先進復合材料在航空航天艦船上的應用

1、先進復合材料在航空航天，艦船上的應用,復合0802 謝駿,1 先進復合材料在航天器中的應用,航空航天器材料的應用要求：航空航天器不僅要求具有一定的先進性和極高的可靠性（特別是載人航天器），而且要求盡量減輕結構重量，以增強有效載荷。如航天飛機固體火箭助推器采用石墨/環(huán)氧復合材料取代鋼殼體，可減重量30%，使航天飛行運輸能力增加2.1噸，因此要求材料具有極佳的綜合性能，特別是高比強度、比剛度，足夠的斷裂韌性等。 航空航天器需要在大氣層空

2、間高速飛行，同時要防止敵方探測或攻擊，因此要求具有耐高溫、耐真空、耐腐蝕、耐沖擊、抗粒子云、抗核輻射、抗激光、抗噪聲、隱身等多種功能。 航空航天器性能先進，造價昂貴，又要求材料盡可能減少研制、生產和加工費用，或為節(jié)約戰(zhàn)略資源而選用代用材料。隨著航空航天事業(yè)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代立體戰(zhàn)爭的出現(xiàn)，具有優(yōu)異性能的復合材料的應用比率不斷增加。,復合材料具有質量輕，較高的比張度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、隔熱、隔音、減振、耐高(低)溫，獨特的耐燒

3、蝕性、透電磁波，吸波隱蔽性、材料性能的可設計性、制備的靈活性和易加工性等特點，被大量地應用到航空航天等軍事領域中，是制造飛機、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。代表航空航天技術開發(fā)水平的一個重要標志是看復合材料使用數(shù)量的多少。,減輕航天器質量,航天器的質量是其性能的重要影響因素。導彈/火箭質量越輕，自然飛行速度越快，射程也越遠。,,導彈殼體材料對射程的影響,減輕航天器質量,對于多級火箭，其質量主要集中在各級發(fā)動機、級間段和連接器

4、上，因此減重的著眼點也在此。目前復合材料在上述部位已大顯身手。美國通用動力公司的康維爾宇航分公司設計的直徑為2.13m、高為2.34m的“阿特拉斯”5導彈連接器，除口蓋采用金屬材料外，其他部位都采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料。它比同樣設計的鋁結構材料輕42.6kg，減重約44%。此外，采用碳纖維增強聚酰亞胺樹脂復合材料可制造火箭的儀器艙等。無疑，這些碳纖維增強復合材料結構件將使其質量大大減輕，從而提高其射程并改善其性能。我國在“風

5、云二號氣象衛(wèi)星”及“神舟”系列飛船上均采用了碳/環(huán)氧先進復合材料做主承力構件，大大減輕了整星的質量，降低了發(fā)射成本。,,航天飛機的軌道飛行器有效載荷艙門也是用碳纖維增強塑料制成的。這個大型制件的半徑為2.7m，高2m，長18.3m，整個艙門重1451.5kg，比鋁制件降低430.9kg，減重23%。,碳纖維復合材料還可用作衛(wèi)星的太陽能電池板。例如，德國MBB公司研究一種功率在千瓦以上的伸長式“硬”太陽能電池板，采用碳纖維增強鋁芯夾層結構

6、，在橫向加速條件下，太陽能電池板承受的撓度僅有55mm，而且大大減輕了質量。,衛(wèi)星在軌道上飛行時，要經得起太空環(huán)境劇烈的溫度交變（白天100℃，夜間- 100℃ ），以及陽面與陰面的溫度差。碳纖維復合材料的熱膨脹系數(shù)小，可滿足這種環(huán)境的要求。,適應空天環(huán)境,美國F-22猛禽戰(zhàn)機,1997年服役，目前世界性 能最佳的制空戰(zhàn)機之一 55%機身采用高強度、低重量 的復合材料估計單價超過 2 億美元,2 復合材料在航空中的應用,飛行器

7、發(fā)展史也可以看成是材料應用的發(fā)展史，每當一類新型的、高性能飛機出現(xiàn)，都可證明是新材料的研究與應用發(fā)展的結果。當代飛機系列分析表明，往往可以用復合材料的用量多少來判斷飛機的先進性。,航空發(fā)動機材料發(fā)展預測,先進復合材料在航空發(fā)動機上的應用,美國通用電器飛機發(fā)動機事業(yè)集團公司(GE-AEBG)和惠普公司等，都在用先進復合材料取代金屬制造飛機發(fā)動機零部件，包括發(fā)動機艙系統(tǒng)的許多部位推力反向器、風扇罩、風扇出風道導流片等都用先進復合材料制造。如

8、發(fā)動機進氣罩的外殼是由美國聚合物公司的碳纖維環(huán)氧樹脂預混料(E707A）疊鋪而成，具有耐177 ℃ 高溫的熱氧化穩(wěn)定性，殼表面光滑似鏡，有利于形成層流。又如FW4000型發(fā)動機有80個149 ℃的高溫空氣噴口導流片，也是碳纖維環(huán)氧預浸料制造的。,4、先進復合材料在艦船上的應用,艦船材料（尤其是結構材料）的應用與發(fā)展是與艦艇的航海特性、作戰(zhàn)能力和海洋環(huán)境密切相關的。 對艦船材料的基本要求包括高強度、低密度，足夠的韌性，良好

