复合材料在飞行器制造中的应用

1.5复合材料构件在飞行器上的应用

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，以及独特的材料可设计性等，都是飞行器结构盼望的理想性能。高性能飞行器要求结构重量轻，从而可以减少燃料消耗，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。当前第1页\共有116页\编于星期二\20点1

减轻结构的重量可大大节约飞机的使用成本，取得明显的经济效益。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。飞机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（如LearFan2100，Starship和Vayager）之后又出现了全复合材料机身的隐身轰炸机B2。此外，也只有采用了复合材料，才使前掠翼得以在X-29上实现。当前第2页\共有116页\编于星期二\20点2LearFan2100当前第3页\共有116页\编于星期二\20点3B2隐形轰炸机当前第4页\共有116页\编于星期二\20点4苏－44苏－47

前掠翼具有许多突出的优点。前掠翼在高攻角时有更好的稳定性和可控性,可增大飞机的转弯角速度;阻力小;不会出现翼尖气流分离现象,故可增大升力,从而显著提高飞机的升阻比;另外还可改善布局,减小迎面对雷达波的反射面积。当前第5页\共有116页\编于星期二\20点5当前第6页\共有116页\编于星期二\20点6当前第7页\共有116页\编于星期二\20点7F-18战斗机当前第8页\共有116页\编于星期二\20点8当前第9页\共有116页\编于星期二\20点9波音767客机当前第10页\共有116页\编于星期二\20点10当前第11页\共有116页\编于星期二\20点11TAG公司推出全复合材料机体无人直升机当前第12页\共有116页\编于星期二\20点12F-22当前第13页\共有116页\编于星期二\20点13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。当前第14页\共有116页\编于星期二\20点14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。当前第15页\共有116页\编于星期二\20点15长航时无人机某新型武装直升机当前第16页\共有116页\编于星期二\20点16当前第17页\共有116页\编于星期二\20点17

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“铺层”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胶水，随后再铺上一层“布”。在铺了若干层“布”后，经过固化、成型，制成特殊复合材料。最后将根据尺寸要求，加工出具有流线形的壳体——整流罩。哈航集团为波音公司生产的整流罩将用于“波音787”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起来，起到保护与减少空气阻力的双重作用。

当前第18页\共有116页\编于星期二\20点18当前第19页\共有116页\编于星期二\20点19当前第20页\共有116页\编于星期二\20点20当前第21页\共有116页\编于星期二\20点21当前第22页\共有116页\编于星期二\20点22当前第23页\共有116页\编于星期二\20点23当前第24页\共有116页\编于星期二\20点24当前第25页\共有116页\编于星期二\20点25当前第26页\共有116页\编于星期二\20点26当前第27页\共有116页\编于星期二\20点27当前第28页\共有116页\编于星期二\20点28密度1.6复合材料的性质:性能比较当前第29页\共有116页\编于星期二\20点29拉伸强度当前第30页\共有116页\编于星期二\20点30弹性模量当前第31页\共有116页\编于星期二\20点31比强度比模量当前第32页\共有116页\编于星期二\20点32比强度和比模量高

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。这两个参量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。当前第33页\共有116页\编于星期二\20点33耐疲劳性能好一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40～50%，而某些复合材料可高达70～80%。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。当前第34页\共有116页\编于星期二\20点34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，碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属粱要短得多。当前第35页\共有116页\编于星期二\20点35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。当前第36页\共有116页\编于星期二\20点36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。当前第37页\共有116页\编于星期二\20点37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，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。当前第38页\共有116页\编于星期二\20点38工艺性好

纤维增强复合材料一般适合于整体成型，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准确性。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，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力很小。当前第39页\共有116页\编于星期二\20点391.7增强材料纤维

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。反之，称为填料。纤维增强材料粒子增强材料（片状、颗粒状）当前第40页\共有116页\编于星期二\20点40主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。制造：由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成。应用：与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中最高。在强度、刚度、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。碳纤维当前第41页\共有116页\编于星期二\20点41碳纤维碳纤维是以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维为原丝，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。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400℃。达400℃后，快速升温至900~1000℃，使之完全炭化，可得含碳量达90%的碳纤维。若以聚丙烯睛纤维为原丝，则需先对原丝进行180~220℃、约10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。当前第42页\共有116页\编于星期二\20点42活性碳纤维的生产工艺流程PAN纤维沥青纤维粘胶纤维预氧丝预氧丝预氧丝碳化活化ACF活性炭纤维活性碳纤维毡活性碳纤维布活性碳纤维纸不熔化预氧化催化浸清预氧化当前第43页\共有116页\编于星期二\20点43碳纤维的分类按性能分类：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600～1200MPa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。其它：活性碳纤维、气相生长碳纤维、纳米碳纤维等按原料分类：粘胶基碳纤维（<1%

