复合材料在飞行器制造中的应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2复合材料在飞行器制造中的应用,减轻结构的重量可大大节约飞机的使用成本，取得明显的经济效益。据国外有关资料报告，先进战斗机每减重,1kg,，就可节约,1760美元,。西方国家在很短的时间内就实现了从非受力件和次受力件到主受力件应用的过渡，无论是用量还是技术覆盖面都有了很大的发展。目前正在研制的战斗机中所使用的复合材料可占飞机结构总重量的,50%,以上。飞机隐身技术的发展与应用，进一步扩大了对复合材料技术的需求。在继民用飞机中出现全复合材料飞机（如Lear Fan 2100，Starship和Vayager）之后又出现了全复合材料机身的隐身轰炸机B2。此外，也只有采用了复合材料，才使前掠翼得以在X-29上实现。,2,Lear Fan 2100,3,B2隐形轰炸机,4,苏44 苏47,前,掠翼具有许多突出的优点。前掠翼在高攻角时有更好的稳定性和可控性,可增大飞机的转弯角速度;阻力小;不会出现翼尖气流分离现象,故可增大升力,从而显著提高飞机的升阻比;另外还可改善布局,减小迎面对雷达波的反射面积。,5,6,7,F-18战斗机,8,9,波音767客机,10,11,TAG公司推出全复合材料机体无人直升机,12,F-22,13,从国内情况看，当前国内飞机型号应用复合材料的比例越来越高，应用复合材料的部件越来越大，复合材料构件的结构也越来越复杂，复合材料构件已经逐步从次承力构件到主承力构件转变，复合材料的垂直安定面、水平尾翼、前机身、舱门、整流罩等构件已在多种型号飞机上使用并形成了批量生产能力。机翼、旋翼等主承力构件也已经在小批量生产。,14,目前国内复合材料在飞机上应用最多的是新研制的中、高空,长航时无人机,，其机体复合材料的使用量达到70%，机翼翼展18米，为全复合材料结构；其中，机翼整体盒段运用设计工艺一体化技术，将机翼的前、后梁，上蒙皮和所有中间肋整体共固化成型，在复合材料应用技术上有所突破。在自行设计制造的某新型武装直升机上，大量采用了复合材料，其机身结构、主桨叶、尾桨叶和尾段为全复合材料结构。,15,长航时无人机,某新型武装直升机,16,17,记者在哈航集团的生产车间里看到，工人们正在模具上进行“铺层”工作。几名工人首先将一种薄得像布一样的特殊材料铺在模具上，然后在上面刷上一层特种胶水，随后再铺上一层“布”。在铺了若干层“布”后，经过固化、成型，制成特殊复合材料。最后将根据尺寸要求，加工出具有流线形的壳体整流罩。哈航集团为波音公司生产的整流罩将用于“波音787”机体和机翼的结合部，可将裸露在机体外面的某一部件或装置封闭起来，起到保护与减少空气阻力的双重作用。,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,密度,1.6,复合材料的性质:,性能比较,29,拉伸强度,30,弹性模量,31,比强度,比模量,32,比强度和比模量高,材料的强度除以密度称为比强度；材料,的刚度除以密度称为比刚度。这两个参量,是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和,比刚度较高说明材料重量轻，而强度和刚度,大。这是结构设计，特别是航空、航天结构,设计对材料的重要要求。现代飞机、导弹和,卫星等机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复,合材料的比例。,33,耐疲劳性能好,一般金属的疲劳强度为抗拉强度的,40,50%,，而某些复合材料可高达,70,80%,。复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化。因此，,复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救,。纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能。,用复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长数倍,。