复合材料及应用-本科生-上传

1、先进复合材料及其在飞行器中应用一、前 言二、复合材料三、复合材料在飞行器中的应用四、自润滑复合材料主 要 汇 报 内 容前 言 轻量化、高效能、长寿命、高可靠、低成本是飞行器结构发展的主要目标。 先进复合材料具有质轻、高强、可设计、抗疲劳、易于实现结构/功能一体化等优点，因此，在航空航天领域得到迅速发展，成为继铝、钛、钢之后的四大结构材料之一，复合材料用量已成为飞行器先进性的一个重要标志。 世界各国都非常重视并制定系列计划推进先进复合材料在航空航天领域的研究与应用。 1. 飞行器与复合材料前 言 先进复合材料于上世纪60年代中期一问世，即首先用于飞行器结构上，以航空用树脂基复合材料为例，近40

2、年来复合材料在飞机结构上应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能的发展道路。就复合材料用量而言，先进的F-22、F-35、B-2等军机其复合材料用量均达到25%以上，民机也是如此，新研制的A380复合材料用量达25%，而B787和A350分别高达50%和52%，直升机、无人机用量更高，达到90%以上。 前 言 复合材料是实现飞机现代化的必由之路，飞机结构复合材料化也是大势所趋。未来飞机为了进一步达到结构减重与降低综合成本，复合材料用量将不断继续增长。美国一报告中指出：到2020年，只有复合材料才有潜力使飞机获得20%25%的性能提升，复合材料将成为飞机的基本材料，用量将达到

3、65。 材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。历史上，人们将当时的主导材料作为时代发展的标志， 石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代 发展得越来越快 前 言2. 材料的发展 材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。 简单地说，材料是人类可用来制造有用器件的物质。 当前材料、能源、信息和生物技术是现代文明的四大支柱，材料又是其他技术的基础。材料技术的每一次重大突破，往往可引起其他产业技术的革命，甚至引起人们生活的极大改善，如钢铁材料和铝镁等轻金属材料的出现，大大推动能源、汽车、航空及其他工业的飞速发展；半导体

4、材料和微电子材料的出现又为信息技术的建立和发展打下了牢固的基础。近些年来，生物材料的出现，可为生物技术、医疗、农业、食品等带来新的革命。前 言新材料金属材料非金属材料高分子材料复合材料金属结构材料金属功能材料树脂基复合材料特种玻璃集成电路材料磁记录材料人工单晶材料新陶瓷材料金属基复合材料陶瓷基复合材料超导材料贮氢合金形状记忆合金光学性能玻璃导电性能玻璃优异机械性能玻璃敏感元件陶瓷超硬陶瓷电气陶瓷黑色金属有色金属生物医学材料前 言 现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的发展；同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。 高温、高压、高强度、低密度、耐磨、抗腐蚀、柔韧性。传统材料：金属、无机非金属、有机

5、高分子材料各有千秋。各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要。前 言复合材料 复合材料：扬长避短、协同效应克服单一材料的缺点，产生新性能。 用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或组元），通过人工复合而成 的，具有特殊性能的多相固体材料-复合材料。 各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。复合材料传统复合材料：6000年前人类就已经会用稻草加粘土作为建筑复合材料。 复合材料水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝等的建筑，发挥着极为重要的作用。近代：玻璃纤维增强塑料（1940年1960年）；先进复合材料（1960年

6、）： 碳纤维、Kevlar增强环氧树脂，碳纤维增强金属基复合材料、陶瓷基复合材料、功能复合材料、智能复合 材料。复合材料我国世界闻名的传统工艺品漆器，就是由麻纤维和土漆复合而成的，至今已有4000多年的历史 彩绘变形鸟纹双耳长盒 西汉复合材料人造义肢炭纤维布加固和修复复合材料昆明世博园玻璃钢游览车玻碳纤维自行车架全碳滑雪用品复合材料具有可设计性；人工制造而非天然形成的；性能取决于各组分性能及协同效应；组元间有明显界面或呈梯度变化的多相材料。特点复合材料可设计性： 复合材料的力学、物理性能除了由纤维、树脂的种类及体积含量而定外，还与纤维的排列方向、铺层顺序和层数密切相关。因此，可以根据工程结构的

