2復合材料在飛行器制造中的應用-1

1、1,1.5復合材料構件在飛行器上的應用,先進復合材料技術的實際應用在飛行器設計與制造中具有重要的地位。這是因為復合材料的許多優(yōu)異性能，如比強度和比模量高，優(yōu)良的抗疲勞性能，以及獨特的材料可設計性等，都是飛行器結構盼望的理想性能?？蓾M足高性能飛行器要求結構重量輕的要求，從而可以減少燃料消耗，延長留空時間，飛得更高更快或具有更好的機動性；也可以安裝更多的設備，提高飛行器的綜合性能。,2,減輕結構的重量可大大節(jié)約飛機的使用成本，取得明顯的經濟

2、效益。據國外有關資料報告，先進戰(zhàn)斗機每減重1kg，就可節(jié)約1760美元。西方國家在很短的時間內就實現了從非受力件和次受力件到主受力件應用的過渡，無論是用量還是技術覆蓋面都有了很大的發(fā)展。目前正在研制的戰(zhàn)斗機中所使用的復合材料可占飛機結構總重量的50%以上。飛機隱身技術的發(fā)展與應用，進一步擴大了對復合材料技術的需求。在繼民用飛機中出現全復合材料飛機（如Lear Fan 2100，Starship和Vayager）之后又出現了全復合材料機身

3、的隱身轟炸機B2。此外，也只有采用了復合材料，才使前掠翼得以在X-29上實現。,3,Lear Fan 2100,4,B2隱形轟炸機,5,蘇－44 蘇－47,6,7,8,F-18戰(zhàn)斗機,9,10,波音767客機,11,12,TAG公司推出全復合材料機體無人直升機,13,F-22,14,從國內情況看，當前國內飛機型號應用復合材料的比例越來越高，應用復合材料的部

4、件越來越大，復合材料構件的結構也越來越復雜，復合材料構件已經逐步從次承力構件到主承力構件轉變，復合材料的垂直安定面、水平尾翼、前機身、艙門、整流罩等構件已在多種型號飛機上使用并形成了批量生產能力。機翼、旋翼等主承力構件也已經在小批量生產。,15,目前國內復合材料在飛機上應用最多的是新研制的中、高空長航時無人機，其機體復合材料的使用量達到70%，機翼翼展18米，為全復合材料結構；其中，機翼整體盒段運用設計工藝一體化技術，將機翼的前、后梁，

5、上蒙皮和所有中間肋整體共固化成型，在復合材料應用技術上有所突破。在自行設計制造的某型武裝直升機上，大量采用了復合材料，其機身結構、主槳葉、尾槳葉和尾段為全復合材料結構。,16,長航時無人機,某型武裝直升機,17,18,記者在哈航集團的生產車間里看到，工人們正在模具上進行“鋪層”工作。幾名工人首先將一種薄得像布一樣的特殊材料鋪在模具上，然后在上面刷上一層特種膠水，隨后再鋪上一層“布”。在鋪了若干層“布”后，經過固化、成型，制成特殊復合材料

6、。最后將根據尺寸要求，加工出具有流線形的殼體——整流罩。哈航集團為波音公司生產的整流罩將用于“波音787”機體和機翼的結合部，可將裸露在機體外面的某一部件或裝置封閉起來，起到保護與減少空氣阻力的雙重作用。,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,密度,1.6復合材料的性質:,,,,,,,,性能比較,30,,拉伸強度,,,,,,,,31,彈性模量,32,比強度,比模量,33,比強度和比模量高

7、材料的強度除以密度稱為比強度；材料的剛度除以密度稱為比剛度 。這兩個參量是衡量材料承載能力的重要指標。比強度和比剛度較高說明材料重量輕，而強度和剛度大。這是結構設計，特別是航空、航天結構設計對材料的重要要求?，F代飛機、導彈和衛(wèi)星等機體結構正逐漸擴大使用纖維增強復合材料的比例。,34,耐疲勞性能好 一般金屬的疲勞強度為抗拉強度的40～50%，而某些復合材料可高達70～80%。復合材料的疲勞斷裂是從基體開始，逐漸擴展到纖維