）聚丙烯腈碳纤维PAN（>90％）沥青基碳纤维（<10%）当前第44页\共有116页\编于星期二\20点44碳纤维的制造方法:碳纤维制品有布、带、粗纱、短纤维和毡等长丝----filament，基本的纤维结构单元。本身是连续的，或至少远远长于其平均直径（通常其直径为5～10微米）纱------yarn，小束的连续长丝，一般不大于10000支，纤维轻轻的铰合在一起以便像长丝那样使用纤维织物----交织纱、纤维或长丝所编织的平面纺织品结构气相法有机纤维碳化法（可制造连续长纤维）当前第45页\共有116页\编于星期二\20点45当前第46页\共有116页\编于星期二\20点461.7.2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。当前第47页\共有116页\编于星期二\20点47芳纶纤维:

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。当前第48页\共有116页\编于星期二\20点48

芳纶纤维: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3～10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。

当前第49页\共有116页\编于星期二\20点49

芳纶纤维: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。当前第50页\共有116页\编于星期二\20点50芳纶纤维:目前已实现工业化并广泛使用的聚芳酰胺纤维Kevlar

特点：高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度。同时它也耐蠕变、耐疲劳，而且热膨胀系数小。用Kevlar49作增强材料可代替铝合金，它的冲击强度可比金属高6倍，使用寿命比玻璃纤维长3～10倍，

芳纶纤维的成纤工艺与碳纤维和玻璃纤维都不同，它用的是液晶纺丝工艺，用干喷湿纺法纺丝。芳纶纤维和其它增强纤维一样，可以制成各种连续长纤维和粗、细纱。细纱可以纺织成各种织物，粗纱可以加工成各种粗纱布或单向带。当前第51页\共有116页\编于星期二\20点51

Kevlar纤维成形：

1、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，使其具有典型的向列型液晶结构；2、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解取向倾向。很快液流受到拉伸应力作用，又抑制解取向，在空气中进一步细化伸长并获得高度取向，到低温的凝固浴中，冷却凝固成冻结液晶相纤维，因此初生丝无需拉伸就能得到高强度高模量的纤维。当前第52页\共有116页\编于星期二\20点52当前第53页\共有116页\编于星期二\20点53

1.7.3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。玻璃纤维熔制过程示意图当前第54页\共有116页\编于星期二\20点54玻璃纤维-glassfibre

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。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。当前第55页\共有116页\编于星期二\20点55

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，属于具有脆性特征的弹性材料。它的扭转强度、剪切强度均较其它纤维低。

当前第56页\共有116页\编于星期二\20点56

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。当前第57页\共有116页\编于星期二\20点57坩埚炉当前第58页\共有116页\编于星期二\20点58池窑拉丝是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。

当前第59页\共有116页\编于星期二\20点59玻璃池窑当前第60页\共有116页\编于星期二\20点60池窑拉丝当前第61页\共有116页\编于星期二\20点61湿法毡生产线当前第62页\共有116页\编于星期二\20点62连续原丝毡生产线当前第63页\共有116页\编于星期二\20点63短切原丝毡生产线当前第64页\共有116页\编于星期二\20点64离心棉生产线当前第65页\共有116页\编于星期二\20点65玻璃纤维过滤布生产线当前第66页\共有116页\编于星期二\20点66

1.7.4复合纤维的生产方法复合纤维的生产方法主要有复合纺丝法和共混纺丝法。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。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。这种方法可以用普通纺丝设备。当前第67页\共有116页\编于星期二\20点67当前第68页\共有116页\编于星期二\20点681.8基体材料树脂

复合材料是由增强材料和基体材料组成的。基体的三种主要作用是：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。当前第69页\共有116页\编于星期二\20点69

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。当前第70页\共有116页\编于星期二\20点70当前第71页\共有116页\编于星期二\20点71复合材料的组成基体Matrix增强体Reinforcement界面Interface当前第72页\共有116页\编于星期二\20点72a是玻纤增强PP的冲击试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.当前第73页\共有116页\编于星期二\20点73（b）是未加相容剂的玻纤增强体系。从中可以看出，而（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。当前第74页\共有116页\编于星期二\20点74复合效应