7、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、经济合理。复合材料的基本结构模式 复合材料由基体和增强剂两个组分构成：基体：构成复合材料的连续相； 增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的分布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著改善和增强。 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大，或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。 增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。复合材料复合材料复合材料的分类 1、按性能分类 ： 普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强普通聚合物复合材料，如玻璃钢

8、、钢筋混凝土等。 先进复合材料：高性能增强剂（碳、硼、氧化铝 SiC 纤维及晶须等）增强高温聚合物、金属、陶瓷和碳（石墨）等复合材料。 先进复合材料的比强度和比刚度应分别达到 400MPa / (g / cm3) 和40GPa / (g / cm3) 以上。复合材料2、 按基体材料分类： 聚合物复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳碳复合材料3、 按用途分类 结构复合材料 功能复合材料 结构 / 功能一体化复合材料 4、按增强剂分类 颗粒增强复合材料 晶须增强复合材料 短纤维增强复合材料 连续纤维增强复合材料 混杂纤维增强复合材料 三向编织复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料复合材料

9、 复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。 复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。 复合材料的基本性能（优点）： 1、高比强度、高比模量（刚度）： 比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）, 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。复合材料 2、良好的高温性能： 目前： 聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C； 金属基复合材料按不同的基体性能，

10、其使用温度在350 1100 C范围内变动； 陶瓷基复合材料的使用温度可达1400C； 碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。复合材料3、良好的尺寸稳定性： 加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料的热膨胀系数。复合材料4、良好的化学稳定性： 聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。5、良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性： 陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善6、良好的功能性能典型复合材料性能-聚合物复合材料材 料GFRP玻璃纤维增强热固性塑料（玻璃钢）CFRP 碳纤维增强热固性塑料 钢铝钛密度, g/c

11、m32.01.6 7.82.8 4. 5拉伸强度,GPa1.21.81.4 0.48 1. 0比强度600 1120 180 170210拉伸模量,GPa 42130 210 77110比模量21 81272725热膨胀系数(10-6/K)8 0.2 12 23 9.0复合材料复合材料增强相含量VoL%抗拉强度MPa拉伸模量GPa密度g/cm3 AlBF /AlCVD SiCF /AlNicalon SiCF /AlCF /AlFP Al2O3 F/AlAl2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVD SiCF/TiBF / Ti050503540355050182020354548012

12、00-15001300-1500700-900500-800650900500-620400-5101500-17501300-15007720022021023095 11010015022013096 138100210 2302202.82.62.853.02.62.43.32.92.82.83.93.7复合材料典型复合材料性能-金属基复合材料材料整体陶瓷颗粒增韧晶须增韧金 属Al203ZrO2/Al203SiC/ Al203铝钢断裂韧性2.74.26.51581033444466复合材料典型复合材料性能-陶瓷基复合材料聚合物基复合材料 复合材料由增强材料和聚合物基体组成。基体的三种主要

13、作用是：把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；保护纤维不受环境影响。在复合材料的成形过程中，基体经过一系列物理的、化学的和物理化学的复杂变化过程，与增强纤维复合成具有一定形状的整体。因此，基体材料的性能直接影响复合材料的性能，而它的工艺性则直接影响复合材料的成形方法与工艺参数的选择。复合材料聚合物复合材料的性能（1）高比强、高比模量。（2）设计性强、成型工艺简单。 （3）热膨胀系数低，尺寸稳定。（4）耐腐蚀、抗疲劳性能好。 （5）减震性能好。（6）高温性能较好。 （7）安全性能好。复合材料复合材料密度复合材料拉伸强度复合材料弹性模量复合材料比强度比模量 聚合物基复合材料的基体材料是树脂，用作基材的

14、树脂首先要具有较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老化性能，并且要施工简便，有良好的工艺性能。树脂大致可分为热固性树脂和热塑性树脂两类。前者有环氧树脂、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用方法上有很大的不同。复合材料聚合物基体复合材料复合材料 增强材料: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。增强相：一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受载荷或显示功能。颗粒 均布、各向同性纤维（长、短纤维和晶须） 各向异性或同性 层片 各向异性复合材料碳纤维复合材料碳纤维是由有机纤维经高温固相反应转变而成的纤维状

