复合材料与航空

报告人：李延灏2012.9

复合材料与航空内容碳纤维增强树脂基复合材料复合材料的加工复合材料概述一二三一复合材料概述1

复合材料简介

先进复合材料(AdvancedCompositeMaterials,ACM)

ACM的特点：

比强度、比模量高

可设计性强

抗疲劳性能好

耐腐蚀性能优越

便于大面积整体成型等

2

复合材料的分类ACMBECDA陶瓷基树脂基金属基碳基其它3纤维增强复合材料（1）碳纤维增强复合材料（CarbonFiberReinforcedPlastic,CFRP）（2）玻璃纤维增强复合材料（GlassFiberReinforcedPlastic,GFRP），主要由SiO2

玻璃熔体制成，某些性能接近于钢，可代替钢使用，故又称“玻璃钢”（3）硼纤维增强复合材料（BoronFiberReinforcedPlastic,BFRP），应用起步稍晚，性能与CFRP接近。基体为树脂。（4）芳纶纤维增强复合材料（KevlarFiberReinforcedPlastic,KFRP）

在航空、航天等工业中，纤维增强复合材料用得较多，主要有：4复合材料的性质复合材料密度ρ/(g·cm-3)抗拉强度σb/GPa比强度/（m2·s-2）GFRP2.01.04520CFRP1.61.5937KFRP2.01.75875BFRP1.41.4100040CrNiMoA钢7.81.41181硬铝2.80.49175常用增强材料的性能纤维或颗粒名称密度ρ/(g·cm-3)抗拉强度σb/GPa弹性模量E/GPa玻璃纤维（高模量）2.5-2.63.8-4.693-108碳纤维（高模量）1.75-1.952.3-2.9275-304芳纶纤维1.43-1.465.0134硼纤维2.52.8-3.1383-392Al2O3纤维3.972.1167SiC纤维3.183.4412SiC晶须3.193-14490Al2O3颗粒3.950.76400SiC颗粒3.211.53655

复合材料在飞机上的应用现状军用飞机用复合材料现状机种Aircraft国家Country用量/%Content应用部位CompositestructureRafale法国40机翼、垂尾、机身、副翼、方向舵等JAS-39瑞典30机翼、垂尾、前机身、副翼、方向舵、各种口盖等F-22美国25机翼壁板、垂尾、机身蒙皮、方向舵、各种口盖等V-22美国45机翼、机身、发动机悬挂接头、叶片紧固装置等EF-2000欧洲四国50机翼、垂尾、机身、副翼、方向舵等S-37俄罗斯机翼、进气道、机身、保形外挂架等F-35美国30机翼、垂尾、机身蒙皮、方向舵、各种口盖等RAH-66美国51机身蒙皮、舱门、中央龙骨大梁、整流罩、旋翼等JXⅡ中国2机翼壁板、外翼壁板、主起落护板JXⅢ中国1.7前机身、垂尾JX中国6垂尾、副翼、方向舵、鸭翼、腹鳍Z9中国25旋翼、涵道垂尾、尾桨叶、机身等民用客机复合材料的用量机型（Aircraft）最大起飞质量/t结构质量/t复合材料用量/t图204(150-186座)93.529.43.2伊尔96(187-250座)230654.02B-757(200座)1151.4B-767(200-300座)1871.5B-777(350座以上)2309.9A-300（251-350）165516.2A-310（187-250座）15044.76.2A-320(150-186座)7220.84.5A-340(251-350座)2357611A-380(550-990座)56027560.5二碳纤维增强树脂基复合材料

1碳纤维简介

日本东丽

三菱人造丝

东邦耐克丝

德国西格里（SGL）

美国赫氏（Hexcel）

氰特（Cytec）

卓尔泰克（Zoltek）全球七大碳纤维生产商：70%70年代PAN基T300高强T系列高模M系列MJ系列公司总产量的80%以上是T3002

碳纤维牌号碳纤维牌号拉伸强度MPa拉伸模量GPa断裂伸长%密度g/cm3厂家T30035302301.51.76TORAYCAT400H44102501.81.80T700S49102302.11.80T800H54902941.91.81T1000G63702942.11.80T100070602942.41.82M35J47003431.41.75M40J44103771.21.77M46J42104361.01.84M50J39204750.81.88M55J39205400.71.93M60J39205880.71.94AS620712351.651.8HERCULESIM651402761.731.7IM753472761.81.8IM853133041.611.8IM963432901.01.792

碳纤维牌号碳纤维牌号拉伸强度MPa拉伸模量GPa断裂伸长%密度g/cm3厂家T30035302301.51.76TORAYCAT400H44102501.81.80T700S49102302.11.80T800H54902941.91.81T1000G63702942.11.80T100070602942.41.82M35J47003431.41.75M40J44103771.21.77M46J42104361.01.84M50J39204750.81.88M55J39205400.71.93M60J39205880.71.94AS620712351.651.8HERCULESIM651402761.731.7IM753472761.81.8IM853133041.611.8IM963432901.01.792

