复合材料结构及其力学-复合材料

1、复合材料结构及其力学复合材料与结构研究所参考教材R. M. 琼斯：复合材料力学（中、英文）沈观林、胡更开：复合材料力学，清华大学出版社Stephen W. Tsai：复合材料设计讲义文献（图书馆和互联网）内容安排1-2：复合材料定义、分类、特点及其典型结构和应用3-4：代表性增强相、基体性能及复合材料的力学行为5-6：简单层板的宏观力学性能-1（各向异性材料的应力-应变关系，正交各向异性材料的工程常数；正交各向异性材料平面应力问题的应力-应变关系）7-8：简单层板的宏观力学性能-2（简单层板在任意方向上的应力应变关系，正交各向异性简单层板的不变量性质）内容安排9-10：简单层板的宏观力学性能-

2、3（正交各向异性简单层板的强度问题及二向强度理论）11-12：简单层板的微观力学性能-1（刚度的材料力学分析方法）13-14：简单层板的微观力学性能-2（刚度的弹性力学分析方法）15-16：简单层板的微观力学性能-3（强度的材料力学分析方法）内容安排17-18：层合板的宏观力学性能-1（经典层合理论、层合板刚度的特殊情况）19-20：层合板的宏观力学性能-2（层合板刚度的理论和实验的比较、层合板强度）21-22：层合板的宏观力学性能-3（层间应力、层合板刚度的不变量及其在设计中的应用）23-24：层合板的弯曲、振动与屈曲行为分析内容安排25-26：复合材料制备方法及其力学特点27-28：复合材

3、料结构设计方法29-30：复合材料结构分析与软件31-32：热防护复合材料与热结构分析33-34：复合材料结构可靠性性设计与分析方法35-36：复习要点、讨论及答疑学习方法和要求概念清晰、基础扎实力学与材料相结合微观与宏观相结合试验与理论分析相结合从实践中来，回到实践中去复合材料及其结构力学力学结构复合材料复合材料自然界中普遍存在着天然复合材料树木、骨骼、草茎与泥土复合等天然材料几乎都是复合材料，采取复合的形式是自然的规律鸟巢六千年以前，陕西西安半坡村的仰韶文化住房遗址说明我国古人已经开始用草混在泥土中筑墙和铺地，这种草泥就是最原始的纤维增强复合材料，它与现代高性能纤维增强复合材料非常相似人的

4、能动性 复合材料复合材料Cellulose StrandsLignin Polymer Natural composites:Guides for stiff, strong, and tough composites? Natural composites:Guides for stiff, strong, and tough composites? 跟腱结构玻璃纤维增强塑料（Fiber Glass Reinforced Plastics, FRP）：俄文叫 “CTeknonJ1Anhk”（玻璃塑料）。当时中文里没相应的词，想到材料里有玻璃，强度又高，就叫“玻璃钢”复合材料历史曾用材料来划分

5、人类的文明时代的四次重大突破天然材料：新石器时代人工材料：铜器和铁器时代合成材料：塑料（1924）、橡胶（1931）复合材料：玻璃纤维（1942）【物质】为构成宇宙间一切物体的实物和场【材料】是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质复合材料金属材料的高峰四分天下复合材料定义由两种以上在物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多相固体材料国际标准化组织复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原有组分材料的主要特色，又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料的简单混合有本质的区别（1994年出版

6、，师昌绪主编材料大辞典）复合材料定义“Composite” Means “Consisting of Two or More Distinct Parts”由两种以上材料组合而成的、物理和化学性质与原材料不同、但又保持某些有效功能并非随意将不同种类的原材料混合在一起都能够得到复合材料即复合后的整体性能应超过组分材料，同时保留了所期望的性能(例如高强度、刚度、轻的重量)，抑制了所不期望的特性(例如低延性) ，复合材料应该是多功能的材料系统，可提供任何单一材料所无法获得的特性复合材料定义复合材料的组分和相对含量是由人工选择和设计的，即复合材料具有可设计性组成复合材料的某些组分在复合后仍然保持其固有

