第一章航空材料1.4复合材料和非金属材料.ppt

1.4 1.4 复合材料和非金属材料复合材料和非金属材料1.1.复合材料复合材料 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的组分材料复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的组分材料组成的一种具有明显界面的材料。组成的一种具有明显界面的材料。1)1)复合材料的组成复合材料的组成 基体基体。它的作用是使复合材料成形，粘接、保护增强体，传它的作用是使复合材料成形，粘接、保护增强体，传递外载荷给增强体。递外载荷给增强体。复合材复合材料组成料组成机体机体界面界面层层增强增强体体 作用：作用：复合材料基复合材料基体分类体分类无机非无机非金属基金属基金属基金属基(MMC)树脂基树脂基（PMC）陶瓷基陶瓷基(CMC)玻璃基玻璃基(CMC)碳基碳基(C-C)热塑基热塑基热固基热固基 复合材料按基体分类可分为复合材料按基体分类可分为金属基金属基和和非金属基非金属基，如下所示：，如下所示：按照复合材料所选用的增强体不同，可分为以下几种：按照复合材料所选用的增强体不同，可分为以下几种：非金属基复合材料非金属基复合材料碳纤维复合材料（碳纤维复合材料（CFRP）芳纶复合材料（芳纶复合材料（KFRP）硼纤维复合材料（硼纤维复合材料（BFRP）玻璃钢（玻璃钢（GFRP）其他：混杂复合材料其他：混杂复合材料 增强体增强体。增强体的作用是增强体的作用是承受机体传递的载荷承受机体传递的载荷，对基体起着，对基体起着增强增强、韧化韧化，是，是复合材料受力核心部位复合材料受力核心部位。它的形状可以是颗粒状、。它的形状可以是颗粒状、片状、纤维状等。目前，结构复合材料应用最广的是增强纤维。片状、纤维状等。目前，结构复合材料应用最广的是增强纤维。a.a.在基体和增强体之间传递载荷在基体和增强体之间传递载荷 界面层界面层。复合材料中的界面层是增强体和基体接触部位形成。复合材料中的界面层是增强体和基体接触部位形成的有一定厚度层面。它可以增强体和基体之间物理化学作用形成的的有一定厚度层面。它可以增强体和基体之间物理化学作用形成的结合层或残余应力层，也可以是人为加入的涂层。作用如下：结合层或残余应力层，也可以是人为加入的涂层。作用如下：b.b.阻断裂纹的扩展阻断裂纹的扩展 c.c.保护增强体保护增强体 功能复合材料是指具除了具有一定的力学性能外，还具有某些功能复合材料是指具除了具有一定的力学性能外，还具有某些物理性能、化学性能和生物性能的复合材料。物理性能、化学性能和生物性能的复合材料。结构复合材料是指用来制造结构零件的复合材料。结构复合材料是指用来制造结构零件的复合材料。复合材料按照使用性能还可以分为复合材料按照使用性能还可以分为结构复合材料结构复合材料和和功能复合材功能复合材料料。2 2）复合材料在飞机上的应用）复合材料在飞机上的应用 民用运输机应用较多的是民用运输机应用较多的是树脂基玻璃纤维复合材料树脂基玻璃纤维复合材料、树脂基碳树脂基碳纤维复合材料纤维复合材料、树脂基芳纶复合材料树脂基芳纶复合材料。后两者刚度和强度性能相当。后两者刚度和强度性能相当于或超过铝合金。于或超过铝合金。树脂基玻璃纤维复合材料是最早应用于飞机上的第一代复合材树脂基玻璃纤维复合材料是最早应用于飞机上的第一代复合材料，又称玻璃钢。按照基体树脂类别可分为：料，又称玻璃钢。按照基体树脂类别可分为：热固性玻璃钢热固性玻璃钢和和热塑热塑性玻璃钢性玻璃钢。树脂基玻璃纤维复合材料树脂基玻璃纤维复合材料 热固性玻璃钢热固性玻璃钢机种机种应用部位应用部位重力重力/N减重减重/NB-757内、外侧襟翼，副翼，扰流板，发动机整流内、外侧襟翼，副翼，扰流板，发动机整流罩，前、主起落架舱门，方向舵，升降舵罩，前、主起落架舱门，方向舵，升降舵140145070B-767内、外侧襟翼，副翼，扰流板，发动机整流内、外侧襟翼，副翼，扰流板，发动机整流罩，前、主起落架舱门，升降舵罩，前、主起落架舱门，升降舵149455560表表 B-757 B-757和和B-767B-767上复合材料的使用情况上复合材料的使用情况 如表如表1-101-10所示为所示为Boeing-757Boeing-757和和Boeing-767Boeing-767上复合材料的使用情上复合材料的使用情况。