,34,减振性能良好,纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大，因此具有较好的减振性能。用同形状和同大小的两种粱分别作振动试验，碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属粱要短得多。,35,过载安全性好,在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。,36,耐热性能好,在高温下，用碳或硼纤维增强的金属其强度和刚度都比原金属的强度和刚度高很多。普通铝合金在,400,时，弹性模量大幅度下降，强度也下降；而在同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的铝合金的强度和弹性模量基本不变。,复合材料的热导率一般都小，因而它的瞬时耐超高温性能比较好,。,37,各向异性及性能可设计性,各向异性是复合材料的一个突出特点，与之相关的是性能的可设计性。复合材料的力学、物理性能除了由,纤维、树脂的种类及体积含量,而定外，还与,纤维的排列方向、铺层顺序和层数,密切相关。因此，可以根据工程结构的载荷分布及使用条件的不同，选取相应的材料及铺层设计来满足既定的要求。复合材料的这一特点可以实现构件的优化设计，做到安全可靠、经济合理。,38,工艺性好,纤维增强复合材料一般适合于整体成型，,减少了零部件的数目及接头紧固件，减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。,另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体粘结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，,不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力很小,。,39,1.7 增强材料纤维,增强材料,:,能和聚合物复合，形成复合材料后其比强度和比模量超过现有金属的物质。反之，称为,填料,。,纤维增强材料,粒子增强材料（片状、颗粒状）,40,主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量一般在90以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如,耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀,等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的,各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度,。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。,制造,：由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经,热稳定氧化处理,、,碳化处理,及,石墨化,等工艺制成。,应用,：与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。,碳纤维增强环氧树脂复合材料,，,其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中最高。,在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具优势。,碳,纤,维,41,碳纤维,碳纤维是以,聚丙烯腈纤维,、,粘胶纤维,或,沥青纤维,为原丝，通过加热除去碳以外的其它一切元素制得的一种高强度、高模量的纤维，它具有很高的化学稳定性和耐高温性能，是高性能增强复合材料中的优良结构材料。,以粘胶为原丝时，粘胶纤维可直接炭化和石墨化。纤维先进行干燥，然后在氮或氩等惰性气体保护下缓慢加热到400,。达400 后，快速升温至9001000 ，使之完全炭化，可得含碳量达90%的碳纤维。