8、和基體的界面上，沒有突發(fā)性的變化。因此，復合材料在破壞前有預兆，可以檢查和補救。纖維復合材料還具有較好的抗聲振疲勞性能。用復合材料制成的直升飛機旋翼，其疲勞壽命比用金屬的長數倍。,35,減振性能良好 纖維復合材料的纖維和基體界面的阻尼較大，因此具有較好的減振性能。用同形狀和同大小的兩種粱分別作振動試驗，碳纖維復合材料粱的振動衰減時間比輕金屬粱要短得多。,36,過載安全性好 在纖維增強復合材料的基體中

9、有成千上萬根獨立的纖維。當用這種材料制成的構件超載，并有少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個構件不至于在短時間內喪失承載能力。,37,耐熱性能好 在高溫下，用碳或硼纖維增強的金屬其強度和剛度都比原金屬的強度和剛度高很多。普通鋁合金在400℃時，彈性模量大幅度下降，強度也下降；而在同一溫度下，用碳纖維或硼纖維增強的鋁合金的強度和彈性模量基本不變。復合材料的熱導率一般都小，因而它的瞬時耐超高溫

10、性能比較好。,38,各向異性及性能可設計性 各向異性是復合材料的一個突出特點，與之相關的是性能的可設計性。復合材料的力學、物理性能除了由纖維、樹脂的種類及體積含量而定外，還與纖維的排列方向、鋪層順序和層數密切相關。因此，可以根據工程結構的載荷分布及使用條件的不同，選取相應的材料及鋪層設計來滿足既定的要求。復合材料的這一特點可以實現構件的優(yōu)化設計，做到安全可靠、經濟合理。,39,工藝性好 纖維增強復合材料一般適

11、合于整體成型，減少了零部件的數目及接頭緊固件，減少設計計算工作量并有利于提高計算的準確性。另外，制作纖維增強復合材料部件的步驟是把纖維和基體粘結在一起，先用模具成型，而后加溫固化，在制作過程中基體由流體變?yōu)楣腆w，不易在材料中造成微小裂紋，而且固化后殘余應力很小。,40,1.7 增強材料纖維,增強材料:能和聚合物復合，形成復合材料后其比強度和比模量超過現有金屬的物質。反之，稱為填料。,,纖維增強材料,粒子增強材料（片狀、顆粒狀）,,,,,

12、41,主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量一般在90％以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的比強度。制造：由含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維，經熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成。應用：與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，做成結構材料。碳纖維增強

13、環(huán)氧樹脂復合材料，具有優(yōu)異的比強度、比模量綜合指標。在強度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要求高溫、化學穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復合材料都具優(yōu)勢。,碳纖維,42,碳纖維,碳纖維是以聚丙烯腈纖維、粘膠纖維或瀝青纖維為原絲，通過加熱除去碳以外的其它一切元素制得的一種高強度、高模量的纖維，它具有很高的化學穩(wěn)定性和耐高溫性能，是高性能增強復合材料中的優(yōu)良結構材料。 以粘膠為原絲時，粘膠纖維可直接炭化和石墨化。纖維先

14、進行干燥，然后在氮或氬等惰性氣體保護下緩慢加熱到400 ℃。達400 ℃后，快速升溫至900~1000 ℃ ，使之完全炭化，可得含碳量達90%的碳纖維。 若以聚丙烯睛纖維為原絲，則需先對原絲進行180~220 ℃ 、約10小時的預氧化處理，然后再經過炭化和石墨化處理，由此制得具有優(yōu)良性能的碳纖維。,43,活性碳纖維的生產工藝流程,PAN纖維,瀝青纖維,粘膠纖維,預氧絲,預氧絲,預氧絲,碳化活化,ACF,活性炭纖維活性碳

15、纖維氈活性碳纖維布活性碳纖維紙,,,,,,不熔化,預氧化,催化浸清預氧化,44,碳纖維的分類按性能分類：高性能型碳纖維－抗拉強度在2000MPa以上，主要用于航天、 航空和軍工等領域；通用型碳纖維－抗拉強度在600～1200MPa左右，主要用于 機械制造、建筑和體育用品，如剎車片、軸承、密封材料等。其它：活性碳纖維、氣相生長碳纖維、納米碳纖維等按原料分類：粘膠基碳纖維（ 90 ％）瀝青基碳纖維（<1

16、0%）,45,碳纖維的制造方法: 碳纖維制品有布、帶、粗紗、短纖維和氈等,長絲----filament，基本的纖維結構單元。本身是連續(xù)的， 或至少遠遠長于其平均直徑（通常其直徑為5～10 微米）紗------yarn，小束的連續(xù)長絲，一般不大于10000支，纖維 輕輕的鉸合在一起以便像長絲那樣使用纖維織物----交織紗、纖維或