7、的物理和化学性质（区别于化合物和合金,复合材料是各组分之间被明显界面区分的多相材料，即组元之间存在着明显的界面）可以通过光学或电子显微镜检验明显区分开来的两种或多种组分组合形成的材料复合材料定义先进复合材料（Advanced Composite Materials，简称ACM）是指加进了新的高性能纤维的而区别于“低技术”的玻璃纤维增强塑料的复合材料(美国麻省理工学院材料科学与工程系教授J. P. Clark，1985)以碳纤维、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、金属与陶瓷等为基体，制成的具有比玻璃纤维复合材料更好性能的先进复合材料复合

8、材料发展历程复合材料经历了古代、近代和现代三个阶段自古以来，人们就会使用天然的复合材料木材、竹、骨骼等。最原始的人造复合材料是在粘土泥浆中掺稻草，制成土砖；在灰泥中掺马鬃或在熟石膏里加纸浆，可制成纤维增强复合材料近代复合材料最早的有玻璃纤维增强树脂（如酚醛树脂、环氧树脂等）玻璃钢高性能纤维和其他各种形式的先进复合材料第二次世界大战后期，为了增加雷达罩透波率，研制成玻璃钢，没料到这类复合材料后来由于它有高的比强度和比刚度而成为使钢、铝、钛等金属有时相形见拙的新型结构材料复合材料发展历程随着复合材料的广泛应用和人们在原材料、复合工艺、界面理论、复合效应等方面实践和理论研究的深入，使人们对复合材料有

9、了更全面地认识现在人们可以更能动地选择不同的增强材料（颗粒、片状物、纤维及其织物等）和基体进行合理的性能（功能和力学）设计（如宏观的铺层设计、微细观界面设计等）采用多种特殊工艺使其复合或交叉结合，从而制造出高于原先单一材料的性能或开发出单一材料所不具备的性质和使用性能，如优异的力学性能、物理-化学多功能（电、热、磁、光、耐烧蚀等）或生物效应的各类高级复合材料。因此“复合”涵盖的范围也越来越广复合材料发展历程与其他高技术的出现和发展紧密结合，复合材料的内涵不断拓展从宏观尺度的复合到纳米尺度的复合从结构材料到结构功能一体化材料、多功能复合材料从简单复合到非线性复合效应的复合从复合材料到复合结构从机

10、械设计到仿生设计复合材料发展历程 天然复合材料功能复合材料智能复合材料仿生复合材料纳米复合材料生物复合材料复合结构先进复合材料树脂基复合材料陶瓷基复合材料金属基复合材料碳/碳复合材料玻璃钢复合材料发展历程“到2020年，只有复合材料才有潜力获得20-25%的性能提升，其中陶瓷基和聚合物基复合材料的密度、刚度、强度、韧性和抗高温能力都可能有如此大的改善，而被列为最优先发展的材料”。进入21世纪，美国国防部委托国家科学研究院经过三年的调查，在2003年发表的“面向21世纪国防需求的材料研究”报告指出复合材料的要素和分类复合材料包括三要素：基体材料、增强相及复合方式（界面结合形式）按增强相形状不同，

11、可分为颗粒、连续纤维、短纤维、弥散晶须、层状、骨架或网状、编织体增强复合材料等按照基体材料的不同，复合材料包括聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料等按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复合材料等复合材料的要素和分类复合材料的要素和分类纤维增强聚合物基体复合材料增强纤维玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维（Kevlar、Apmoc)、硼纤维、碳化硅纤维树脂基体热固性聚合物聚酯、环氧、酚醛、聚酰亚胺热塑性聚合物尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯复合材料的要素和分类在RMC中，增强材料是决定复合材料的拉伸强度、模量、延伸率的关键组分，增强纤维的种类、机械性能核物理特征，在即体重的体积含

12、量及纤维的取向决定了复合材料的性质树脂基体则是粘接并包容纤维，使纤维免受摩擦损伤，均衡和传递构件所承受的载荷的主要组分，树脂基体的种类、物理特性和化学特性决定了复合材料的剪切强度、横向拉伸强度（非纤维方向）、压缩强度、耐化学腐蚀等性质）复合材料的性能强度刚度耐腐蚀性耐磨性重量疲劳寿命与温度有关的性能绝热性导热性隔音性复合材料的特点普通的工程材料大多是均匀的、各向同性的均质：性能不是物体位置的函数各向同性：物体的性能在物体内的一点的每个方向都是相同的，性能不是一点方向上的函数复合材料一般表现为非均质和各向异性的，材料性能是位置和方向的函数正交各向异性：在物体重的一点的三个相互垂直方向上有不同的材