,若以聚丙烯睛 纤维为原丝，则需先对原丝进行180220 、约10小时的预氧化处理，然后再经过炭化和石墨化处理，由此制得具有优良性能的碳纤维。,42,活性碳纤维的生产工艺流程,PAN纤维,沥青纤维,粘胶纤维,预氧丝,预氧丝,预氧丝,碳化活化,ACF,活性炭纤维,活性碳纤维毡,活性碳纤维布,活性碳纤维纸,不熔化,预氧化,催化浸清预氧化,43,碳纤维的分类,按性能分类：,高性能型碳纤维抗拉强度在,2000MPa,以上，主要用于航天、,航空和军工等领域；,通用型碳纤维抗拉强度在,600,1200MPa,左右，主要用于,机械制造、建筑和体育用品，如刹车片、轴承、密封材料等。,其它：活性碳纤维、气相生长碳纤维、纳米碳纤维等,按原料分类：,粘胶基碳纤维（,90,）,沥青基碳纤维（,10%,）,44,碳纤维的制造方法:,碳纤维制品有布、带、粗纱、短纤维和毡等,长丝-filament，基本的纤维结构单元。本身是连续的，,或至少远远长于其平均直径（通常其直径为510,微米）,纱-yarn，小束的连续长丝，一般不大于10000支，纤维,轻轻的铰合在一起以便像长丝那样使用,纤维织物-交织纱、纤维或长丝所编织的平面纺织品结构,气相法,有机纤维碳化法（可制造连续长纤维）,45,46,1.7.2芳纶纤维:,芳纶学名叫,芳香族聚酰胺纤维,，是以含苯环的二氨基化合物与含苯环的二羧基化合物为原料制成的，属于聚酰胺纤维。芳纶所用原料不同有多种牌号，如尼龙6T、芳纶1414、芳纶14、芳纶1313等。其中以芳纶1414、芳纶1313最为成熟，产量最大，使用最多。,47,芳纶纤维:,芳纶发明于20世纪60年代，由美国和苏联等首先研制成功，并于70年代投入工业化生产。目前美、德、日、俄等国已生产芳纶1414，总生产能力为4.1万吨/年。美、日、俄等国生产芳纶1313，总生产能力为2.4吨年。,我国于20世纪70年代开始研究芳纶，已基本上掌握了其生产技术及工艺条件，但这种产品的生产工艺过程复杂，对技术与设备的条件要求很高，目前只有小规模生产。,48,芳纶纤维:,芳纶,1414,的商品名叫凯芙拉（,Kevlar,），,所用原料是对苯二甲酰氯和对苯二胺。,Kevlar,被称作高强度、高模量纤维，其强度是普通锦纶或涤纶纤维的,4,倍，为钢丝的,5,倍、铝丝的,10,倍。冲击强度可比金属高,6,倍,。,模量为锦纶的,20,倍，比玻璃纤维和碳纤维的模量都高。使用寿命比玻璃纤维长,3,10,倍。长期使用温度为,240,，在,400,以上才开始烧焦。,缺点是横向强度低，压缩和剪切性能差。,49,芳纶纤维:,密度,1.44,，比各种金属都要轻得多。,化学性能很稳定。,主要用于航空航天和国防军工领域，主要用于制作各种复合材料，用于空间飞行器、飞机、直升飞机等的内部及表面，还可用于宇宙飞船、火箭发动机外壳、导弹发射系统。可用于制作防弹衣、防弹头盔、轮胎帘子线和抗冲击织物。,50,芳纶纤维:,目前已实现工业化并广泛使用的聚芳酰,胺纤维,Kevlar,特点：,高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度。同时它也耐蠕变、耐疲劳，而且热膨胀系数小,。用Kevlar49作增强材料可代替铝合金，它的冲击强度可比金属高6倍，使用寿命比玻璃纤维长310倍，,芳纶纤维的,成纤工艺与碳纤维和玻璃纤维都不同，它用的是,液晶纺丝工艺，用干喷湿纺法纺丝,。芳纶纤维和其它增强纤维一样，可以制成各种连续长纤维和粗、细纱。细纱可以纺织成各种织物，粗纱可以加工成各种粗纱布或单向带。,51,Kevlar纤维成形：,1、纺丝原液的制备：聚合物在少数强酸性溶液中（浓硫酸）溶解成适宜纺丝的浓溶液，使其具有典型的,向列型液晶结构,；,2、成形工艺：纺丝原液通过喷丝孔，在剪切力和拉伸流动下，向列型液晶微区沿纤维轴向取向，吐出喷丝孔后，由于压力松弛，使取向的大分子链产生部分,解取向,倾向。很快液流受到拉伸应力作用，又抑制解取向，在空气中进一步细化伸长并获得,高度取向,，到低温的凝固浴中，冷却凝固成冻结液晶相纤维，因此初生丝无需拉伸就能得到高强度高模量的纤维。,52,53,1.7.3玻璃纤维:,最早用于聚合物基复合材料的一种增强材料。美国于1893年即研究成功玻璃纤维，1938年工业化并作为商品出售，40年代初即应用于航空工业。