17、長絲所編織的平面紡織品結構,,氣相生長法有機纖維碳化法（可制造連續(xù)長纖維）,46,47,1.7.2芳綸纖維: 芳綸學名叫芳香族聚酰胺纖維，是以含苯環(huán)的二氨基化合物與含苯環(huán)的二羧基化合物為原料制成的，屬于聚酰胺纖維。芳綸所用原料不同有多種牌號，如尼龍6T、芳綸1414、芳綸14、芳綸1313等。其中以芳綸1414、芳綸1313最為成熟，產量最大，使用最多。,48,芳綸纖維: 芳綸發(fā)明于20世紀60年代，由

18、美國和蘇聯等首先研制成功，并于70年代投入工業(yè)化生產。目前美、德、日、俄等國已生產芳綸1414，總生產能力為4.1萬噸/年。美、日、俄等國生產芳綸1313，總生產能力為2.4噸年。 我國于20世紀70年代開始研究芳綸，已基本上掌握了其生產技術及工藝條件，但這種產品的生產工藝過程復雜，對技術與設備的條件要求很高，目前只有小規(guī)模生產。,49,芳綸纖維:芳綸1414的商品名叫凱芙拉（Kevlar），所用原料是對苯二甲酰氯和

19、對苯二胺。 Kevlar被稱作高強度、高模量纖維，其強度是普通錦綸或滌綸纖維的4倍，為鋼絲的5倍、鋁絲的10倍。沖擊強度可比金屬高6倍。模量為錦綸的20倍，比玻璃纖維和碳纖維的模量都高。使用壽命比玻璃纖維長3～10倍。長期使用溫度為240℃，在400 ℃以上才開始燒焦。缺點是橫向強度低，壓縮和剪切性能差。,50,芳綸纖維:密度1.44，比各種金屬都要輕得多?；瘜W性能很穩(wěn)定。主要用于航空航天和國防軍工領域，主要用于制作各種復合材料

20、，用于空間飛行器、飛機、直升飛機等的內部及表面，還可用于宇宙飛船、火箭發(fā)動機外殼、導彈發(fā)射系統(tǒng)。可用于制作防彈衣、防彈頭盔、輪胎簾子線和抗沖擊織物。,51,芳綸纖維:目前已實現工業(yè)化并廣泛使用的聚芳酰 胺纖維Kevlar 特點：高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度。同時它也耐蠕變、耐疲勞，而且熱膨脹系數小。用Kevlar49作增強材料可代替鋁合金，它的沖擊強度可比金屬高6倍，使用壽命比玻璃纖維長3～10倍，

21、 芳綸纖維的成纖工藝與碳纖維和玻璃纖維都不同，它用的是液晶紡絲工藝，用干噴濕紡法紡絲。芳綸纖維和其它增強纖維一樣，可以制成各種連續(xù)長纖維和粗、細紗。細紗可以紡織成各種織物，粗紗可以加工成各種粗紗布或單向帶。,52,Kevlar纖維成形： 1、紡絲原液的制備：聚合物在少數強酸性溶液中（濃硫酸）溶解成適宜紡絲的濃溶液，使其具有典型的向列型液晶結構； 2、成形工藝：紡絲原液通過噴絲孔，在剪切力和拉伸流動下

22、，向列型液晶微區(qū)沿纖維軸向取向，吐出噴絲孔后，由于壓力松弛，使取向的大分子鏈產生部分解取向傾向。很快液流受到拉伸應力作用，又抑制解取向，在空氣中進一步細化伸長并獲得高度取向，到低溫的凝固浴中，冷卻凝固成凍結液晶相纖維，因此初生絲無需拉伸就能得到高強度高模量的纖維。,53,54,1.7.3玻璃纖維: 最早用于聚合物基復合材料的一種增強材料。美國于1893年即研究成功玻璃纖維，1938年工業(yè)化并作為商品出售，40年代初即應用于航空工業(yè)。,

23、玻璃纖維熔制過程示意圖,55,玻璃纖維-glass fibre 玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等。它是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經高溫熔制、拉絲、絡紗、織布等工藝。最后形成各類產品，玻璃纖維單絲的直徑從幾微米到二十幾微米，相當于一根頭發(fā)絲的 1/20-1/5 ，每束纖維原絲都有數百根甚至上千根單絲組成，通常作為復合材料中的增強材料。,56,玻璃纖維具有很高的