13、料性能，此外还有三个相互垂直的材料对称面各向异性：所有方向都有不同的性能，没有材料对称面复合材料的特点由于复合材料具有各向异性和非均匀性，可以通过合理的设计在我们所需要的方向上具有足够的强度和刚度，消除材料冗余，最大程度发挥材料及结构的潜力和效率复合效应的优越性复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的，但它不是几种材料简单的混合，而是按照复合效应形成的新的性能，这种复合效应是复合材料特有的复合材料的特点可设计性复合材料的力学、机械及热、声、光、电、防腐、抗老化等性能都可按照构件的使用要求和环境条件要求，通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段，最大限度地达到预期的目的，以满足工程设计

14、的使用性能材料与结构的同一性复合材料构件与材料是同时形成的，它有组成复合材料的组分材料在复合成材料的同时也形成了结构，一般不再由“复合材料”加工成复合材料构件，使之结构的整体性好，大幅度减少零部件和连接件数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高可靠性复合材料的特点材料性能对复合工艺的依赖性复合材料结构在形成过程中有组分材料的物理和化学变化，因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性较大，同时也由于在成形过程中很难准确地控制工艺参数，使得其性能的分散性较大 多功能性和可发展性复合材料具有除力学性能以外的许多功能（如声、光、电、磁、热等），使复合材料拥有吸波、透波、耐热、防热、隔热、导电、

15、记忆、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功能；同时与其它先进技术相结合，如与纳米技术结合发展的纳米复合材料、与生物、医学科学相结合发展的生物复合材料、与微机电、控制、传感技术等相结合发展的智能复合材料等复合材料的应用2009-2014年复合材料市场平均年增长率预测国防、航空航天领域应用国防、航空航天领域应用先进复合材料是国防、航空航天领域不可替代的关键材料之一，其水平和用量是国防、航空航天产品先进性的重要标志之一将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20 - 30%，这是其他先进技术无法达到的效果，因此其在航空航天领域应用日益广泛，继铝、钢、钛之后，已迅速发展成四大航空航天结构材料之一航空航天工业的

16、发展为先进复合材料提出了需求和经费支持，先进复合材料的成功应用促进了航空航天的进步。对先进复合材料的需求不断增加，体现了国防航空航天领域对先进复合材料研发的巨大牵引国防、航空航天领域应用国防、航空航天领域追求性能第一的特点，使得其成为先进复合材料技术率先实验和转化的战场导弹、战机的航程、速度和机动性不断提高，要求实现武器装备的轻质化和小型化，从而要求采用高比强度、高比模量的结构复合材料。航空航天复合材料从最初的木材、帆布、发展到铝合金、钛合金，再发展到复合材料，反映了航空航天技术的发展历史一直伴随着结构材料比强度、比模量不断提高的过程现在国外复合材料在武器装备上的应用有两个明显的技术特征，即范

17、围越来越大和性能越来越好复合材料轻质化是飞行器追求的永恒主题飞行需要克服地球引力不断追求更快、更远、更高、更长提高结构效率，提高能量利用率拓展服役条件的需求愈发强烈，许多新技术和创新的思想受限于材料技术，必须打破材料传统性渐进改进，创造新的多功能材料高性能轻质化材料和结构(基础)轻质热防护/热结构(关键)多功能材料与结构(热点)智能化(趋势)轻质化国防、航空航天的永恒主题降低结构质量提高结构效率增加有效载荷增加射程和续航能力减小能耗、降低成本机动性能和生存能力歼击机更新换代及其相关的关键材料歼击机代表机型技术特征关键材料第一代F-100超声速钢、铝合金（一代）第二代F-4全天候铝合金（二代）高