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。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。当前第75页\共有116页\编于星期二\20点75

线性效应非线性效应界面效应尺寸效应各向异性效应

复合效应线性效应可细分为平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应。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。当前第76页\共有116页\编于星期二\20点761、线性效应（1）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组分体积分数之和。可用混合物定律描述：Kc=ΣKiφi（并联模型）1/Kc=Σφi/Ki（串联模型）（2）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本相当。Kc≌Ki当前第77页\共有116页\编于星期二\20点77（3）相补效应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。C=A×B（4）相抵效应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。Kc<ΣKiφi当前第78页\共有116页\编于星期二\20点78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(MeanProperties)，反映在复合材料的混合定则(RuleofMixture)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产生的效果，即式中p―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；Pi―原始i材料的某一性质；Φ―体积分数；Φi―N种原始材料中第i种材料体积分数n―由实验确定，其范围为-1≤n≤1当前第79页\共有116页\编于星期二\20点79例题：p(PA66)=81.3MPa,p(GF)=3232MPa,p(CF)=3500Φ1=0.7,Φ2=0.3n=1Pc1=81.3×0.7+3232×0.3=1026.51(MPa)Pc2=81.3×0.7+3500×0.3=1106.91(MPa)当前第80页\共有116页\编于星期二\20点80相补效应和相抵效应AB当前第81页\共有116页\编于星期二\20点81非线性效应中，乘积效应(ProductProPcnMs＞又叫传递特性，交叉耦合效应。例如对材料X输入时输出为Y，即一种转换功能材料Y/X(如磁场／压力的换能材料)；而Y又作为另一种材料的第二次输入，产生输出Z，即为另一种换能材料Z／Y(如电阻／磁场转换材料)。两种材料复合得出一新的机能材料，即Y／X．Z／Y＝Z／X(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功能效应。当前第82页\共有116页\编于星期二\20点822、非线性效应相乘效应（X/Y）•（Y/Z）=X/ZA组元性质X/YB组元性质Y/Z相乘性质X/Z压磁效应压磁效应磁致伸缩热致变形磁阻效应电磁效应压阻效应压敏效应压阻效应压电效应磁阻效应热敏效应当前第83页\共有116页\编于星期二\20点83

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为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。反之施加电压，则产生机械应力，称为逆压电效应。

当前第84页\共有116页\编于星期二\20点84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。当前第85页\共有116页\编于星期二\20点851.9用作先进航天系统及武器的结构和防热复合材料(1)树脂基复合材料具有质量轻、强度和刚度高、阻尼大的特点，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线罩的制造中也应用或正在开展应用工作。当前第86页\共有116页\编于星期二\20点86(2)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。按所用的基体金属和增强体的不同，使用温度范围约在300～1200℃。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，能在较高温度（200～800℃）工作。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。当前第87页\共有116页\编于星期二\20点87

(3)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℃。当前第88页\共有116页\编于星期二\20点88

(4)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。材料有增强碳/碳（RCC）和进行碳/碳（ACC）。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。当前第89页\共有116页\编于星期二\20点89一半以上的碳/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“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作为2001～2005年航天材料技术发展的重要目标。当前第90页\共有116页\编于星期二\20点901.10复合材料构件在其他方面的应用

----以碳纤维或碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量，比未增强的铝好得多；碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。当前第91页\共有116页\编于星期二\20点91----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1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度高很多。当前第92页\共有116页\编于星期二\20点92----复合材料范围广，品种多，性能优异，有很大的发展前途。玻璃纤维增强热固性塑料中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传动支架等。玻璃纤维增强热塑性塑料的用途越来越广，其发展速度在有的国家已超过热固性的增长率。----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，不但可降低成本，且其混合效应超过一般的混合规律。航空中的结构件、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，将越来越多采用混合纤维增强复合材料。当前第93页\共有116页\编于星期二\20点93----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，飞机重量的减轻也可以节省油耗，提高航速。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件的喷嘴以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。当前第94页\共有116页\编于星期二\20点94复合材料在工业领域的主要应用（1）土木建筑领域