况。特点硬度高、刚度大、受热不会软化，使用温度在特点硬度高、刚度大、受热不会软化，使用温度在250250以下，以下，生产形成工艺简单、容易制成各种复杂曲面。主要用来制造飞机雷生产形成工艺简单、容易制成各种复杂曲面。主要用来制造飞机雷达罩、整流罩、舱门、舵面、襟翼和扰流板等只承受局部气动载荷达罩、整流罩、舱门、舵面、襟翼和扰流板等只承受局部气动载荷的曲面构件。的曲面构件。热塑性玻璃钢。热塑性玻璃钢。聚合物基复合材料（聚合物基复合材料（APMCAPMC）。）。优点优点如下：如下：以玻璃纤维为增强体，它的特点是密度小，成形性好，成本以玻璃纤维为增强体，它的特点是密度小，成形性好，成本低，断裂韧性好，吸湿性低，温度达到一定值时会发生明显的软化，低，断裂韧性好，吸湿性低，温度达到一定值时会发生明显的软化，冷却后又恢复原来硬度，使用温度比热固性玻璃钢低。在飞机上广冷却后又恢复原来硬度，使用温度比热固性玻璃钢低。在飞机上广泛使用的主要有尼龙泛使用的主要有尼龙6666玻璃钢、玻璃钢、ABSABS玻璃钢、聚苯乙烯玻璃钢等。玻璃钢、聚苯乙烯玻璃钢等。比强度和比刚度高比强度和比刚度高 便于大面积整体成形便于大面积整体成形 具有良好耐疲劳性能具有良好耐疲劳性能 减振性能好减振性能好 具有多种功能性具有多种功能性 可设计性强可设计性强 膨胀系数小膨胀系数小材料名称材料名称密度密度/抗拉强度抗拉强度/弹性模量弹性模量/比强度比强度/比模量比模量/钢7.81.032.10.130.27铝2.80.470.750.170.27钛4.50.961.140.210.25玻璃钢2.01.060.40.530.21碳纤维/环氧1.451.51.41.030.97碳纤维/环氧1.61.072.40.671.5有机纤维FRD/环氧1.41.40.81.00.57硼纤维/环氧2.11.382.10.661.0硼纤维/铝2.651.02.00.380.75表表 金属和复合材料的性能比较金属和复合材料的性能比较 但是先进复合材料也存在一些但是先进复合材料也存在一些缺点缺点：耐湿热性能差耐湿热性能差 复合材料是各向异性材料，在垂直增强纤维的横向抗拉强复合材料是各向异性材料，在垂直增强纤维的横向抗拉强度低，由基体提供的层间剪切强度不高，抗冲击韧性较差度低，由基体提供的层间剪切强度不高，抗冲击韧性较差 材料分散性大，价格过高材料分散性大，价格过高 3 3）金属基复合材料和非金属基复合材料）金属基复合材料和非金属基复合材料 金属基复合材料的基体一般用铝、金属基复合材料的基体一般用铝、钛金属基和钛铝、钛金属基和钛铝、镍铝合镍铝合金间化合物基。金间化合物基。非金属基复合材料的基体一般用陶瓷基和碳基，增强纤维一般非金属基复合材料的基体一般用陶瓷基和碳基，增强纤维一般用碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。用碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。共同特点：耐高温、低密度、比强度高、比模量高、热膨胀系共同特点：耐高温、低密度、比强度高、比模量高、热膨胀系数小、抗磨损、化学性能稳定、可靠性高等优点。表给出金属材料数小、抗磨损、化学性能稳定、可靠性高等优点。表给出金属材料和金属基、金属间化合物基、陶瓷基复合材料在飞机上应用。和金属基、金属间化合物基、陶瓷基复合材料在飞机上应用。