,玻璃纤维熔制过程示意图,54,玻璃纤维,-glass fibre,玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺。最后形成各类产品，玻璃纤维单丝的直径从几微米到二十几微米，相当于一根头发丝的 1/20-1/5，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成，通常作为复合材料中的增强材料。,55,玻璃纤维具有很高的拉伸强度，不仅超过了各种天然纤维和合成纤维，同时也超过一般钢材的强度。玻璃纤维的强度与直径和长度的大小有关，一般来说,直径越细，拉伸强度越高；拉伸试件越长，强度越小,。玻璃纤维的弹性模量不高，与纯铝的模量接近，只有普通钢的1/3。,弹性模量低是其主要缺点,。玻璃纤维受力时，其拉伸应力-应变特性基本上是一条直线，没有塑性变形阶段，属于具有脆性特征的弹性材料。它的,扭转强度、剪切强度均较其它纤维低,。,56,玻璃纤维还具有,耐热、耐腐蚀、优良的电绝缘性能与光学性能。,玻璃纤维外观为光滑的圆柱体，断面为圆形。由于其表面光滑，与树脂结合力小，需加,偶联剂,才能与树脂结合。,玻璃纤维生产用的最广泛的方法是,坩埚法拉丝和池窑漏板法拉丝,两种。玻璃纤维制品主要有纤维布、纤维毡和纤维带等。玻璃纤维布可分为平纹布、斜纹布、无捻粗纱布（方格布）、单向布、无纺布等。玻璃纤维毡又分为短切纤维毡、表面毡及连续纤维毡等。,57,坩埚炉,58,池窑拉丝是国际上普遍采用的玻璃纤维生产新工艺，该技术特点是，采用重油或燃气加热单元窑，粉料直接熔化成玻璃，经燃气加热的成型通路，由多台（数十到上百台）漏板同时拉制各种规格的玻璃纤维原丝。具有生产规模大、效率高、能耗低、产品质量好等优点，能适应800至4000孔大漏板拉丝成型的要求，是生产高质量、低成本玻璃纤维材料的最佳方法。,59,玻璃池窑,60,池窑拉丝,61,湿法毡生产线,62,连续原丝毡生产线,63,短切原丝毡生产线,64,离心棉生产线,65,玻璃纤维过滤布生产线,66,1.7.4复合纤维的生产方法,复合纤维的生产方法主要有,复合纺丝法,和,共混纺丝法,。,复合纺丝法是将两种性质不同的高聚物，用两根螺杆分别熔融、计量后，共同进入特殊设计的纺丝组件，经喷丝孔喷出冷却成形。复合纺丝采用专用的复合纺丝机生产。,共混纺丝是将两种或两种以上的具有相容性的聚合物混合在一起进行纺丝的方法。这种方法可以用普通纺丝设备。,67,68,1.8 基体材料树脂,复合材料是由,增强材料,和,基体材料,组成的。基体的三种主要作用是：,把纤维粘在一起；,分配纤维间的载荷；,保护纤维不受环境影响。,在复合材料的成形过程中，基体经过一系列物理的、化学的和物理化学的复杂变化过程，与增强纤维复合成具有一定形状的整体。因此，基体材料的性能直接影响复合材料的性能，而它的工艺性则直接影响复合材料的成形方法与工艺参数的选择。,69,聚合物基复合材料的基体材料是树脂。用作基材的树脂首先要具有,较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老化性能，并且要施工简便，有良好的工艺性能,。树脂大致可分为,热固性树脂,和,热塑性树脂,两类。前者有环氧树脂、酚醛树脂等；后者有聚酰胺、聚砜、聚酰亚胺、聚脂等。这两类基体材料在使用方法上有很大的不同。,70,71,复合材料的组成,基体,Matrix,增强体,Reinforcement,界面,Interface,72,a是玻纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片，,（a）是加入MPP相容剂的玻纤增强体系，(a）中玻璃纤维与基体的结合较好，纤维拔出较少.,73,（b）是未加相容剂的玻纤增强体系。,从中可以看出，而（b）中有大量的玻纤从基体中拔出，证明与基体的粘接性较差，因而体系的力学性能不高。,74,复合效应,复合效应实质上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互补充的结果。,复合材料具有特殊的复合效应，使得复合材料不但基本保持了原有组分的性能，还增添了原有组分没有的性能。