15、聚合碳，主要成分为碳的无机纤维。 具有重量轻、强度高、模量高、导电、导热、膨胀系数小、自润滑、耐高温、化学稳定性好，优良的X射线透过性，阻止中子透过性等特点。 由于价格高，一般用于要求高强、耐高温的重要结构件，如航天航空、高档体育器材中。复合材料碳纤维的分类1.根据碳纤维的性能分为： 高强、高模、中模和低性能碳纤维T300(3.5GPa)、 T700(4.9GPa)、 T800、 T1000 1k(1000)高性能型碳纤维抗拉强度在2000MPa以上，主要用于航天、航空和军工等领域；通用型碳纤维抗拉强度在6001200MPa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。其

16、它：活性碳纤维、气相生长碳纤维、纳米碳纤维等复合材料2.根据原丝类型分类 聚丙烯腈基纤维 人造丝基(粘胶)纤维 沥青基纤维 木质素纤维基碳纤维 其它有机纤维(多环结构的天然纤维，再生纤维等) 复合材料制备方法碳化法 生产长纤维拉丝： 制有机长纤维牵伸： 规整环状结构，使其平行于轴向，提高结晶度。 氧化稳定：低温，400 ，防止热塑化。碳化： 10002000，保护性气氛下，脱氢、交联、环化， 得乱层环状石墨。石墨化： 20003000，乱层环结构向三维石墨结构转化，形成 聚合碳结晶，并平行于轴向。密度、强度、弹性模量增 高，热膨胀系数下降。但温度过高强度反而下降。气相法 生产短纤维 惰性气氛，

17、高温分解小分子有机物（烃类），气相沉积纤维结晶。复合材料复合材料碳纤维编织布碳纤维板碳纤维碳纤维编织环碳管复合材料碳纤维高尔夫球杆碳纤维结构件碳纤维自行车碳纤维齿轮C/C轴承止推环芳纶纤维: 芳纶学名叫芳香族聚酰胺纤维，是以含苯环的二氨基化合物与含苯环的二羧基化合物为原料制成的，属于聚酰胺纤维。芳纶所用原料不同有多种牌号，如尼龙6T、芳纶1414、芳纶14、芳纶1313等。其中以芳纶1414、芳纶1313最为成熟，产量最大，使用最多。复合材料复合材料 芳纶发明于20世纪60年代，由美国和苏联等首先研制成功，并于70年代投入工业化生产。目前美、德、日、俄等国已生产芳纶1414，总生产能力为4.1

18、万吨/年。美、日、俄等国生产芳纶1313，总生产能力为2.4吨/年。 我国于20世纪70年代开始研究芳纶，已基本上掌握了其生产技术及工艺条件，但这种产品的生产工艺过程复杂，对技术与设备的条件要求很高，目前只有小规模生产。 芳纶1414的商品名叫凯芙拉（Kevlar），所用原料是对苯二甲酰氯和对苯二胺。 Kevlar被称作高强度、高模量纤维，其强度是普通锦纶或涤纶纤维的4倍，为钢丝的5倍、铝丝的10倍。冲击强度可比金属高6倍。模量为锦纶的20倍，比玻璃纤维和碳纤维的模量都高。使用寿命比玻璃纤维长310倍。长期使用温度为240，在400 以上才开始烧焦。缺点是横向强度低，压缩和剪切性能差。 复合材

19、料密度1.44，比各种金属都要轻得多。化学性能很稳定。主要用于航空航天和国防军工领域，主要用于制作各种复合材料，用于空间飞行器、飞机、直升飞机等的内部及表面，还可用于宇宙飞船、火箭发动机外壳、导弹发射系统。可用于制作防弹衣、防弹头盔、轮胎帘子线和抗冲击织物。复合材料复合材料复合材料芳纶编织布芳纶复合防弹衣芳纶纤维防弹头盔自行车链轮航空、航天器玻璃纤维: 最早用于聚合物基复合材料的一种增强材料。美国于1893年即研究成功玻璃纤维，1938年工业化并作为商品出售，40年代初即应用于航空工业。复合材料 玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。

