先进复合材料在航空航天领域的加工和应用毕业论文.doc

先进复合材料在航空航天领域的加工和应用毕业论文
第1章绪论
11 前言
posite Materials一词大约出现在20世纪50年代由于其具有高度的复杂性多样性存在着多种颇为严格的定义国内最权威的是两院院士师昌绪给出的比较全面完整的定义这个定义的叙述是复合材料是有有机高分子无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料它既能保留原组分材料的主要特色又通过复合效应而获得原组分所不具备的性能与一般材料的简单混合有本质的区别〔1〕
12 先进复合材料在航空航天领域的应用
碳纤维是纤维状的碳素材料含碳量在90以上具有十分优异的力学性能与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量特别是在2000℃以上高温惰性环境中是唯一强度不下降的物质此外其还兼具其他多种得天独厚的优良性能低密度高升华热耐高温耐腐蚀耐摩擦抗疲劳高震动衰减性低热膨胀系数导电导热性电磁屏蔽性纺织加工性均优良等因此碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能被应用于军事及民用工业的各个领域在航空航天领域的光辉业绩尤为世人所瞩目2005 年世界碳纤维的耗用量已超过2 万吨图1 为21 世纪前十年碳纤维需求量的统计预测情况航空航天领域的碳纤维需求情况见表1 所示约占总消耗量的20%左右
图 1 世界碳纤维需求量单位吨可维的需求量有所减少2002 年约减少202003 年则减少约9 2003 年以后航空航天领域对碳纤维的需求出现快速增长2006 年与2001 年相比将增长约40 2008 年将增长约76 到2010 年和2001 年相比预计增长超过100本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料CFRP在航空航天领域应用的新进展〔2〕
表 1 航空领域应用的新进展
T300 碳纤维树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用目前应用较多的为拉伸强度达到55GPa断裂应变高出T300 碳纤维的30%的高强度中模量碳纤维T800H纤维军品碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料在战斗机和直升机上碳纤维复合材料应用于战机主结构次结构件和战机特殊部位的特种功能部件国外将碳纤维环氧和碳纤维双马复合材料应用在战机机身主翼垂尾翼平尾翼及蒙皮等部位起到了明显的减重作用大大提高了抗疲劳耐腐蚀等性能数据显示采用复合材料结构的前机身段可比金属结构减轻质量315减少零件615减少紧固件613复合材料垂直安定面可减轻质量3224用军机战术技术性能的重要指标结构重量系数来衡量国外第四代军机的结构重量系数已达到27~28未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35左右其中碳纤维复合材料将成为主体材料国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机已实现了结构的复合材料化目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材料
图 2 美国F-22 军用飞机民品
在民用领域555座的世界最大飞机A380由于CFRP的大量使用创造了飞行史上的奇迹飞机25重量的部件由复合材料制造其中22为碳纤维增强塑料 CFRP 3为首次用于民用飞机的GLARE纤维-金属板铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构这些部件包括减速板垂直和水平稳定器用作油箱方向舵升降舵副翼襟翼扰流板起落架舱门整流罩垂尾翼盒方向舵升降舵上层客舱地板梁后密封隔框后压力舱后机身水平尾翼和副翼均采用CFRP制造继A340对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封框
――复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后A380又一次对连接机翼与机身主体结构中央翼盒新的禁区发起了成功挑战〔3〕仅此一项就比最先进的铝合金材料减轻重量15吨由于CFRP的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损从而大大减少了油耗和排放燃油的经济性比其直接竞争机型要低13左右并降低了运营成本座英里成本比目前效率最高飞机的低15--20成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机
图 3 空中客车A- 航天领域的新进展
火箭导弹以高性能碳石墨纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构功能或结构功能一体化构件材料在导弹运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上碳碳和碳酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重要防热材料在美国侏儒民兵三叉戟等战略导弹上均已成熟应用美国日本法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料如美国三叉戟-2 导弹战斧式巡航导弹大力神一4 火箭法国的阿里安一2 火箭改型日本的M-5火箭等发动机壳体其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为53GPa 的IM-7 碳纤维性能最高的是东丽T-800 纤维抗拉强度565Gpa杨氏模量300G