18、温合金（一代）第三代F-15高机动性高性能钛合金、定向凝固高温合金（二代）先进复合材料（一代）第四代F-22超声速巡航、非常规机动、隐身先进复合材料（二代）单晶高温合金（三代）军用先进材料技术在军机结构减重中的重要性及发展趋势010203040501960195019701980199020002010主动载荷控制及颤振控制自动化设计先进结构概念新材料及改进型材料年代 结构减重（）材料技术对军用飞机结构减重的贡献率达到70% 航空航空领域的材料体系更加强调性能和可靠性的综合，只有应用先进复合材料才能实现减重20%以上尾翼（垂尾和平尾）复合材料化：占结构重量达到5-7%机翼复合材料化：占结构重量

19、达到12-15%前机身和中机身复合材料化：占结构重量25%航空三十多年来走过了一条由小到大，由弱到强、由少到多、由结构到功能的发展道路，大致分为三个阶段第一阶段：用于舱门、口盖、整流罩以及襟、副翼、方向舵等操纵面上，受力较小、规模较小，于60年代末70年代初完成第二阶段：用于垂尾、平尾等受力较大、规模较大的尾翼一级部件，自70年代初始，至今仍在延续，现军机尾翼一级部件已均为复合材料的了。其中F-14的硼/环氧复合材料平尾于1971年前后研制成功，是复合材料发展史上一个重要里程碑，此后则有F-15、F-16、F-18、B1-B、幻影2000和幻影4000等，此时复合材料用量一般不超过结构总重的5

20、%航空第三阶段：用于机翼、机身等主要受力结构上、受力很大、规模很大。其中美国麦道飞机公司于1976年率先研制F-18的复合材料机翼，并于1982年进入服役，把复合材料用量提高到了13%，此后该公司又将复合材料用于AV-8B的机翼和前机身上，其用量为26%，使复合材料在飞机上的应用跨入了第三个阶段，自80年代初始至今此后世界各国较新研制的性能先进的军机机翼一级的部件已几乎无一例外地都是复合材料的了，机身也程度不同的采用了复合材料：如美国的B-2、F-22、F-35（JSF），法国的“阵风”（Rafale）、瑞典的JAS39、欧洲英、德、意、西四国的“台风”（EF2000），日本的F2、印度的LC

21、A、俄罗斯的C-37等目前军机上复合材料用量占结构总重的2050%左右不等航空四十年代的原子弹、五十年代的北极星导弹，高度机密机型复合材料用量(%)应用部位F-140.8平尾蒙皮、水平安定面抗扭盒F-151.6垂直安定面、方向舵、水平安定面蒙皮、减速板F-163.4垂直安定面抗扭盒、安定面前缘、方向舵幻影20008.4垂尾安定面抗扭盒蒙皮、方向舵、升降副翼、电子舱口盖、起落架舱门幻影400010.7垂直安定面、方向舵、升降副翼、鸭翼F-1812.1垂尾、平尾、操纵面、减速板、前缘、口盖、机翼翼面蒙皮AV-8B26.3翼身整流罩、发动机舱门、副翼、襟翼、升降舵方向舵、前机身、机翼抗扭盒蒙皮和结构

22、Rafale24操纵面、起落架舱门、检修门、鸭翼、机翼、机身（50%）EF200030垂尾、鸭翼、前机身、起落架舱门、进气道、机翼、机身JAS3930垂尾、鸭翼、前机身、起落架舱门、进气道、机翼F-2226垂尾、平尾、升降副翼、襟翼、口盖、起落架舱门、机翼、前机身、中机身B-250迄今最大的52米翼展复合材料结构X-29-前掠翼X-31A17前机身蒙皮、进气道、前翼、垂尾、方向舵、机翼蒙皮V-2251机翼整体壁板、梁、肋、前后缘机翼、尾翼航空航空航空结构功能一体化美国于1988年相继公布了“F-117A”隐身战斗机和“B-2”隐身轰炸机研制成功的信息；1990年披露了“AGM-129A”先进隐