9、的耐海水腐蝕和應力腐蝕性能和加工性能及其他各種特殊功能。 近年來，隨著各類艦船的不斷改進，對先進復合材料的需求也日趨提高。,復合材料作為艦船材料具有如下特點：質輕，優(yōu)良的機械性能；抗疲勞性好，一般金屬材料的抗疲勞極限為抗拉強度的40%～50%，而碳纖維塑料強度是70%~80%;無磁性，在很大的磁場中也不會被磁化，因此復合材料艦船不易被對方磁探儀發(fā)現(xiàn)，可使裝磁引信的水雷或魚雷失效，可以避免磁性雷的攻擊，具有很好的反監(jiān)

10、護作用；耐腐蝕性好，在酸性、堿性及眾多惡劣環(huán)境中具有良好的耐腐蝕性。用復合材料制造艦船，不用涂漆，在海水中航行幾年也不會生銹，能減少涂油漆等維修費用，使用年限長；具有可設計性，可根據(jù)性能需求，選擇不同聚合物和增強材料以及不同的配方、成型工藝等達到不同的性能，可根據(jù)艦船不同部位的結構要求，進行材料、鋪層和結構的優(yōu)化設計。在復合材料的成型過程中，同時形成了制品的結構，可大大減少車、銑、刨、磨等機械加工過程和裝配過程，使船殼和構件的整體

11、性好，無接縫或少接縫，無滲漏，提高了艦船的性能。,20世紀70年代以來，具有高比強度的復合材料逐步跨入艦船結構應用領域，引起了艦船結構的新變革。 首先大量應用于中小艦船的是玻璃纖維增強塑料即玻璃鋼，這類材料具有比強度高、沖擊韌性好（防彈性強），耐海水腐蝕及耐酸、堿、油和海洋生物污損，無磁性（可防磁性水雷攻擊和雷達探測）等若干優(yōu)點，可用于建造掃雷艇、巡邏艇、登陸艇和深潛器等。 美國海軍于1946年建成了長8.

12、53m的世界第一艘玻璃纖維增強聚酯材料交通艇，就此拉開了復合材料造船的序幕。這之后，為了加快玻璃鋼船艇的發(fā)展，美國海軍在上世紀50年代中期就規(guī)定16m以下的艦艇必須用復合材料制造。前蘇聯(lián)在1972年建造了長43米的玻璃鋼船體掃雷艇。英國也于70年代末建造了長60米、排水量625噸的玻璃鋼掃雷艇。同時，美、英、前蘇聯(lián)均建造了玻璃鋼耐壓殼體深潛器，下潛深度可達914米。,4、先進復合材料在艦船上的應用,4、先進復合材料在艦船上的應用,后來各

13、國又開發(fā)了難熔樹脂基體的玻璃鋼船體。20世紀80年代末美國建造的MHC-1級獵/掃雷艇，90年代初建成了玻璃鋼沿海獵雷艇“Osprey”號，艦體均采用高級間苯聚酯樹脂。 自上世紀70年代中期起，各國又相繼采用碳纖維和凱夫拉纖維增強塑料建造的巡邏艇，船體減重20%～30%。如美軍采用凱夫拉49增強復合材料建造了長達14.3米，船速達60km的巡邏艇；英國和意大利于80年代中期也采用這種材料試制了高速軍用艇。,由美國國防部部

14、隊轉型辦公室設計并建造的，2006年2月初下水的美國海軍最新型高速隱形試驗快艇代號M80的“短劍”（Stiletto），是美國使用碳纖維復合材料一次成型制造的最大船體，在整體制造成形過程中不用焊接，更無需鉚接，因此船體外表十分光滑，重量也大為降低。該艇長為24.4m，寬為12.2m，吃水為0.9米，排水量為67t。 該艇獨特的雙“M”船體設計以及碳纖維材料的使用，不但使其獲得了高速，也使其行駛過程中的穩(wěn)定性更高，高速行駛

15、中的沉浮現(xiàn)象大大減輕，即使在高速回轉時，依然可以保持平穩(wěn)行駛，從而增加了艇員的舒適度，提高了艇的適航安全性，擴大了在內河和地形復雜的淺海使用范圍。與此同時，由于其阻力的降低也使得“短劍”比普通快艇更加節(jié)省燃料。,美國海軍“短劍”新型高速隱形試驗快艇,瑞典考庫姆船廠制造的“維斯比”輕型護衛(wèi)艦 于2000年6月8日下水，全長73m，艦寬為10.4m，吃水深度為2.4m，排水量為600t。 該艦的艦體、甲板和上層建筑基本都是

16、碳纖維增強塑料夾層板制成的。這種材料不僅結構堅實,而且無磁性,有利于降低艦船產生的磁場,并有良好的抗震性能,而且可以絕熱,對艦艇內各種機械設備產生的紅外輻射有較好的屏蔽作用。這使得“維斯比”艦被敵方探測的距離可縮短至13km 以內。,維斯比級隱身輕型護衛(wèi)艦,4、先進復合材料在艦船上的應用,德國開發(fā)出碳纖維環(huán)氧樹脂螺旋槳，該螺旋槳的漿葉高強度，比金屬輕25%～35% ，有利于高速艇的加速，有良好的阻尼性能, 可使噪聲等級相對于金屬漿下降5