20、它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺。最后形成各类产品，玻璃纤维单丝的直径从几微米到二十几微米，相当于一根头发丝的 1/20-1/5 ，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成，通常作为复合材料中的增强材料。 复合材料 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，一般来说直径越细，拉伸强度越高；拉伸试件越长，强度越小。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1/3。弹性模量低是其主要缺点。玻璃纤维受力时，其拉伸应力-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

21、征的弹性材料。它的扭转强度、剪切强度均较其它纤维低。复合材料复合材料 玻璃纤维还具有耐热、耐腐蚀、优良的电绝缘性能与光学性能。玻璃纤维外观为光滑的圆柱体，断面为圆形。由于其表面光滑，与树脂结合力小，需加偶联剂才能与树脂结合。 玻璃纤维生产用的最广泛的方法是坩埚法拉丝和池窑漏板法拉丝两种。玻璃纤维制品主要有纤维布、纤维毡和纤维带等。玻璃纤维布可分为平纹布、斜纹布、无捻粗纱布（方格布）、单向布、无纺布等。玻璃纤维毡又分为短切纤维毡、表面毡及连续纤维毡等。复合材料复合材料制玻璃球铂金坩埚熔融小漏孔拉丝 （102、204、408孔）涂浸润剂并股成纱纺织成布、毡或带。 坩埚炉复合材料复合材料 池窑拉丝是

22、国际上普遍采用的玻璃纤维生产新工艺，该技术特点是，采用重油或燃气加热单元窑，粉料直接熔化成玻璃，经燃气加热的成型通路，由多台（数十到上百台）漏板同时拉制各种规格的玻璃纤维原丝。具有生产规模大、效率高、能耗低、产品质量好等优点，能适应800至4000孔大漏板拉丝成型的要求，是生产高质量、低成本玻璃纤维材料的最佳方法。复合材料玻璃池窑池窑拉丝复合材料湿法毡生产线复合材料复合材料玻璃钢采光板玻璃钢汽车保险杠玻璃钢型材透光型玻璃钢体育馆采光赛艇、帆船壳体复合材料的组成基体Matrix增强体Reinforcement界面Interface复合材料复合材料一、典型界面结合：物理结合是一种比较弱的结合方式。

23、1.物理结合 （机械咬合 + 次价键结合）液态基体渗入纤维表面微孔，固化后形成咬合界面。粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理结合。极性树脂：酚醛、聚酰胺、环氧等，与极性纤维具有良好的润湿性，并可形成次价键结合。非极性树脂：聚乙烯、聚丙烯。聚四氟乙烯等，结合力弱，复合效果差。CF表面极性差，经氧化后可提高结合力。复合材料2.扩散融合 两相成分不同，经扩散或熔融形成过渡层，性质介于两相之间，结合力较强。 金属与陶瓷基复合温度较高，小分子和原子易于扩散，较常见。 3.化学结合 化学键结合力强。但当两相亲合力过强，可能发生化学反应，界面形成较厚的脆性化合物时，性能反而下降。a是玻纤增强PP的冲击试

24、样的断口扫描电镜照片，（a）是加入MPP相容剂的玻纤增强体系，( a）中玻璃纤维与基体的结合较好，纤维拔出较少.复合材料（b）是未加相容剂的玻纤增强体系。（b）中有大量的玻纤从基体中拔出，证明与基体的粘接性较差，因而体系的力学性能不高。复合材料 先进复合材料技术的实际应用，在飞行器设计与制造中具有重要的地位。这是因为复合材料的许多优异性能，如比强度和比模量高、优良的抗疲劳性能、独特的材料可设计性、以及成型加工性能优良等，都是飞行器结构盼望的理想性能。复合材料在飞行器中应用比强度和比模量高 比强度和比模量这两个参量是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和比模量较高说明材料重量轻，而强度和刚度大。这