,它表现为树脂基复合材料的性能是其组分材料基础上的线性和非线性的综合。复合效应有正有负，性能的提高总是人们所期望的，但有些材料在复合之后某些方面的性能出现抵消甚至降低的现象是不可避免的。,75,线性效应,非线性效应,界面效应,尺寸效应,各向异性效应,复合效应,线性效应可细分为平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应。,非线性效应可细分为乘积效应、系统效应、诱导效应、共振效应。,76,1、线性效应,（1）平均效应（混合效应）,复合材料的某项性能等于各组分的该项性能乘以该组分体积分数之和。可用混合物定律描述：,Kc=Kii （并联模型）,1/Kc=i/Ki （串联模型）,（2）平行效应,复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基本相当。,Kc Ki,77,（3）相补效应,复合材料各组分复合后相互补充，弥补各自的弱点，产生优异的综合性能。,C=AB,（4）相抵效应,复合材料各组分之间出现性能相互制约，使其性能低于混合物定律预测值。,Kc Kii,78,以下举例对其中的重要效应简单作一说明。,平均效应又可称为加和效应(Mean Properties)，反映在复合材料的混合定则(Rule of Mixture)中。,该定则通常用来计算增强材料和基体复合后对某一性质产生的效果，即,式中 p,某一性质，例如强度、模量、泊松比、热导等,Pc,复合材料的某一性质；,Pi,原始i材料的某一性质；,体积分数；,i,N种原始材料中第i种材料体积分数,n,由实验确定，其范围为-1,n,1,79,例题：p(PA66)=81.3MPa,p(GF)=3232MPa,p(CF)=3500,1=0.7,2=0.3 n=1,Pc1=81.30.7+32320.3=1026.51(MPa),Pc2=81.30.7+35000.3=1106.91(MPa),80,相补效应和相抵效应,A,B,81,非线性效应中，乘积效应(Product ProPcnMs又叫传递特性，交叉耦合效应。,例如对材料X输入时输出为Y，即一种转换功能材料Y/X(如磁场压力的换能材料)；而Y又作为另一种材料的第二次输入，产生输出Z，即为另一种换能材料ZY(如电阻磁场转换材料)。两种材料复合得出一新的机能材料，即YXZYZX(即电阻压力转换构料)。,乘积效应对开发新型功能材料指出了方向，因为这种效应不仅仅比单一材料获得很强的性能，甚至还可利用它创造出任何单一材料都不存在的新的功能效应。,82,2、非线性效应,相乘效应,（X/Y）（Y/Z）=X/Z,A组元性质X/Y,B组元性质Y/Z,相乘性质X/Z,压磁效应,压磁效应,磁致伸缩,热致变形,磁阻效应,电磁效应,压阻效应,压敏效应,压阻效应,压电效应,磁阻效应,热敏效应,83,当你在点燃煤气灶或热水器时，就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。反之施加电压，则产生机械应力，称为逆压电效应。,84,原理上利用锆钛酸铅PZT压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应，既在压电陶瓷加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于它的陶瓷时，则会有电信号输出，通过数据处理时间差测距，计算显示车与障碍物的距离及危险相撞时报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物，实用性相当强。,超声波传感器用作汽车倒车防撞报警器装置，也被称为超声波倒车雷达或倒车声纳系统，尤其适用于加长型装载汽车、载重大货车、矿山汽车等大型车辆。,85,1.9 用作先进航天系统及武器的结构和 防热复合材料,(1)树脂基复合材料,具有,质量轻、强度和刚度高、阻尼大,的特点，主要用于先进载人航天器、空间站和固体发动机的结构件，是航天领域中用量较多的结构复合材料。与常规金属材料相比，,可减轻构件质量20%60%。,主要材料有石墨/环氧、硼/环氧、石墨/聚酰亚胺和聚醚酮等。