主要是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。另外，伴随着信息社会的发达，出现了机密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，其对策便是利用碳纤维网格混入混凝土中形成电磁波屏蔽墙加以解决。此外，碳纤维管制的桁梁构架屋顶，比钢制品轻1/2，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。当前第95页\共有116页\编于星期二\20点95（2）汽车天然纤维复合材料在汽车工业中主要用于车门内装饰板、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、座椅头枕衬垫等。相关数据显示，北美地区2000—2005年间天然纤维复合材料汽车零部件的平均年增长率为50％左右。2005年，汽车工业对天然纤维的年需求量超过4.5万吨。当前第96页\共有116页\编于星期二\20点96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当前第97页\共有116页\编于星期二\20点97（3）PAN(聚丙烯腈)系活性碳纤维由东邦人造丝首先产业化和上市，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。（4）海底油田上的油管等作为深海海底油田的输送管，具有轻、强、耐腐蚀等特性。此外，平台支架、钻井套管等也需CFRP（碳纤维增强热固性树脂）材料。当前第98页\共有116页\编于星期二\20点98

世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克（ZOLTEK）、阿克苏（AKZO）、阿尔迪拉（ALDIL1）和德国的SGL公司等。其中日本三大集团占世界生产能力的75％。世界CT型碳纤维总生产能力为22100吨/年；LT型碳纤维总生产能力为9550吨/年，实际生产量约为7000吨/年。当前第99页\共有116页\编于星期二\20点99（5）风力发电用翼片欧洲的风力发电翼片都采用CFRP材料，而随着其大型化，考虑到20-40m长的翼片其强度和质量，已开始采用CFRP。（6）其它CFRP和CFRPT（碳纤维增强热塑性树脂）可用于印刷轴承、凸轮、壳体、VTR(影象录放器)、CD部件、齿轮、制动器、泵、照相机部件、眼镜架等，目前CFRPT还用得很少。当前第100页\共有116页\编于星期二\20点1001.11复合材料飞机构件的特点1.11.1复合材料飞机构件：根据复合材料飞机构件的形式、增强剂、所用的原材料可以分为三个方面：1.不同类型构件(1)由梁、肋、长桁、框、壁板组成的或一次固化成形的机体构件，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。(2)用于承受轴向拉、压载荷及扭矩的管状构件，如飞机操纵杆。(3)操纵面上普遍使用的夹层结构，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，能承受均布的气动力，所以在飞机上的活动操纵面上使用很合适。当前第101页\共有116页\编于星期二\20点1012.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、碳及Kevlar的连续纤维。硼纤维有优秀的机械性能，但价格昂贵，纤维直径较粗，零件成形时限制比碳纤维多，至今使用不广。在美国的F-111、F-14及法国的幻影2000等飞机上，碳纤维的使用量占首位。碳纤维品种规格齐全，可根据设计要求选用，价格也比硼纤维便宜。Kevlar纤维具有很高的抗拉强度，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。但与其它纤维混用，可以改善层压板性能。当前第102页\共有116页\编于星期二\20点102在复合材料构件中使用的主要增强剂有：(1)单一增强剂(2)混杂型增强剂混杂型增强剂在层压板中存在的形式有：层间混杂不同纤维层在层间按一定规律相互交替存在。层内混杂在同一层内，存在不同的纤维，如Kevlar纤维与碳纤维的编织物。纤维间混杂一束纤维中有两种以上不同的纤维。(3)单向纤维与编织物复合材料的原材料以预浸料形式提供使用。当前第103页\共有116页\编于星期二\20点1033.金属与复合材料混合的构件(1)全复合材料构件如强-五飞机的垂直安定面。这种结构当受热时不会因材料不同引起不同膨胀而产生内应力，也不会发生金属材料的腐蚀问题。(2)金属材料与碳纤维/环氧树脂复合材料混用于同一结构中它们之间可以采用机械连接或胶接连接，也可以在复合材料构件固化过程中把金属件嵌入层压板中，但可能产生内应力和腐蚀。当前第104页\共有116页\编于星期二\20点104飞机复合材料构件的结构工艺性：

在先进复合材料零件的制造中，普遍应用缠绕法制造筒体或杆状件和以预浸料铺叠成坯件，然后固化成各种零部件。等截面的型材可用拉挤法成形。目前预浸料法是飞机构件主要的制造方法。当前第105页\共有116页\编于星期二\20点105

复合材料构件的结构工艺性是以飞机构件制造难易程度为依据的。一个具有良好工艺性的复合材料构件的结构设计，应该使构件容易制造，不需太复杂的技术和大量的模具；容易控制质量，构件内部不要产生分层、孔隙、树脂分布不均等缺陷，容易保证尺寸外形精确度，制品具有良好的互换协调性；易于实现制造过程机械化和自动化；生产准备简单，不需大规模技术改造，生产周期短，效率高。

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