表表 金属材料和先进复合材料工作温度金属材料和先进复合材料工作温度材料材料密度密度最高工作温度最高工作温度/应用部位应用部位铝合金2.77316钛合金4.43600镍基高温合金8.031000进气机匣、风扇PMC1.66427高压压气机、燃烧室、喷管MMC（Al）2.77538进气机匣MMC（Ti、TiAl）4.43871IMMC（NIAl）5.261371高压压气机、风扇IMMC（FeAl）5.541371高压压气机CMC3.321760高压压气机、喷管、高低压涡轮 用金属基复合材料代替传统的金属材料制作发动机零部件，用金属基复合材料代替传统的金属材料制作发动机零部件，在提高发动机工作温度和减重效果十分可观，如图所示为英国罗罗在提高发动机工作温度和减重效果十分可观，如图所示为英国罗罗公司航空发动机所使用材料趋势。公司航空发动机所使用材料趋势。航空发动机使用材料发展趋势航空发动机使用材料发展趋势196019701980199020002010102030405060钢钢镍镍钛钛铝铝碳纤维复合材料碳纤维复合材料钛铝化合物钛铝化合物金属基复合材料金属基复合材料陶瓷陶瓷基复基复合材合材料料质量分数/%1）蜂窝夹层结构组成）蜂窝夹层结构组成2.2.蜂窝夹层结构蜂窝夹层结构结构结构组成组成面板面板心材心材胶层胶层面板面板面板面板胶层胶层芯材芯材胶层胶层 面板材料可以用树脂基玻璃纤维复合材料，制成玻璃纤维夹层面板材料可以用树脂基玻璃纤维复合材料，制成玻璃纤维夹层结构。结构。也可以用碳纤维、也可以用碳纤维、芳纶纤维复合材料，制成先进材料夹层结构芳纶纤维复合材料，制成先进材料夹层结构;还可以用铝合金、还可以用铝合金、钛合金、钛合金、不锈钢板、不锈钢板、制成金属面板夹层结构。制成金属面板夹层结构。蜂窝芯材有蜂窝芯材有金属金属和和非金属非金属两种。两种。金属蜂窝芯材主要是用铝箔、不锈钢箔粘接成六角形孔格形状金属蜂窝芯材主要是用铝箔、不锈钢箔粘接成六角形孔格形状制成。制成。非金属蜂窝芯材主要是用玻璃纤维粘接而成。非金属蜂窝芯材主要是用玻璃纤维粘接而成。2）蜂窝夹层结构特点和在飞机上的应用）蜂窝夹层结构特点和在飞机上的应用 具有光滑的气动外形，气密性较好。具有光滑的气动外形，气密性较好。结构优点：结构优点：具有较大的弯曲刚度和强度具有较大的弯曲刚度和强度 具有较好的吸声和隔热性能，具有较高的耐声振疲劳性能具有较好的吸声和隔热性能，具有较高的耐声振疲劳性能;结构缺点：结构缺点：用蜂窝夹层结构制成的部件之间的链接设计比较困难，不见用蜂窝夹层结构制成的部件之间的链接设计比较困难，不见发生损伤修理和更换也比较麻烦，并且在蜂窝夹层结构制成的部件发生损伤修理和更换也比较麻烦，并且在蜂窝夹层结构制成的部件上进行大开口设计比较困难。上进行大开口设计比较困难。抗湿热环境的能力差，要特别注意防潮密封。抗湿热环境的能力差，要特别注意防潮密封。目前蜂窝夹层在民用运输机上所使用有以下几点：目前蜂窝夹层在民用运输机上所使用有以下几点：承受局部气动载荷、起整流作用的部件，如发动机短舱、整承受局部气动载荷、起整流作用的部件，如发动机短舱、整流件、机翼前缘等流件、机翼前缘等;安装进行通信导航天线上的整流件安装进行通信导航天线上的整流件;受力较小的操纵面和调整片，如舵面、襟翼和扰流板等。受力较小的操纵面和调整片，如舵面、襟翼和扰流板等。塑料是以高分子化合物为主制成的一种人造材料，由树脂、增塑料是以高分子化合物为主制成的一种人造材料，由树脂、增塑剂、填料和颜料组成。塑剂、填料和颜料组成。3.3.塑料材料塑料材料1 1）塑料类型）塑料类型 塑料分为热塑塑料和热固塑料两大类。塑料分为热塑塑料和热固塑料两大类。热塑塑料受热变软并变柔韧，可锻压成形，冷却后保持已成形热塑塑料受热变软并变柔韧，可锻压成形，冷却后保持已成形的形状。不超过规定加热温度，可多次重复使用。的形状。不超过规定加热温度，可多次重复使用。热固塑料一旦被模压成形并冷却后，加热不会软化保持原有形热固塑料一旦被模压成形并冷却后，加热不会软化保持原有形状，直至被破坏。状，直至被破坏。2 2）有机玻璃）有机玻璃飞机挡风和机飞机挡风和机身两侧玻璃身两侧玻璃醋酸纤维素：重量轻、透光性好，早期飞机使用作透明醋酸纤维素：重量轻、透光性好，早期飞机使用作透明件，但形成尺寸不稳定，过期变质。