24、拉伸強度，不僅超過了各種天然纖維和合成纖維，同時也超過一般鋼材的強度。玻璃纖維的強度與直徑和長度的大小有關，一般來說直徑越細，拉伸強度越高；拉伸試件越長，強度越小。玻璃纖維的彈性模量不高，與純鋁的模量接近，只有普通鋼的1/3。彈性模量低是其主要缺點。玻璃纖維受力時，其拉伸應力-應變特性基本上是一條直線，沒有塑性變形階段，屬于具有脆性特征的彈性材料。它的扭轉強度、剪切強度均較其它纖維低。,57,玻璃纖維還具有耐熱、耐腐蝕、優(yōu)良的電絕緣性能

25、與光學性能。玻璃纖維外觀為光滑的圓柱體，斷面為圓形。由于其表面光滑，與樹脂結合力小，需加偶聯劑才能與樹脂結合。 玻璃纖維生產用的最廣泛的方法是坩堝法拉絲和池窯漏板法拉絲兩種。玻璃纖維制品主要有纖維布、纖維氈和纖維帶等。玻璃纖維布可分為平紋布、斜紋布、無捻粗紗布（方格布）、單向布、無紡布等。玻璃纖維氈又分為短切纖維氈、表面氈及連續(xù)纖維氈等。,58,坩堝爐,59,60,玻璃池窯,61,池窯拉絲,62,濕法氈生產線,63,連續(xù)原絲

26、氈生產線,64,短切原絲氈生產線,65,離心棉生產線,66,玻璃纖維過濾布生產線,67,1.7.4復合纖維的生產方法 復合纖維的生產方法主要有復合紡絲法和共混紡絲法。 復合紡絲法是將兩種性質不同的高聚物，用兩根螺桿分別熔融、計量后，共同進入特殊設計的紡絲組件，經噴絲孔噴出冷卻成形。復合紡絲采用專用的復合紡絲機生產。 共混紡絲是將兩種或兩種以上的具有相容性的聚合物混合在一起進行紡絲的方法。這

27、種方法可以用普通紡絲設備。,,69,1.8 基體材料樹脂,復合材料是由增強材料和基體材料組成的?；w的三種主要作用是：把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保護纖維不受環(huán)境影響。在復合材料的成形過程中，基體經過一系列物理的、化學的和物理化學的復雜變化過程，與增強纖維復合成具有一定形狀的整體。因此，基體材料的性能直接影響復合材料的性能，而它的工藝性則直接影響復合材料的成形方法與工藝參數的選擇。,70,聚合物基復合材料的基體材料是樹脂。用作基材

28、的樹脂首先要具有較高的力學性能、介電性能、耐熱性能和耐老化性能，并且要施工簡便，有良好的工藝性能。樹脂大致可分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩類。前者有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等；后者有聚酰胺、聚砜、聚酰亞胺、聚脂等。這兩類基體材料在使用方法上有很大的不同。,71,,,,,,,,,,72,復合材料的組成,基體Matrix,增強體Reinforcement,界面Interface,,,,一般把基體和增強體之間化學成分有顯著變化的構成彼此結合、能

29、傳遞載荷作用的區(qū)域成為界面。,73,a是玻纖增強PP的沖擊試樣的斷口掃描電鏡照片，,,,74,（b）是未加相容劑的玻纖增強體系。,,75,復合效應,復合效應實質上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互補充的結果。 復合材料具有特殊的復合效應，使得復合材料不但基本保持了原有組分的性能，還增添了原有組分沒有的性能。 它表現為樹脂基復合材料的性能是其組分材料基礎上的線性和非線性的綜合。復合效應有正有負，性

30、能的提高總是人們所期望的，但有些材料在復合之后某些方面的性能出現抵消甚至降低的現象是不可避免的。,76,線性效應非線性效應界面效應尺寸效應各向異性效應,,復合效應,線性效應可細分為平均效應、平行效應、相補效應、相抵效應。 非線性效應可細分為乘積效應、系統(tǒng)效應、誘導效應、共振效應。,77,1、線性效應（1）平均效應（混合效應） 復合材料的某項性能等于各組分的該項性能乘以該組分體積分數之和?？捎没旌衔锒擅枋觯?Kc

