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先进复合材料在航空航天领域的加工和应用


北华航天工业学院毕业论文 第 1 章 绪论 1.1 前言 复合材料(Composite 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] 1.2 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 %, 2010 年和 2001 年相比预计增长超过 100%。 到 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: 世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测 1.2.1 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 5.5GPa,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 31.5%,减少零件 61.5%,减少紧固件 61.3%;复合材料垂 直安定面可减轻质量 32.24%。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。 2 北华航天工业学院毕业论文 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

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