件，但形成尺寸不稳定，过期变质。丙烯酸纤维素：现在航空透明主流材料，用于飞机挡风丙烯酸纤维素：现在航空透明主流材料，用于飞机挡风玻璃，侧面玻璃。玻璃，侧面玻璃。有机玻璃材料有机玻璃材料 性能性能 对飞机玻璃性能要求：对飞机玻璃性能要求：透明性透明性;膨胀系数小，热稳定性好膨胀系数小，热稳定性好;良好的成形性良好的成形性;具有一定的拉伸强度和延伸率具有一定的拉伸强度和延伸率;便于维护和便于维护和修理。修理。4.4.橡胶材料橡胶材料1 1）天然橡胶）天然橡胶 天然橡胶具有良好的弹性、天然橡胶具有良好的弹性、绝缘性和密封性。但它受温度影绝缘性和密封性。但它受温度影响很大，高温会使其发生形变或膨胀，逐渐失去弹性变成塑性物质响很大，高温会使其发生形变或膨胀，逐渐失去弹性变成塑性物质;低温会使其变硬、变脆，而且强度小，会与煤油、汽油发生溶解，低温会使其变硬、变脆，而且强度小，会与煤油、汽油发生溶解，老化。主要用来制造橡皮原料。老化。主要用来制造橡皮原料。2 2）合成橡胶）合成橡胶 合成橡胶是用化学方法，把低分子化合物聚合而制成的一种高合成橡胶是用化学方法，把低分子化合物聚合而制成的一种高分子化合物。它不仅弥补天然橡胶不足，而且还具有天然橡胶所没分子化合物。它不仅弥补天然橡胶不足，而且还具有天然橡胶所没有优点，所以在航空工业中被广泛使用。有优点，所以在航空工业中被广泛使用。橡皮的主要原料是橡胶，为了改善橡胶的性质加入硫化剂、橡皮的主要原料是橡胶，为了改善橡胶的性质加入硫化剂、防老剂和添加剂等各种配合剂，经过一定温度和加压形成橡皮。橡防老剂和添加剂等各种配合剂，经过一定温度和加压形成橡皮。橡皮材料比橡胶材料有很大改善，具有良好密封性和绝缘性，温弹性皮材料比橡胶材料有很大改善，具有良好密封性和绝缘性，温弹性较好，并且强度和抗老化能力也有所提高。较好，并且强度和抗老化能力也有所提高。航空工业中是用橡皮主要用来制造飞机轮胎、飞机冷气系统中航空工业中是用橡皮主要用来制造飞机轮胎、飞机冷气系统中软管、软导管、密封件等。软管、软导管、密封件等。3 3）橡皮材料）橡皮材料5.5.密封剂密封剂1)1)密封剂材料密封剂材料分分类类单组分密封剂：可直接使用，也可根据使用要求单组分密封剂：可直接使用，也可根据使用要求进行比例稀释进行比例稀释双组分密封剂双组分密封剂 双组分密封剂有两种物质，一种是密封剂基本成份，一种是双组分密封剂有两种物质，一种是密封剂基本成份，一种是催化剂，使用时需要进行混合配制使用。使用时注意事项具体见催化剂，使用时需要进行混合配制使用。使用时注意事项具体见课本。课本。2）密封剂在民用航空器方面的使用：密封剂在民用航空器方面的使用：电线插头也都是装在一个密封筒里，防止水分进入，引起电线插头也都是装在一个密封筒里，防止水分进入，引起接头锈蚀，造成电路不通等接头锈蚀，造成电路不通等 高速飞行的气动外形要求，机翼表面蒙皮边缘处需要进行气高速飞行的气动外形要求，机翼表面蒙皮边缘处需要进行气动密封，保持表面光滑气动外形，减少阻力动密封，保持表面光滑气动外形，减少阻力 气密增压座舱蒙皮对缝密封气密增压座舱蒙皮对缝密封 机翼上的结构整体邮箱和每个铆钉连接都要求密封，以防止机翼上的结构整体邮箱和每个铆钉连接都要求密封，以防止漏油漏油 作业：两次，作业：两次，1和和2一次作业，空格，一次作业，空格，3、4和和5一次作业。一次作业。1.说明金属疲劳破坏的主要特征有哪些，分为几个阶段和各阶段特征。说明金属疲劳破坏的主要特征有哪些，分为几个阶段和各阶段特征。3.金属的热处理有哪些？热处理回火的目的是什么金属的热处理有哪些？热处理回火的目的是什么?奥氏体是否为热处理最奥氏体是否为热处理最终获得的组织，为什么？终获得的组织，为什么？4.什么是时效处理？试说明时效强化的原理和影响铝合金时效效果的因素。什么是时效处理？试说明时效强化的原理和影响铝合金时效效果的因素。5.试说明蜂窝夹层结构的特点和在飞机上的应用。试说明蜂窝夹层结构的特点和在飞机上的应用。