；高于该值，则必须采取克服气动加热问题的措施，如用耐高温的钢或钛合金制造飞机的蒙皮和框架等。措施，如用耐高温的钢或钛合金制造飞机的蒙皮和框架等。 宇宙飞船和返回式卫星在重返大气层时，宇宙飞船和返回式卫星在重返大气层时，M数更高，它们的外表温度可达数更高，它们的外表温度可达 10

54、00多度。多度。 为保证其不致被烧毁，飞船和返回式卫星的头部得用烧蚀材料包为保证其不致被烧毁，飞船和返回式卫星的头部得用烧蚀材料包上一层，让它在高温时烧掉，以吸收气动加热时产生的热能。上一层，让它在高温时烧掉，以吸收气动加热时产生的热能。 2 2、复合材料保障了战略武器突破热障、复合材料保障了战略武器突破热障 79 ，马赫数的命名是为了纪念奥地利学者马赫，马赫数的命名是为了纪念奥地利学者马赫(Ernst Mach, 1838-1916) 马赫就是声速，马赫就是声速，1马赫马赫=340M/s. 1马赫马赫=每小时每小时1126公里公里,大概是一倍音速大概是一倍音速 . 马赫数，气流速度马赫数，气

55、流速度V与当地声（音）速与当地声（音）速a之比，简称之比，简称Ma数。飞机数。飞机的飞行速度常以马赫数表示，当其飞行速度小于当地音速时，则马的飞行速度常以马赫数表示，当其飞行速度小于当地音速时，则马赫数小于赫数小于1，反之，飞行速度大于当地音速时，马赫数则大于，反之，飞行速度大于当地音速时，马赫数则大于1。一。一般把马赫数小于或等于般把马赫数小于或等于0.4的飞行称为低速飞行，马赫数在的飞行称为低速飞行，马赫数在0.75至至1.2（或（或1.4）之间称为亚音速飞行，马赫数在）之间称为亚音速飞行，马赫数在1.2（或（或1.4）至）至5之间称为之间称为超音速飞行，马赫数大于超音速飞行，马赫数大于5

56、时则称为高超音速飞行。时则称为高超音速飞行。 80在晴朗的夜晚，仰望灿烂星空，有时会看到耀眼的陨星，倏忽即逝在晴朗的夜晚，仰望灿烂星空，有时会看到耀眼的陨星，倏忽即逝。它为什么会发光呢？。它为什么会发光呢？ 原来，这是高速飞行的陨星进入大气层与空气原来，这是高速飞行的陨星进入大气层与空气剧烈摩擦，猛烈燃烧而发出的光亮。当宇宙航天器完成任务返回地球剧烈摩擦，猛烈燃烧而发出的光亮。当宇宙航天器完成任务返回地球时，面临着与陨星同样的残酷生存环境。研究表明，时，面临着与陨星同样的残酷生存环境。研究表明， 当宇宙飞行器的当宇宙飞行器的飞行速度达到飞行速度达到3倍声速时，其前端温度可达倍声速时，其前端温度

57、可达330；当飞行速度为；当飞行速度为6倍声倍声 速时，可达速时，可达1480 。宇宙飞行器遨游太空归来，到达离地面宇宙飞行器遨游太空归来，到达离地面60-70千米时，速度仍然保千米时，速度仍然保持在声速的持在声速的20多倍，温多倍，温 度在度在10000以上，这样的高温足以把航天器化以上，这样的高温足以把航天器化作一团烈火。高速导致高温这似乎是一道不可逾越的障碍，人们把这作一团烈火。高速导致高温这似乎是一道不可逾越的障碍，人们把这种障碍称为热障。显然热障并没有阻挡住人类种障碍称为热障。显然热障并没有阻挡住人类挺进宇挺进宇 宙的步伐，宙的步伐， 那么科那么科学家们是如何服热障，使航天器安全回家

58、的呢？学家们是如何服热障，使航天器安全回家的呢？81 陨石穿越太空到达地球的神奇经历给了科学家们以特殊的启迪。分析陨石陨石穿越太空到达地球的神奇经历给了科学家们以特殊的启迪。分析陨石的成分和结构发现的成分和结构发现 ，陨石表面虽然已经熔融，但内部的化学成分没有发生变化，陨石表面虽然已经熔融，但内部的化学成分没有发生变化。这说明陨石在下落过程中，。这说明陨石在下落过程中， 表面因摩擦生热达到几千度高温面熔融，但由于表面因摩擦生热达到几千度高温面熔融，但由于穿过大气层的时间很短，热量来不及传到陨石内部。给宇宙飞行器的头部戴一穿过大气层的时间很短，热量来不及传到陨石内部。给宇宙飞行器的头部戴一顶用烧

59、蚀材料制成顶用烧蚀材料制成“盔甲盔甲”，把摩擦产生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、气化，把摩擦产生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、气化等一系列物理和化学变化中，等一系列物理和化学变化中，“丢卒保车丢卒保车”就能达到保护宇宙飞行器的目的。就能达到保护宇宙飞行器的目的。一位宇航员描述了宇宙飞船闯过热障的壮观景象：飞船进入大气层，首先一位宇航员描述了宇宙飞船闯过热障的壮观景象：飞船进入大气层，首先从舷窗中从舷窗中 看到烟雾，然后出现五彩缤纷的火焰，同时发出噼噼啪啪的声音。这看到烟雾，然后出现五彩缤纷的火焰，同时发出噼噼啪啪的声音。这是飞船头部的烧蚀材料在燃烧是飞船头部的烧蚀材料在燃烧 ，它们牺牲了自己，把飞

60、船内的温度始终维持在，它们牺牲了自己，把飞船内的温度始终维持在常温范围，保护飞船平安返回地面。常温范围，保护飞船平安返回地面。作为烧蚀材料，要求气化热大，热容量大，绝热性好，向外界辐射热量的作为烧蚀材料，要求气化热大，热容量大，绝热性好，向外界辐射热量的本领强。本领强。 烧蚀材料有多种，陶瓷是其中的佼佼者，而纤维补强陶瓷材料是最佳烧蚀材料有多种，陶瓷是其中的佼佼者，而纤维补强陶瓷材料是最佳选择。近年来，研制成功了许多具有高强度、用它们制成的碳化物、氮化物复选择。近年来，研制成功了许多具有高强度、用它们制成的碳化物、氮化物复合陶瓷是优异的烧蚀材料，合陶瓷是优异的烧蚀材料， 成为航天飞行器的不破盔