31、= ΣKiφi （并聯模型） 1/Kc = Σφi/Ki （串聯模型）（2）平行效應 復合材料的某項性能與其中某一組分的該項性能基本相當。 Kc ≌ Ki,78,（3）相補效應 復合材料各組分復合后相互補充，彌補各自的弱點，產生優(yōu)異的綜合性能。 C = A×B（4）相抵效應 復合材料各組分之間出現性能相互制約，使其性能低于混合物定律預測值。 Kc < ΣK

32、iφi,79,以下舉例對其中的重要效應簡單作一說明。 平均效應又可稱為加和效應(Mean Properties)，反映在復合材料的混合定則(Rule of Mixture)中。該定則通常用來計算增強材料和基體復合后對某一性質產生的效果，即,式中 p―某一性質，例如強度、模量、泊松比、熱導等Pc―復合材料的某一性質；Pi―原始i材料的某一性質；Φ―體積分數；Φi― N種原始材料中第i種材料體積分數n―由實驗確定，其范圍

33、為-1≤ n ≤ 1,80,例題：p(PA66) =81.3MPa, p(GF)=3232MPa, p(CF)=3500Φ1= 0.7 , Φ2=0.3 n=1Pc1=81.3×0.7+3232×0.3=1026.51 (MPa)Pc2=81.3×0.7+3500×0.3=1106.91 (MPa),81,相補效應和相抵效應,,,,,,,,,,,,,,,,82,非線性效應中

34、，乘積效應(Product ProPcnMs＞又叫傳遞特性，交叉耦合效應。,例如對材料X輸入時輸出為Y，即一種轉換功能材料Y/X(如磁場／壓力的換能材料)；而Y又作為另一種材料的第二次輸入，產生輸出Z，即為另一種換能材料Z／Y(如電阻／磁場轉換材料)。兩種材料復合得出一新的機能材料，即Y／X．Z／Y＝Z／X(即電阻／壓力轉換構料)。 乘積效應對開發(fā)新型功能材料指出了方向，因為這種效應不僅僅比單一材料獲得很強的性能，甚至還

35、可利用它創(chuàng)造出任何單一材料都不存在的新的功能效應。,83,2、非線性效應相乘效應（X/Y）?（Y/Z）=X/Z,84,當你在點燃煤氣灶或熱水器時，就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務了一次。生產廠家在這類壓電點火裝置內，藏著一塊壓電陶瓷，當用戶按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產生很高的電壓，進而將電能引向燃氣的出口放電，于是，燃氣就被電火花點燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應。反之施加電壓，則產生機械應力

36、，稱為逆壓電效應。,轉換功能材料舉例,85,原理上利用鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷在電能與機械能之間相互轉換的正、逆壓電效應，既在壓電陶瓷加一電信號，便產生機械振動而發(fā)射超聲波，當超聲波在空氣傳播途中碰到障礙物立即被反射回來，作用于它的陶瓷時，則會有電信號輸出，通過數據處理時間差測距，計算顯示車與障礙物的距離及危險相撞時報警，可準確無誤地探測汽車尾部及駕車者視角盲區(qū)的微小障礙物，實用性相當強。,超聲波傳感器用作汽車倒車防撞報警器裝置，也被稱為

37、超聲波倒車雷達或倒車聲納系統(tǒng)，尤其適用于加長型裝載汽車、載重大貨車、礦山汽車等大型車輛。,86,1.9 用作先進航天系統(tǒng)及武器的結構和 防熱復合材料,(1) 樹脂基復合材料 具有質量輕、強度和剛度高、阻尼大的特點，主要用于先進載人航天器、空間站和固體發(fā)動機的結構件，是航天領域中用量較多的結構復合材料。與常規(guī)金屬材料相比，可減輕構件質量20%～60%。主要材料有石墨/環(huán)氧、硼/環(huán)氧、石墨/聚酰亞胺和聚

38、醚酮等。國內外在防空導彈天線罩的制造中也應用或正在開展應用工作。,(2) 金屬基復合材料 以金屬或合金為基體、并以纖維、晶須、顆料等為增強體。按所用的基體金屬和增強體的不同，使用溫度范圍約在300～1200℃。高比強度、比剛度、良好韌性和塑性、低膨脹系數、良好的導電和導熱性、抗輻射、抗激光及制造性能好，在太空環(huán)境不放氣，能在較高溫度（200～800℃）工作。用于先進載人器的起落架等機身輔助結構以及慣性器件和儀表結構等。主要材