23、身巡航导弹已经进行试飞；1993年公布了“海影号”隐身战舰试航的消息；同时指出：“对各军兵种来说，拥有一种隐身武器，可能与五十年代拥有一种和能力具有同样的重要性”美国第四代先进战术战斗机“F-22”已经装备部队，该机实现了隐身、速度和机动性的高度统一，其雷达散射截面仅为0.05m2，比“F-15”下降了100倍以上航空隐身飞行器上无一例外地大量采用了复合材料。如“B-2”机身结构，除主梁和发动机采用钛合金外，其余皆由碳纤维和石墨纤维等复合材料构成；“F-22”前机身复合材料用量占50%、中机身占30%，机翼占38%，比例相当可观B-2”和“F-22”上采用了结构新型吸波材料。它由具有不同电磁特

24、性和力学性能的树脂基体、增强纤维、吸收剂和特种蜂窝芯材所组成。该结构的最外层具有良好的透波性能，而底层为全反射层，以阻止雷达波束进入机（弹）体内部，中间层为经过阻抗匹配设计的吸收损耗层，包括特种蜂窝芯材，在蜂窝空格中可以填充吸波材料，对雷达波起到“透”、“吸”、“散”的作用。该结构型吸波材料能够吸收较宽频带的雷达波，同时具有良好的力学性能，是一种多功能材料F-117材料应用情况PEEK-聚醚醚酮F-22材料应用情况25% （24%为热固性树脂复合材料，1%为热塑性树脂复合材料，几乎覆盖了飞机的全部外表面）B-2材料应用情况B-2隐身轰炸机的机身结构，除主梁和发动机采用钛合金外，其余皆由碳纤维纤

25、维复合材料构成，美国有个比较，其结构成本与黄金几乎相当B-2材料应用情况航空发动机提高动力装置性能的最有效的两个因素是提高工作温度和减轻结构重量，在极大程度上依赖于高温结构材料的发展要使发动机推重比达到15-20，其中70%要靠创更高使用温度、更高比强度新材料的突破及其相应结构设计的革新 航空发动机第四代高温合金单晶，使用温度提高到1100以上，但其发展遇到了使用温度极限与成本极限的挑战陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料比金属结构材料更耐高温、密度更低的优点特别引人注目，成为发展先进武器装备重要的高温结构材料之一，潜在服役温度可达1650以上 航空发动机航空发动机中国军用飞机F8II2G Figh

26、terM=2.21984机翼尾翼前机身鸭翼主起落架护板中国军用飞机Vertical Composite Stabilizer (Black Section in Figure)Composite Forward Fuselage (Black Section in Figure)Aircraft vertical tail made of carbon fiber compositesComposite aircraft wing with integral fuel tankCo-cure and Co-bonding technique of AerofoilCo-Cured Bonded

27、 Panel with Ribs(3220mm1050mm)Multi-wall and -structural Co-Cured bonded wing surface3880mm1550mmMulti-wall and multi-frame Co-cured Structure(1720mm720mm) By-pass air duct of aeroengine Materials:T300/BMP316Inside and outside elevonsMaterials:T300/QY8911,NOMEX HoneycombStitch/RTMStitch/RFIZ-9在 Z-9直

28、升机中复合材料用量占总重量 25%关键部件如主螺旋桨和80%的机身等EC-120EC-120 由中国、法国、新加坡联合研制的中国独立研制了全碳纤维复合材料的前舱罩框架可扭曲的、变截面的空心管状结构,结构重4Kg，比金属结构节省重量40%大型民机第一阶段：受力很小的构件：前缘、口盖、整流罩、扰流板等，该阶段约于70年代中期结束第二阶段：受力较小的部件：升降舵、方向舵、襟副翼等。1975年NASA开始执行ACEE计划（飞机节能计划）：减重、节油、增加商载。该阶段约于80年代初结束第三阶段：受力较大的部件：平尾、垂尾仍在ACEE计划下执行，该阶段约于85年前后完成第四阶段：在生产型飞机上正式设计应用

29、大型民机机型类别最大起飞重量结构重量复合材料用量图204近-中程/150-186座/窄机身93.529.43.2伊尔96-300中-远程/187-250座/宽机身230654.02A-300-600中-远程/251-350座/宽机身165516.2A-310-300中-远程/187-250座/宽机身15044.76.2A-320近-中程/150-186座/窄机身7220.84.5A-340中-远程/251-350座/宽机身2357611B-777中-远程/350座以上/宽机身-9.9大型民机国外客机A3105垂直安定面抗扭盒A3205.5垂直安定面、水平安定面、外侧襟翼A3408中央翼盒、襟翼