国内外在防空导弹天线罩的制造中也应用或正在开展应用工作。,86,(2)金属基复合材料,以金属或合金为基体、并以纤维、晶须、颗料等为增强体。按所用的基体金属和增强体的不同，使用温度范围约在3001200。,高比强度、比刚度、良好韧性和塑性、低膨胀系数、良好的导电和导热性、抗辐射、抗激光及制造性能好，在太空环境不放气，能在较高温度（200800）工作,。用于先进载人器的起落架等,机身辅助结构,以及,惯性器件和仪表结构,等。主要材料有碳化硅/铝、氧化铝/铝、碳化硅/钛、碳化硅/钛铝化合物和石墨/铜等,。,87,(3)陶瓷基复合材料,具有使用,温度高、抗氧化性和抗微裂纹性能好、质量轻、强度和刚度高,特点，可用于航天飞机的机头锥、机翼前缘热结构和盖板结构。主要材料有碳/碳化硅、碳化硅/碳化硅、硼化锆/碳化硅和硼化铪/碳化硅等，其中,硼化物陶瓷基复合材料被认为是抗氧化最强的高温材料，耐热温度达2200,。,88,(4)碳/碳复合材料,以碳或石墨纤维为增强体。具有良好的,抗氧化性、耐高温和高应力,，是,现有复合材料中工作温度最高的材料,。主要用于载人再入航天器的热结构、面板结构和发动机喷管烧蚀防热结构等。材料有,增强碳/碳（RCC）和进行碳/碳（ACC）,。超轻、超刚性结构用的石墨泡沫材料（SGF）目前正在研究中，它有可能用于包括机翼、无人机及卫星在内的结构件。,89,一半以上的碳/碳复合材料用于飞机刹车装置，具有重量轻、耐高温、比热容大、寿命长、刹车力矩平稳、噪音小等优点。,前苏联的“暴风雪”号航天飞机所用的复合材料达5t之多，在机翼前缘和头锥罩应用了碳/碳复合材料充当最重要的隔热部分，工作温度1600。,美国,“哥伦比亚”号航天飞机在头锥和机翼前缘也使用了碳/碳复合材料，工作温度大于1200。美国国防部将研制碳/碳部件和轻质航天器作为20012005年航天材料技术发展的重要目标。,90,1.10复合材料构件在其他方面的应用,-,以碳纤维或碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500时仍能保持足够的强度和模量，比未增强的铝好得多；碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。,91,-,非金属基复合材料由于密度小，用于汽车可减轻重量、提高车速、节约能源。如用碳纤维增强塑料制成的车身和发动机罩，其重量可比金属制的轻一半以上；用碳纤维与玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大五倍多的钢片弹簧相等。,-,碳化硅纤维与氮化硅陶瓷复合，使用温度可达1500，比超合金涡轮叶片的使用温度高很多。,92,-,复合材料范围广，品种多，性能优异，有很大的发展前途。玻璃纤维增强,热固性塑料,中的片状模塑料发展很快，已出现了许多分支，其制品已由非受力件扩大到受力件如传动支架等。玻璃纤维增强,热塑性塑料,的用途越来越广，其发展速度在有的国家已超过热固性的增长率。,-,高级复合材料的发展方向是降低成本，扩大应用范围。用两种或两种以上的不同纤维作为增强材料，不但可降低成本，且其混合效应超过一般的混合规律。航空中的结构件、工业用机器人、海洋开发用的结构材料、汽车片弹簧和驱动轴等，将越来越多采用,混合纤维增强复合材料,。,93,-,由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量的减少可大大减轻运载火箭的重量。同样，飞机重量的减轻也可以节省油耗，提高航速。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件的喷嘴以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。,94,复合材料在工业领域的主要应用,（1）,土木建筑领域,主要是,桥梁和抗震补强材料,，在日本和台湾省大地震后，需求量大增。,另外，伴随着信息社会的发达，出现了机密泄露和通过内外部的各种情报、通信设备而相互干扰等社会问题，其对策便是利用,碳纤维网格混入混凝土中形成电磁波屏蔽墙,加以解决。