碳纤维牌号碳纤维牌号拉伸强度MPa拉伸模量GPa断裂伸长%密度g/cm3厂家T30035302301.51.76TORAYCAT400H44102501.81.80T700S49102302.11.80T800H54902941.91.81T1000G63702942.11.80T100070602942.41.82M35J47003431.41.75M40J44103771.21.77M46J42104361.01.84M50J39204750.81.88M55J39205400.71.93M60J39205880.71.94AS620712351.651.8HERCULESIM651402761.731.7IM753472761.81.8IM853133041.611.8IM963432901.01.79抗拉强度最大3常用的树脂基性质3常用的树脂基性质A380：复合材料占25%，其中环氧基纤维复合材料占22%

4

几种高性能环氧树脂复合材料（1）T-300/4211体系（2）T-300/5208体系（3）T-300/LWR-1体系（4）T-300/914C体系

北京航空材料研究所和北京航空工艺研究所1984年研制成功。4211环氧基体由648酚醛环氧树脂和BF3·MEA组成。其突出优点是有良好的工艺性，预浸料可在室温下存放。缺点是脆性大，对湿热敏感。T-300/4211复合材料可在120℃以下使用。已用于飞机的垂直安定面，飞机进气道外侧壁板等。（1）T-300/4211体系（2）T-300/5208体系美国Narmco公司1972年研制成功。5208基体由4,4’-二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺环氧树脂(TGDDM)和4,4’-二氨基二苯砜(DDS)组成。性能好，能在177℃下使用，美国绝大多数飞机复合材料结构件都采用碳纤维和5208或5208同系树脂体系制成。5208被称为第一代树脂基体。（3）T-300/LWR-1体系北京航空工艺研究所和黑龙江石化所1989年研制成功。LWR-1基体由E-54，DDS及促进剂组成，它可中温(120～130℃)固化。具有良好的耐湿热性能。可在80℃以下使用。已用于前机身。

（4）T-300/914C体系目前欧洲空中客车飞机和海豚直升机等广泛使用的高性能环氧复合材料。914C是一种改性环氧树脂。T-300/914C预浸料由Ciba公司生产。T-300/914C复合材料与T-300/5208复合材料性能相当。可在-50～180℃使用。三复合材料的加工1复合材料的切削加工

复合材料用量越来越大，但一般近净成形，尚未用于配合尺寸，一般不需要车、铣、磨等加工，机械加工包括制孔、切边等。复合材料种类加工难度树脂基较易金属基稍难陶瓷基更难纤维增强较易颗粒增强很难2

复合材料的制孔专用刀具和工具名称规格mm转速r/minY330硬质合金麻花钻Φ2.5-Φ6Y330硬质合金铰刀Φ4-Φ6Y330硬质合金锪窝钻Φ3.5-Φ6×90°Φ3.5-Φ6×100°Φ3.5-Φ6×120°金刚石锪窝钻Φ4-Φ6×90°Φ4-Φ6×100°Φ4-Φ6×120°镶片硬质合金麻花钻Φ8-Φ13Y330硬质合金三尖两刃钻Φ2.5-Φ6四直槽钻铰复合钻头Φ4-Φ6Y330硬质合金双刃定心钻Φ5-Φ8可控进给钻Z5K4000高速手风钻Z6-2/317500钻孔注意事项A钻2.5-8mm的通孔，转速为800r/min-2800r/min，进给量为0.01mm/r-0.06mm/rB硬质合金麻花钻头推荐的几何参数C在CFRP、GFRP构件上钻孔时，应在出口面加垫板加紧，尽量将钻孔出口面放于锪窝面D对KFRP应两面加垫板加紧。转速为2400r/min-4100r/min，进给量为0.01mm/r-0.03mm/rE主轴全跳动不大于0.05mmF工具声强不大于90dB锋角后角横刃宽mm螺旋角100°-120°10°-25°（0.1-0.3）d25°-30°注：d为钻头直径3

铰孔与扩孔复合材料所用工具转速CFRP硬质合金铰刀500r/minGFRP普通铰刀KFRP双刃定心钻4

复合材料的锪窝

一般应使用硬质合金锪窝钻或金刚石锪窝钻，对GFRP可用普通锪窝钻；硬质合金锪窝钻锪窝，转速为500r/min-800r/min，金刚石锪窝钻锪窝时转速为800r/min-1400r/min，锪窝钻必须在旋转以后接触工件。

5复合材料的铆接常用的压铆设备：手提压铆机和固定压铆机。铆接