39、料有碳化硅/鋁、氧化鋁/鋁、碳化硅/鈦、碳化硅/鈦鋁化合物和石墨/銅等。,88,(3) 陶瓷基復合材料 具有使用溫度高、抗氧化性和抗微裂紋性能好、質量輕、強度和剛度高特點，可用于航天飛機的機頭錐、機翼前緣熱結構和蓋板結構。主要材料有碳/碳化硅、碳化硅/碳化硅、硼化鋯/碳化硅和硼化鉿/碳化硅等，其中硼化物陶瓷基復合材料被認為是抗氧化最強的高溫材料，耐熱溫度達2200℃。,89,(4) 碳/碳復合材料 以碳或石墨纖維為增

40、強體。具有良好的抗氧化性、耐高溫和高應力，是現有復合材料中工作溫度最高的材料。主要用于載人再入航天器的熱結構、面板結構和發(fā)動機噴管燒蝕防熱結構等。材料有增強碳/碳（RCC）和進行碳/碳（ACC）。超輕、超剛性結構用的石墨泡沫材料（SGF）目前正在研究中，它有可能用于包括機翼、無人機及衛(wèi)星在內的結構件。,90,一半以上的碳/碳復合材料用于飛機剎車裝置，具有重量輕、耐高溫、比熱容大、壽命長、剎車力矩平穩(wěn)、噪音小等優(yōu)點。 前蘇聯的“暴

41、風雪”號航天飛機所用的復合材料達5t之多，在機翼前緣和頭錐罩應用了碳/碳復合材料充當最重要的隔熱部分，工作溫度1600℃。 美國“哥倫比亞”號航天飛機在頭錐和機翼前緣也使用了碳/碳復合材料，工作溫度大于1200℃。美國國防部將研制碳/碳部件和輕質航天器作為2001～2005年航天材料技術發(fā)展的重要目標。,1.10復合材料構件在其他方面的應用,----以碳纖維或碳化硅纖維增強的鋁基復合材料，在500℃時仍能保持足夠的強度和模量，比

42、未增強的鋁好得多；碳化硅纖維與鈦復合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動機風扇葉片。,----非金屬基復合材料由于密度小，用于汽車可減輕重量、提高車速、節(jié)約能源。如用碳纖維增強塑料制成的車身和發(fā)動機罩，其重量可比金屬制的輕一半以上；用碳纖維與玻璃纖維混合制成的復合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大五倍多的鋼片彈簧相等。,----碳化硅纖維與氮化硅陶瓷復合，使用溫度可達1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度高很多。,----復合材

43、料范圍廣，品種多，性能優(yōu)異，有很大的發(fā)展前途。玻璃纖維增強熱固性塑料中的片狀模塑料發(fā)展很快，已出現了許多分支，其制品已由非受力件擴大到受力件如傳動支架等。玻璃纖維增強熱塑性塑料的用途越來越廣，其發(fā)展速度在有的國家已超過熱固性的增長率。,----高級復合材料的發(fā)展方向是降低成本，擴大應用范圍。用兩種或兩種以上的不同纖維作為增強材料，不但可降低成本，且其混合效應超過一般的混合規(guī)律。航空中的結構件、工業(yè)用機器人、海洋開發(fā)用的結構材料、汽車片彈

44、簧和驅動軸等，將越來越多采用混合纖維增強復合材料。,復合材料在工業(yè)領域的主要應用（1）土木建筑領域 主要是橋梁和抗震補強材料，在日本和臺灣省大地震后，需求量大增。 另外，伴隨著信息社會的發(fā)達，出現了機密泄露和通過內外部的各種情報、通信設備而相互干擾等社會問題，其對策便是利用碳纖維網格混入混凝土中形成電磁波屏蔽墻加以解決。 此外，碳纖維管制的桁梁構架屋頂，比鋼制品輕1/2，使大型結構物達到了實用化的水平，而且施工效率和

45、耐震性能得到了大幅度提高。,（2）汽車 天然纖維復合材料在汽車工業(yè)中主要用于車門內裝飾板、司機用雜物箱、貨車車廂地板、備胎蓋、座位靠背。還可以用于儀表板、座椅扶手、儀表板雜件箱、后擱物架、車頂內村、遮陽板、座椅架行李倉裝飾板、座椅頭枕襯墊等。 相關數據顯示，北美地區(qū)2000—2005年間天然纖維復合材料汽車零部件的平均年增長率為50％左右。2005年，汽車工業(yè)對天然纖維的年需求量超過4.5萬噸。,（3）PAN(聚丙烯腈)系活性

