先进复合材料在航空航天领域的加工和应用要点.docx

北华航天工业学院毕业论文第 1 章  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] 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)1北华航天工业学院毕业论文可维的需求量有所减少,2002 年约减少 20%,2003 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 ,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 %,减少零件 %,减少紧固件 %;复合材料垂直安定面可减轻质量 %。用军机战术技术性能的重要指标,结构重量系数来2北华航天工业学院毕业论文衡量,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 。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。3北华航天工业学院毕业论文图 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