30、B-7673襟翼、副翼、整流装置B-77711尾翼等MD-11-副翼、襟翼、外翼蒙皮MD-12-机翼翼盒的蒙皮及其它次要构件大型民机大型民机波音：B777：共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%B7E7：（Sonic cruiser）：拟采用60%空中客车A320、321、322：15%A380：25%，32吨支线客机和公务机：10-20%大型民机Boeing-777大型民机欧洲Airbus-A380双层，500-650人，2004首飞，2006交付中央翼盒、部分外翼、机身上蒙皮壁板、地板梁、后隔板框、垂尾、平尾等使用复合材料仅碳纤维复合材料用量可达32吨左右，加上其他各种复合材料，估计总用

31、量在25%左右开创大型民机大量使用复合材料的先河超混杂复合材料Glare大量采用（耐疲劳）热塑性复合材料（机翼前缘）复合材料焊接技术大型民机最大起飞重量：560吨典型座位： 555个最大航程：15000km每座油耗比747-400降低12%复合材料中央翼盒，减重1.5吨大型民机大型民机Airbus-A380超混杂纤维增强复合材料Glare是玻璃纤维增强铝合金层板，与以前发展的芳纶纤维增强铝合金层板ARALL相比，除成本较低外，还具有极好的双轴向承载和适于机身的疲劳性能大型民机大型民机A350A340波音777A380波音787复合材料用量A350：52%B787：50%A380：25%A340

32、：13%B777：11%B757： 4%B767： 4%1970 1980 1990 2000 20100%10%20%30%40%50%波音757/7677E7（Boeing 787）7E7客机将是第一架包括机翼和机身在内大部分主体结构由复合材料制成的商用喷气式客机项目专家说，改用复合材料这一飞机设计的重大变革可能会给全球的铝工业带来沉重打击 波音民机集团副总裁迈克拜尔（Mike Bair):“复合材料为我们提供了多种优势，如耐用性更强、维修率更低，而且未来具有极大的研发潜力，我们相信，随着人类飞行进入第二个世纪， 这一选择将帮助波音在采用现代化的材料技术方面，占据优势地位”China大型民

33、机塑料飞机大型民机中央翼盒大型民机A 350-波音787的竞争机型不断修改设计方案，提高复合材料用量2004年：40%2006年初：45%2006年底：52%大型民机大型民机大型民机C919轻型飞机、通用航空（70-90%）小型民机又称轻型飞机，一般乘员不超过9人，该类飞机用复合材料量最大，有许多全复合材料飞机（90%以上），如Lear Fan2100、AVTEK400、Lancair320、Starship 1、 Voyager等其中Starship 1（星舟1号）是第一个获得FAA合格证的全复合材料飞机，Voyager（旅游者号）于1986年创下了不加油，不着陆连续环球飞行9天、40252

34、km的世界纪录通用航空是指除军用航空和民用运输航空以外，为国民经济各行各业服务的所有航空活动的总称，该领域多与轻型飞机相关，在我国具有较大的发展空间 Voyager直升机（50-80% ）包括军用直升机、民用直升机和轻型直升机，在各种直升机上先进复合材料的用量均较大，超过军机、民机的用量美国有ACAP （Advanced Composite Application Plan）计划。在此计划下研制了H360，S-75，BK-117、V-22等均大量应用了复合材料典型的V-22，可垂直起落、倾转旋翼后又能高速巡航，用复合材料3000公斤，占结构总重的50%左右；RAH66（50%）；欧洲的Tige

35、r，虎式武装直升机用量更高达80%直升机直升机直升机台湾纬华直升机公司的ULTRASPORT系列超轻型直升机为全复合材料直升机，双座的轻达180kg，创造了当时的世界之最无人机（50-80%）各种无人机，包括无人侦察机和无人作战飞机（UCAV-Uninhabited Combat aerial Vehicle），作为一种新型航空作战武器是当前发展研究的一个热点无人机具有低成本、轻结构、高机动、大过载、长航程、高隐身、低使用寿命、长储存寿命的鲜明技术特点，这些特点决定了其对减重有迫切的需求，从而对复合材料有迫切的需求各种无人机上复合材料的用量较有人机的要大，一般在5080%之间，有的甚至是全复合