25、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、导弹和卫星等机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复合材料的比例。复合材料在飞行器中应用 减轻结构的重量可大大节约飞机的使用成本，据国外有关资料报告，先进战斗机每减重1kg，就可节约1760美元。西方国家在很短的时间内就实现了从非受力件和次受力件到主受力件应用的过渡，无论是用量还是技术覆盖面都有了很大的发展。目前正在研制的战斗机中所使用的复合材料可占飞机结构总重量的50%以上。复合材料在飞行器中应用 高性能飞行器结构重量轻，还可以减少燃料消耗，延长留空时间，飞得更高更快或具有更好的机动性；也可以安装更多的设备，提高飞行器的综合性能。 飞机

26、隐身技术的发展与应用，进一步扩大了对复合材料技术的需求。在继民用飞机中出现全复合材料飞机之后又出现了全复合材料机身的隐身轰炸机。复合材料在飞行器中应用耐疲劳性能好 一般金属的疲劳强度为抗拉强度的4050%，而某些复合材料可高达7080%。复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，没有突发性的变化。因此，复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救。纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能。用复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长数倍。复合材料在飞行器中应用减振性能良好 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。用同形状和同大小的两种粱分别作振动试验

27、，碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属粱要短得多。复合材料在飞行器中应用过载安全性好 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，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。复合材料在飞行器中应用耐热性能好 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度高很多。普通铝合金在400时，弹性模量大幅度下降，强度也下降；而在同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的铝合金的强度和弹性模量基本不变。复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。复合材料在飞行器中应用全复合材料机身飞机

28、（Lear Fan 2100）复合材料在飞行器中应用B2隐形轰炸机复合材料在飞行器中应用F-18战斗机复合材料在飞行器中应用波音767客机复合材料在飞行器中应用TAG公司推出全复合材料机体无人直升机 复合材料在飞行器中应用 如今，复合材料在飞机上的应用已非常广泛，复合材料在总材料中的比例逐步提高，成为衡量飞机结构先进性的重要指标。相对而言，常规的金属材料占比越来越小。 与波音777飞机相比，复合材料在波音787中的占比有很大提升，达到50%，远超过铝所占的20%。而波音777中复合材料约占12%，铝占50%。 复合材料在飞行器中应用复合材料在飞行器中应用波音787复合材料的使用 复合材料在飞行

29、器中应用典型桶状机身：1,500张铝板共40,00050,000个紧固件。复合材料桶状机身：紧固件减少了80%。 从国内情况看当前国内飞机型号应用复合材料的比例越来越高，应用复合材料的部件越来越大，复合材料构件的结构也越来越复杂，复合材料构件已经逐步从次承力构件到主承力构件转变，复合材料的垂直安定面、水平尾翼、前机身、舱门、整流罩等构件已在多种型号飞机上使用并形成了批量生产能力。机翼、旋翼等主承力构件也已经在小批量生产。复合材料在飞行器中应用 目前国内复合材料在飞机上应用最多的是新研制的中、高空长航时无人机，其机体复合材料的使用量达到70%，机翼翼展18米，为全复合材料结构；其中，机翼整体盒段

30、运用设计工艺一体化技术，将机翼的前、后梁，上蒙皮和所有中间肋整体共固化成型，在复合材料应用技术上有所突破。在自行设计制造的某新型武装直升机上，大量采用了复合材料，其机身结构、主桨叶、尾桨叶和尾段为全复合材料结构。复合材料在飞行器中应用长航时无人机某新型武装直升机复合材料在飞行器中应用复合材料在飞行器中应用用作航天系统及武器的复合材料树脂基复合材料 具有质量轻、强度和刚度高、阻尼大的特点，可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构复合材料。与常规金属材料相比，可减轻构件质量20%60%。主要材料有石墨/环氧、硼/环氧、石墨/聚酰亚胺和聚醚酮等。国内外在防空导弹天