46、碳纖維 由東邦人造絲首先產業(yè)化和上市，具有起吸附作用的微孔，吸脫附速度快，在低濃度下的吸附性能優(yōu)良，可用于清酒的脫色、凈化器濾材等。（4）海底油田上的油管等 作為深海海底油田的輸送管，具有輕、強、耐腐蝕等特性。此外，平臺支架、鉆井套管等也需CFRP（碳纖維增強熱固性樹脂）材料。,98,世界碳纖維的主要生產商為日本的東麗、東邦人造絲、三菱人造絲三大集團和美國的卓爾泰克（ZOLTEK）、阿克蘇（AKZO）、阿爾迪拉（ALDIL1）和德國

47、的SGL公司等。其中日本三大集團占世界生產能力的75％。世界CT型碳纖維總生產能力為22100噸/年；LT型碳纖維總生產能力為9550噸/年，實際生產量約為7000噸/年。,（5）風力發(fā)電用翼片 歐洲的風力發(fā)電翼片都采用CFRP材料，而隨著其大型化，考慮到20-40m長的翼片其強度和質量，已開始采用CFRP。（6）其它 CFRP和CFRPT（碳纖維增強熱塑性樹脂）可用于印刷軸承、凸輪、殼體、VTR(影象錄放器)、CD部件、齒輪、制動

48、器、泵、照相機部件、眼鏡架等，目前CFRPT還用得很少。,100,1.11 復合材料飛機構件的特點,1.11.1 復合材料飛機構件： 根據復合材料飛機構件的形式、增強劑、所用的原材料 可以分為三個方面： 1. 不同類型構件 (1)由梁、肋、長桁、框、壁板組成的或一次固化成形的機體構件，目前應用最廣泛。零件可以分散制造，成形工藝簡單，質量良好。 (2)用于承受軸向拉、壓載荷及扭矩的管狀構件，如飛機操縱桿。 (3)操縱

49、面上普遍使用的夾層結構，如方向舵面，副翼翼面等。夾層結構的芯子可以由不同材料組成，如硬質泡沫塑料、蜂窩芯子等。夾層結構的特點在于比剛度和比強度高，能承受均布的氣動力，所以在飛機上的活動操縱面上使用很合適。(4)蒙皮、整流罩、口蓋等層合板或夾層結構。,101,2. 不同種類增強劑制造的構件 復合材料飛機結構件的增強劑主要限于硼、碳及Kevlar的連續(xù)纖維。硼纖維有優(yōu)秀的機械性能，但價格昂貴，纖維直徑較粗，零件成形時限制比碳纖維多

50、，至今使用不廣。在美國的F-111、F-14及法國的幻影2000等飛機上，碳纖維的使用量占首位。碳纖維品種規(guī)格齊全，可根據設計要求選用，價格也比硼纖維便宜。Kevlar纖維具有很高的抗拉強度，密度小，韌性好，但抗壓模量低，在主受力構件中應用受到限制。但與其它纖維混用，可以改善層壓板性能。,102,在復合材料構件中使用的主要增強劑有：(1) 單一增強劑(2) 混雜型增強劑混雜型增強劑在層壓板中存在的形式有：層間混雜 不同纖維層在

51、層間按一定規(guī)律相互交替存在。層內混雜 在同一層內，存在不同的纖維，如Kevlar纖維與碳纖維的編織物。纖維間混雜 一束纖維中有兩種以上不同的纖維。(3) 單向纖維與編織物復合材料的原材料以預浸料形式提供使用。,103,3. 金屬與復合材料混合的構件(1) 全復合材料構件 如強-五飛機的垂直安定面。這種結構當受熱時不會因材料不同引起不同膨脹而產生內應力，也不會發(fā)生金屬材料的腐蝕問題。(2) 金屬材料與碳纖維/環(huán)氧樹

52、脂復合材料混用于同一結構中 它們之間可以采用機械連接或膠接連接，也可以在復合材料構件固化過程中把金屬件嵌入層壓板中，但可能產生內應力和腐蝕。,104,1.11.2飛機復合材料構件的結構工藝性： 在先進復合材料零件的制造中，普遍應用纏繞法制造筒體或桿狀件和以預浸料鋪疊成坯件，然后固化成各種零部件。等截面的型材可用拉擠法成形。目前預浸料法是飛機構件主要的制造方法。,105,復合材料構件的結構工藝性是以飛機構件制造難易程度為依