36、材料飞机无人机全球鹰（Global Hawk）、捕食者(Predator）、暗星（Dark Star）等，以色列的先锋（Pioneer）、搜索者（Searcher）等均为全复合材料无人机UCAV中的X-45A，2000年9月27日出厂、 2002年5月22日首飞X-45B，将于2005年首飞，批生产时可能完全由复合材料制成 （90%以上）X-47（为海军用）于2001年2月出厂，2002年交首飞，基本上为全复合材料飞机Composites X-47 Pegasus国防、航天领域应用弹、箭、星、船最大限度地追求复合材料化弹箭主体结构、弹头、整流罩、固体火箭发动机等各个部位卫星承力结构、天线、太阳

37、电池帆板等运载火箭Rocket fairing“#” shape beamCarbon/Epoxy Winding structure component (inner stiffened shell structure)Carbon/Epoxy Composite component (inner and outer stiffened shell structure)Large cylindrical part co-cured(1400mm350mm)固体火箭发动机DFH-2 Satellite Apogee Kick MotorApogee motor for DFH-2A pract

38、ical communication satellite 国防、航天领域应用战略导弹弹头减少1Kg结构重量，增加射程20Km战略导弹三级固体火箭发动机减少1Kg结构重量，增加射程16Km某第三级固体发动机壳体采用碳/环氧复合材料后，结构质量由原来的116千克降为46千克，仅此就将导弹射程提高1000Km以上国防、航天领域应用国防、航天领域应用国防、航天领域应用SSTO、TSTOCAVHCV 突破MD体系的战略威慑 时间敏感性目标快速打击 远程快速到达和运送 快速、可靠、廉价进出空间发展大气层内高超声速技术国防、航天领域应用国防、航天领域应用AlTi / JP-7Steel国防、航天领域应用上世

39、纪六十年代，由NASA牵头的 X-15高超声速研究项目创造了6.72马赫和108,000米的速度与升限的世界记录，关键部位主要采用了耐高温金属材料体系 国防、航天领域应用HRSI (Black) TilesLRSI (White) TilesAFRSI BlanketsFRSIRCCGlassExposed Metallic Surfaces每个航天飞机上有24300块陶瓷防热瓦，覆盖整个轨道运载器外表面的70%，没有两块防热瓦有相同的外形，但总体上防热瓦的尺寸范围在150-150mm到200-200mm，厚度在5-90mm之间国防、航天领域应用国防、航天领域应用柔性重复使用表面隔热材料（FR

40、SI）先进柔性重复使用表面隔热材料（AFRSI）重复使用表面隔热材料（RSI）增强碳/碳复合材料（RCC）371816126017606997$/m221528$/m2107639$/m2322917$/m20.73-1.22Kg/m26.10Kg/m24.39-17.09Kg/m236.13Kg/m2278.7m2278.7m2464.5m237.2m2防热能力可维护性表面粗糙耐久性可重复使用性高成本国防、航天领域应用ACC国防、航天领域应用2010年4月23日7时52分，美国空军的X-37B轨道试验飞行器在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地首次发射升空，引起世界的广泛关注，开展新型可重复使用热

41、防护系统验证是其飞行的主要任务之一X-37B关键技术新型热防护系统和材料先进复合材料主承力结构及一体化制造陶瓷基复合材料热结构结构健康监测国防、航天领域应用国防、航天领域应用2010年4月23日下午四点，美国Falcon HTV-2A由米诺陶-4（Minotaur IV）固体运载火箭在范登堡空军基地发射升空，米诺陶-4是和平卫士洲际导弹改装而来，这是首次亮相，HTV-2也是目前HTV系列仅存的飞行器FALCONHCVECAVCAVSLVHTV-1地面试验HTV-2Ma=13-20HTV-3Ma=10，ReuseHTV-3XMa=6，TBCCL/D：2-2.5L/D：3.5-4L/D：4-5国防