31、线罩的制造中也应用或正在开展应用工作。复合材料在飞行器中应用金属基复合材料 以金属或合金为基体、并以纤维、晶须、颗料等为增强体。高比强度、比刚度、良好韧性和塑性、低膨胀系数、良好的导电和导热性、抗辐射、抗激光及制造性能好，在太空环境不放气，按所用的基体金属和增强体的不同，工作使用温度范围约在3001200。用于先进载人器的起落架等机身辅助结构以及惯性器件和仪表结构等。主要材料有碳化硅/铝、氧化铝/铝、碳化硅/钛、碳化硅/钛铝化合物和石墨/铜等。复合材料在飞行器中应用 陶瓷基复合材料 具有使用温度高、抗氧化性和抗微裂纹性能好、质量轻、强度和刚度高特点，可用于航天飞机的机头锥、机翼前缘热结构和盖板

32、结构。主要材料有碳/碳化硅、碳化硅/碳化硅、硼化锆/碳化硅和硼化铪/碳化硅等，其中硼化物陶瓷基复合材料被认为是抗氧化最强的高温材料，耐热温度达2200。复合材料在飞行器中应用碳/碳复合材料 以碳或石墨纤维为增强体。具有良好的抗氧化性、耐高温和高应力，是现有复合材料中工作温度最高的材料。主要用于载人航天器的热结构、面板结构和发动机喷管烧蚀防热结构等。超轻、超刚性结构用的石墨泡沫材料（SGF）目前正在研究中，它有可能用于包括机翼、无人机及卫星在内的结构件。复合材料在飞行器中应用 一半以上的碳/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、刹车力矩平稳、噪音小等优点。 前苏联的“

33、暴风雪”号航天飞机所用的复合材料达5t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1600。 美国“哥伦比亚”号航天飞机在头锥和机翼前缘也使用了碳/碳复合材料，工作温度大于1200。美国国防部将研制碳/碳部件和轻质航天器材料技术作为重点高技术范畴加以保护。 复合材料在飞行器中应用复合材料在飞行器中应用复合材料在飞行器中应用复合材料在飞行器中应用复合材料在飞行器中应用复合材料在飞行器中应用复合材料在飞行器中应用复合材料在飞行器中应用复合材料在飞行器中应用复合材料在飞行器中应用复合材料在飞行器中应用复合材料在飞行器中应用 摩擦学：研究相对运动的相互作用表面及其相关理论

34、和实践的一门科学技术,是控制摩擦行为、预防磨损失效、提高工作可靠性所必须掌握的一门基础知识。摩擦：两个物体作相对运动时，其接触界面上存在的切向阻抗现象，称为（外）摩擦。同一物体（如流体或变形中的固体）各部分作相对运动时，其分子间的阻抗现象称为内摩擦。运动方向FNP物体摩擦时的受力情况自润滑复合材料摩擦: 是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用并消耗 能量的现象；磨损:是运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐 损伤或迁移的现象；润滑:是减轻摩擦和磨损所应采取的措施。 摩擦作为大多数机械中不希望出现的阻力，消耗着大量的能源,世界上1/31/2的能源消耗在摩擦上，而现代装备的失效也主要源于三种形式，

35、即磨损、断裂和腐蚀，其中磨损约占60以上。自润滑复合材料无润滑油润滑自润滑复合材料 自润滑是由自润滑材料本身含有的润滑介质，在工作过程中逐渐向配对副摩擦界面转移，形成低剪切特性的润滑转移膜实现的；对于许多工况条件处于少油润滑或无油润滑的状态，自润滑材料显示了独特的优越性。 随着现代工业技术的快速发展，机械设备的运转速度和负荷、以及对其使用可靠性的要求不断提高，促进了具有自润滑功能的复合材料产品的广泛应用和新材料的研究开发。自润滑复合材料自润滑复合材料应用自润滑复合材料固体润滑剂： 固体润滑剂是指用以分隔摩擦副对偶表面的一层低剪切阻力的固体材料。 在摩擦过程中，自润滑材料中的固体润滑剂和周围介质