53、據的。一個具有良好工藝性的復合材料構件的結構設計，應該使構件容易制造，不需太復雜的技術和大量的模具；容易控制質量，構件內部不要產生分層、孔隙、樹脂分布不均等缺陷，容易保證尺寸外形精確度，制品具有良好的互換協調性；易于實現制造過程機械化和自動化；生產準備簡單，不需大規(guī)模技術改造，生產周期短，效率高。,106,1. 結構工藝分離面劃分 復合材料的飛機構件要合理地劃分工藝分離面。工藝分離面決定了施工工作面、施工通路開暢性、工藝裝備數量

54、、協調方法及整個工藝路線，對質量、效率和成本都有很大影響。,影響飛機復合材料構件結構工藝性的因素,*工藝分離面－是由于生產上的需要，為了合理地滿足工藝過程的要求，按部件進行工藝分解而劃分出來的分離面。工藝分離面之間一般都采用不可卸連接，如鉚接、膠接、焊接等，裝配成部件后，這些分離面就消失了。,107,劃分工藝分離面的依據充分利用設計分離面為工藝分離面。如獨立的平尾、垂直安定面、各種操縱面。平尾、垂直安定面等可再細分為前緣、后緣、主承

55、力盒、翼尖等工藝單元，這樣既便利于設計，也為制造及以后飛機使用和維護提供方便。應考慮構件的大小、結構、形狀的復雜程度，目前具有制造技術水平、設備能力等因素。,108,有足夠的剛度，分解后構件的變形都必須控制在允許范圍內。更細的工藝單元具有極開暢的施工通路和更多的施工工作面，但需要更多的工藝裝備，增加了互換協調環(huán)節(jié)，這對單件或小批量生產是不合理的。,109,2. 構件的外形 構件形狀對工藝方法、產品質量、制造成本都有很大影響。

56、如細長的筒桿件可用纏繞法制造，大而薄的壁板件宜用預浸料-真空熱壓罐法制造，數量多的小板件可用熱壓機模壓成形。采用對稱的構件，可以減少模具數量，協調方法簡單，構件變形小。,110,具有直母線外形的構件，工藝裝備制造容易。單曲面外形構件容易獲得高質量的疊層塊坯件，尤其是用寬幅單向預浸料更能保證質量，節(jié)約工時。平整而光滑過渡的外形，使樹脂流動更均勻，不易產生富膠、貧膠和纖維皺曲，局部不易壓實而成疏松的缺陷。,111,3. 構件成形的幾

57、何參數為了提高結構整體性，減少零件數量，減少裝配工作量，應盡量采用共固化方法制造構件。因此，對構件內部的縱橫向件的布置與組合要有合適的選擇，以使構件在鋪疊、固化成形后易于脫模。,112,在復合材料構件上應盡量少制孔。對于那些施工、檢查、維修所需的大孔，要制成圓孔。如果需要制成方形孔，四角應呈圓弧形，避免因尖角引起應力集中。層合板鋪層組織應該是平衡結構，鏡像（mirror）對稱鋪貼固化時可以減少變形。如需與金屬構件共固化時，金屬件的

58、布置應該處于對稱位置，并盡量選用膨脹系數與復合材料相近的材料。,113,如果可能，應使彎邊零件的彎邊大于90°。這樣不僅容易成形，簡化模具，而且固化后零件易從模具中取出。彎邊的圓角半徑R取決于纖維的柔軟度。大的圓角半徑有利于成形。構件厚度根據設計所要求的強度和剛度確定。復合材料構件固化時希望各處厚度差異不要太大。,114,對于構件的裝配，采用共固化方法時，由于整體成形可以不要補償。由零件組裝時，就要補償。成形后的復合材料零件

59、的配合面不允許修挫，而零件制造必然有誤差。公差應該采取小的負差，在裝配時用快速固化的液體塑料墊片充填補償。結構的開暢性對零件成形和部件裝配都很重要。在零件成形過程中，便于從模具中取出零件、模塊、輔助模等。良好的開敞性為裝配提供零件安裝、定位及連接的通路，也為部件在以后使用中的檢修、維護提供了通道。,115,4.預浸料形式的選取預浸料以單向無緯布（或帶）和編織物形式提供使用。編織物預浸料不僅施工方便，生產效率高，而且可以制造某些用單