42、、航天领域应用在美国Falcon计划中，考虑到HTV-2的高温长时间和HCV可重复使用要求，选择了五类材料技术领域开展研究，并认为是达到未来HCV目标的关键使用温度小于1650的翼前缘材料使用温度大于1650的纤维增强复合材料高温多层绝热材料（IMI）大面积热防护系统高温密封材料国防、航天领域应用HTV-1因防热结构实现问题未能突破而取消，HTV-2简化了外形方案（气动、材料、性能的折中），近期防热材料实现耐环境能力达到1000秒左右，而进入飞行验证阶段国防、航天领域应用失去联系国防、航天领域应用Reusable launch Vehicle（RLV）Space Operations Vehi

43、cle (SOV)Hypersonic Cruise Vehicle (HCV)Common Aero Vehicle (CAV)Enhanced CAV (ECAV)Expendable Launch Vehicles（ELV）Small Launch Vehicle (SLV)国防、航天领域应用可重复使用空天运输系统关键技术对系统轻量化的影响国防、航天领域应用贮箱结构形式为二层薄轻质碳纤维复合材料层板，中间为浸树脂Kevlar纸蜂窝，环氧树脂胶粘接关键技术为耐低温树脂的研发及其固化工艺实验未能成功：其破坏的直接原因是由于低温导致树脂基体开裂，氢气泄漏，升温后裂纹愈合，将气体包裹在里面X-3

44、3复合材料液氢贮箱国防、航天领域应用临近空间高超声速飞行器对于对结构重量系数（结构质量/起飞质量）有着强烈的要求对SSTO这样有代表性的吸气式推进为动力的飞行器，采用低温燃料，燃料重量占到约75%，总体设计研究表明SSTO飞行器的结构重量系数必须接近0.15目前服役的超声速军用飞机结构重量系数才在0.30左右，燃料比例和结构重量系数的增加意味着需要提高起飞总重或减少有效载荷国防、航天领域应用X-43“Stratellite ”飞艇HCV太空船1号 HAAHelios国防、航天领域应用浮力 = ( air - helium ) x Volume气动升力 = air V2 CLA阻力 = airV

45、2CDA重力（巨型结构+蒙皮+能源+动力+控制+有效载荷+）CGCB20Km：每1m3只能提供越0.060Kg浮力30km：每1m3只能提供0.014Kg浮力国防、航天领域应用20km，细长比4:1飞艇外形材料面密度400g/m2长：270m总重：47吨30km，细长比4:1飞艇外形材料面密度400g/m2长：850m总重：300吨蒙皮占主要重量国防、航天领域应用巨型框架和支撑结构（几百米的量级）先进复合材料/充气承力结构设计/材料/连接/动作民用领域复合材料的应用基础设施建设大型建筑、桥墩、水坝、桥梁等 石油工业原油输送、生产、贮存、致冷设备、气缸、海上平台等 交通运输业汽车结构件、纤维增强

46、高速公路路面及配套设备、铁路牵引机车和车辆、舰船壳体和辅助构件、高性能自行车等能源工业火力发电的通风、管道、冷却系统，水力发电的电站、坝体和隧道建设以及风力发电、太阳能发电等新能源方面体育、娱乐产业高性能体育器械：网球、棒球、高尔夫、赛车、滑雪、鱼杆等生物、医学领域电子、信息产业民用领域复合材料是典型的军民两用技术，民用领域的规模远远大于军用领域，以CFRP为例宇航应用：18%体育休闲用品：37%工业应用：45%体育用品这是一个开发较早，有稳定需求的应用领域高尔夫球拍：4000万只/年，约占总数的80%以上，“已碳化了” ，其他各种球拍（网球拍、羽毛球拍等）500600万只/年，几乎独占市场钓鱼杆：1200万只/年，约占总数的50%以上自行车：12万辆/年其他：赛艇、赛车、弓箭、滑雪板、杆等等。前4项约占CF耗量的85%左右，其他只占15%左右我国的台湾有“复合材料体育用品王国”之称，但近年来已向大陆转移。台湾碳纤维约有3000吨/年的产能体育用品体育用品