36、与摩擦表面发生物理、化学反应生成固体润滑膜，以降低摩擦与磨损。因此固体润滑剂或固体膜必须满足： 与金属底材有良好的附着性； 有低的剪切强度； 有良好的稳定性； 有强的承载能力。 自润滑复合材料 适宜于大气中润滑的Gr、BN等；适宜于真空润滑的MoS2、WS2、PbO等；对于氟化物和金属氧化物则是在高温下软化而具有润滑性，因此必须根据外界条件选择合适的固体润滑剂才能达到应有的减摩润滑效果。 固体润滑剂种类：固体润滑剂的种类很多，常用的固体润滑剂： 层状结构材料：石墨（Gr）、MoS2、MoSe2、WSe2、BN等； 质地较软的金属： Ag、In、Pb、Sn等； 高分子材料：PTFE、尼龙、聚乙烯

37、、聚酰亚胺； 其它无机化合物：如氟化锂、氟化钙、氧化铅、硫化铅磷酸盐、钼酸盐等）自润滑复合材料名 称 密度 莫氏硬度 摩擦系数 有效温度 g/cm3 HM oCPTFEPbAgInPbOCaF2GrMoS2BNTalc(滑石)Mica (云母)WS2MoTe2WSe2NbSe2MoSe2 2.13 0.04-0.20 -275 4 300 80 0.9 480-850 3.18 4.0 0.20-0.25 600-8002.09-2.23 0.5-1.0 0.14-0.19 500-600 4.62-4.80 1.0-1.5 0.16-0.20 250-350 2.30-3.30 20 -0.

38、25 -700 2.58-2.83 1.0-2.0 -0.25 -200 2.70-2.80 2.8 -0.25 7.40-7.50 1.0-1.5 0.14-0.18 -430 7. 70 1.0-2.0 0.19 -400 8.00 1.0-2.0 0.10-0.17 -540 6.25 1.0-2.0 0.11-0.17 -350 6.90 1.0-2.0 0.16-0.20 -540表1 常用固体润滑剂及性能 自润滑复合材料矿物 电子照片 天然极压强度氧化温度耐蚀性环境28000kgf/cm2350除王水、热硫酸、热硝酸外真空MoS2自润滑复合材料功能氧化温度耐蚀性环境成本导电、导热4

39、50耐酸、碱大气低晶质石墨世界探明储量2.3亿吨，中国1.7亿吨。Gr自润滑复合材料氮化硼：六方氮化硼（HBN）、密排六方氮化硼（WBN）和立方氮化硼（CBN）。 六方氮化硼有白色石墨之称，类似石墨的层状结构，有良好的润滑性，电绝缘性导热性和耐化学腐蚀性。化学性质稳定对所有熔融金属化学呈惰性。 理论密度为2.29克/立方厘米。莫氏硬度2，抗氧温度900，真空耐高温2000，在氮和氩中使用熔点为3000。自润滑复合材料图1PTFE的分子构造PTFE自润滑复合材料固体润滑剂的作用形式自润滑复合材料自润滑复合材料料。承载基体赋予自润滑材料强度、硬度、耐高温等机械性能，以及抗氧化耐腐蚀性能；固体润滑剂

40、具有自润滑效果，在摩擦副之间形成固体润滑转移膜，赋予材料稳定的减摩、润滑性能。 以金属、陶瓷或非金属为基体组元，加入固体润滑剂和一些附加组元，通过一定工艺制备而成的具有一定强度和自润滑性能的复合材整体固体自润滑材料自润滑复合材料常用陶瓷有 Al2O3、SiN、SiC、BC等，耐高温、耐腐蚀，工作温度6001200镍基：耐高温、耐腐蚀，工作温度6001200 ；铁基：价格便宜，工作温度从室温500 ；铜基：耐腐蚀、导电导热性好，工作温度从室温400；铝基：耐腐蚀、重量轻，工作温度从室温200。金属陶瓷高分子材料：尼龙、聚乙烯、聚醚醚酮等，耐腐蚀、 重量轻，工作温度低。自润滑复合材料对偶件GN复合材料(a) 摩擦开始阶段对偶件GN复合材料对偶件GN复合材料对偶件GN复合材料 (b) 石墨挤出表面 (c) 形成断续润滑膜 (d) 石墨形成连续润滑膜 自润滑复合材料自润滑复合材料镶嵌型