,此外，碳纤维管制的,桁梁构架屋顶,，比钢制品轻1/2，使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。,95,（2）,汽车,天然纤维复合材料,在汽车工业中主要用于车门内装饰板、司机用杂物箱、货车车厢地板、备胎盖、座位靠背。还可以用于仪表板、座椅扶手、仪表板杂件箱、后搁物架、车顶内村、遮阳板、座椅架行李仓装饰板、座椅头枕衬垫等。,相关数据显示，北美地区20002005年间天然纤维复合材料汽车零部件的平均年增长率为50左右。2005年，汽车工业对天然纤维的年需求量超过4.5万吨。,96,汽车零部件,纤维种类,聚合物,纤维含量，%,车门板/衬垫,洋麻/大麻，50/50,聚丙烯,50,木纤维,聚丙烯,50,杂物箱/后搁物架,洋麻,聚丙烯,50,亚麻,聚丙烯,50,木纤维,酚醛树脂,85,座位靠板/货车车厢地板,亚麻,聚丙烯,50,备胎盖/车身后壁板,亚麻,聚丙烯,50,木纤维,聚丙烯,50,其它内装饰板,洋麻,聚丙烯,50,亚麻,聚丙烯,50,97,（3）,PAN(,聚丙烯腈,)系活性碳纤维,由,东邦人造丝,首先产业化和上市，具有起吸附作用的微孔，吸脱附速度快，在低浓度下的吸附性能优良，可用于清酒的脱色、净化器滤材等。,（4）,海底油田上的油管等,作为深海海底油田的输送管，具有轻、强、耐腐蚀等特性。此外，平台支架、钻井套管等也需CFRP（碳纤维增强热固性树脂）材料。,98,世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克（ZOLTEK）、阿克苏（AKZO）、阿尔迪拉（ALDIL1）和德国的SGL公司等。其中日本三大集团占世界生产能力的75。世界CT型碳纤维总生产能力为22100吨/年；LT型碳纤维总生产能力为9550吨/年，实际生产量约为7000吨/年。,99,（5）,风力发电用翼片,欧洲的风力发电翼片都采用CFRP材料，而随着其大型化，考虑到20-40m长的翼片其强度和质量，已开始采用CFRP。,（6）,其它,CFRP和CFRPT（碳纤维增强热塑性树脂）可用于印刷轴承、凸轮、壳体、VTR(影象录放器)、CD部件、齿轮、制动器、泵、照相机部件、眼镜架等，目前CFRPT还用得很少。,100,1.11 复合材料飞机构件的特点,1.11.1 复合材料飞机构件,：,根据复合材料飞机构件的形式、增强剂、所用的原材料,可以分为三个方面：,1.不同类型构件,(1),由梁、肋、长桁、框、壁板组成的或一次固化成形的机体构件,，目前应用最广泛。零件可以分散制造，成形工艺简单，质量良好。,(2),用于承受轴向拉、压载荷及扭矩的管状构件,，如飞机操纵杆。,(3),操纵面上普遍使用的夹层结构,，如方向舵面，副翼翼面等。夹层结构的芯子可以由不同材料组成，如硬质泡沫塑料、蜂窝芯子等。,夹层结构的特点在于比刚度和比强度高，能承受均布的气动力，所以在飞机上的活动操纵面上使用很合适,。,101,2.不同种类增强剂制造的构件,复合材料飞机结构件的增强剂主要限于硼、碳及Kevlar的连续纤维。,硼纤维有优秀的机械性能，但价格昂贵，纤维直径较粗，零件成形时限制比碳纤维多，至今使用不广。,在美国的F-111、F-14及法国的幻影2000等飞机上，碳纤维的使用量占首位。碳纤维品种规格齐全，可根据设计要求选用，价格也比硼纤维便宜。,Kevlar纤维具有很高的抗拉强度，密度小，韧性好，但抗压模量低，在主受力构件中应用受到限制。但与其它纤维混用，可以改善层压板性能。,102,在复合材料构件中使用的主要增强剂有：,(1)单一增强剂,(2)混杂型增强剂,混杂型增强剂在层压板中存在的形式有：,层间混杂,不同纤维层在层间按一定规律相互交替存在。,层内混杂,在同一层内，存在不同的纤维，如Kevlar纤维与碳纤维的编织物。,纤维间混杂,一束纤维中有两种以上不同的纤维。,(3)单向纤维与编织物,复合材料的原材料以预浸料形式提供使用。,103,3.金属与复合材料混合的构件,(1),全复合材料构件,如强-五飞机的垂直安定面。这种结构当受热时不会因材料不同引起不同膨胀而产生内应力，也不会发生金属材料的腐蚀问题。,(2),金属材料与碳纤维/环氧树脂复合材料混用于同一结构中,它们之间可以采用机械连接或胶接连接，也可以在复合材料构件固化过程中把金属件嵌入层压板中，但可能产生内应力和腐蚀。,104,1.11.2,飞机复合材料构件的结构工艺性：,在先进复合材料零件的制造中，普遍应用,缠绕法制造筒体或杆状件,和以,预浸料铺叠成坯件,，然后固化成各种零部件。等截面的型材可用拉挤法成形。目前预浸料法是飞机构件主要的制造方法。,105,复合材料构件的结构工艺性是以飞机构件制造难易程度为依据的。一个具有良好工艺性的复合材料构件的结构设计，应该使构件,容易制造,，不需太复杂的技术和大量的模具；,容易控制质量,，构件内部不要产生分层、孔隙、树脂分布不均等缺陷，容易保证尺寸外形精确度，制品具有良好的互换协调性；,易于实现制造过程机械化和自动化,；,生产准备简单,，不需大规模技术改造，生产周期短，效率高。,106,1.结构工艺分离面划分,复合材料的飞机构件要合理地划分工艺分离面。工艺分离面决定了施工工作面、施工通路开敞性、工艺装备数量、协调方法及整个工艺路线，对质量、效率和成本都有很大影响。,影响飞机复合材料构件结构工艺性的因素,*,工艺分离面是由于生产上的需要，为了合理地满足工艺过程的要求，按部件进行工艺分解而划分出来的分离面。工艺分离面之间一般都采用不可卸连接，如铆接、胶接、焊接等，装配成部件后，这些分离面就消失了。,107,划分工艺分离面的依据,充分利用设计及使用分离面为工艺分离面。如独立的平尾、垂直安定面、各种操纵面。平尾、垂直安定面等可再细分为前缘、后缘、主承力盒、翼尖等工艺单元，这样既便利于设计，也为制造及以后飞机使用和维护提供方便。,应考虑构件的大小、结构、形状的复杂程度，目前具有制造技术水平、设备能力等因素。,108,有足够的刚度，分解后构件的变形都必须控制在允许范围内。,更细的工艺单元具有极开敞的施工通路和更多的施工工作面，但需要更多的工艺装备，增加了互换协调环节，这对单件或小批量生产是不合理的。,109,2.构件的外形,构件形状对工艺方法、产品质量、制造成本都有很大影响。如细长的筒杆件可用缠绕法制造，大而薄的壁板件宜用预浸料,-,真空热压罐法制造，数量多的小板件可用热压机模压成形。,采用对称的构件，可以减少模具数量，协调方法简单，构件变形小。,110,具有直母线外形的构件，工艺装备制造容易。单曲面外形构件容易获得高质量的叠层块坯件，尤其是用宽幅单向预浸料更能保证质量，节约工时。,平整而光滑过渡的外形，使树脂流动更均匀，不易产生富胶、贫胶和纤维皱曲，局部不易压实而成疏松的缺陷。,111,3.构件成形的几何参数,为了提高结构整体性，减少零件数量，减少装配工作量，应尽量采用共固化方法制造构件。因此，对构件内部的纵横向件的布置与组合要有合适的选择，以使构件在铺叠、固化成形后易于脱模。,112,在复合材料构件上应尽量少制孔。对于那些施工、检查、维修所需的大孔，要制成圆孔。如果需要制成方形孔，四角应呈圆弧形，避免因尖角引起应力集中。,层合板铺层组织应该是平衡结构，镜像（,mirror,）对称铺贴固化时可以减少变形。如需与金属构件共固化时，金属件的布置应该处于对称位置，并尽量选用膨胀系数与复合材料相近的材料。,113,如果可能，应使弯边零件的弯边大于,90,。这样不仅容易成形，简化模具，而且固化后零件易从模具中取出。弯边的圆角半径,R,取决于纤维的柔软度。大的圆角半径有利于成形。,构件厚度根据设计所要求的强度和刚度确定。复合材料构件固化时希望各处厚度差异不要太大。,114,对于构件的装配，采用共固化方法时，由于整体成形可以不要补偿。由零件组装时，就要补偿。成形后的复合材料零件的配合面不允许修挫，而零件制造必然有误差。,公差应该采取小的负差,，在装配时用快速固化的液体塑料垫片充填补偿。,结构的开敞性对零件成形和部件装配都很重要。在零件成形过程中，便于从模具中取出零件、模块、辅助模等。良好的开敞性为装配提供零件安装、定位及连接的通路，也为部件在以后使用中的检修、维护提供了通道。,115,4.预浸料形式的选取,预浸料以单向无纬布（或带）和编织物形式提供使用。编织物预浸料不仅施工方便，生产效率高，而且可以制造某些用单向无纬布（或带）不能铺叠的构件。例如为了制造正弦波腹板梁，需要采用编织预浸料铺层。综合构件强度的考虑，编织物预浸料的用量日益增多，这也是我国预浸料发展的必然趋势。,116,