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1、报告人：李延灏 2012.9 内 容 碳纤维增强树脂基复合材料 复合材料的加工 复合材料概述一 二 三 一 复合材料概述 1 复合材料简介 先进复合材料(Advanced Composite Materials, ACM) ACM的特点： 比强度、比模量高 可设计性强 抗疲劳性能好 耐腐蚀性能优越 便于大面积整体成型等 2 复合材料的分类 ACM BB E E C C DD AA陶 瓷 基 树 脂 基 金 属 基 碳 基其 它 3 纤维增强复合材料 （1） 碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP） （2）玻璃纤维增强复合材料（Glass
2、Fiber Reinforced Plastic, GFRP），主要由SiO2 玻璃熔体制成，某些性能接近于钢， 可代替钢使用，故又称“玻璃钢” （3） 硼纤维增强复合材料（Boron Fiber Reinforced Plastic, BFRP），应用起步稍晚，性能与CFRP 接近。基体为树脂 。 （4） 芳纶纤维增强复合材料（Kevlar Fiber Reinforced Plastic, KFRP） 在航空、航天等工业中，纤维增强复合材料用 得较多，主要有： 4 复合材料的性质 复合材料密度/(gcm-3)抗拉强度b /GPa比强度/（m2s-2） GFRP2.01.04520 CFRP
3、1.61.5937 KFRP2.01.75875 BFRP1.41.41000 40CrNiMoA钢7.81.41181 硬铝2.80.49175 常用增强材料的性能 纤维纤维 或颗颗粒名称密度/(gcm-3)抗拉强度b/GPa弹弹性模量E/GPa 玻璃纤维 （高模量 ） 2.5-2.63.8-4.693-108 碳纤维 （高模量）1.75-1.952.3-2.9275-304 芳纶纤维1.43-1.465.0134 硼纤维2.52.8-3.1383-392 Al2O3纤维3.972.1167 SiC纤维3.183.4412 SiC晶须3.193-14490 Al2O3颗粒3.950.7640
4、0 SiC颗粒3.211.5365 5 复合材料在飞机上的应用现状 军用飞机用复合材料现状 机种 Aircraft 国家 Country 用量 /%Content 应应用部位 Composite structure Rafale法国40机翼、垂尾、机身、副翼、方向舵等 JAS-39瑞典30机翼、垂尾、前机身、副翼、方向舵、各种口盖等 F-22美国25机翼壁板、垂尾、机身蒙皮、方向舵、各种口盖等 V-22美国45机翼、机身、发动 机悬挂接头、叶片紧固装置等 EF-2000欧洲四国50机翼、垂尾、机身、副翼、方向舵等 S-37俄罗斯机翼、进气道、机身、保形外挂架等 F-35美国30机翼、垂尾、机身
5、蒙皮、方向舵、各种口盖等 RAH-66美国51机身蒙皮、舱门 、中央龙骨大梁、整流罩、旋翼等 JX中国2机翼壁板、外翼壁板、主起落护板 JX中国1.7前机身、垂尾 JX中国6垂尾、副翼、方向舵、鸭翼、腹鳍 Z9中国25旋翼、涵道垂尾、尾桨叶、机身等 民用客机复合材料的用量 机型（Aircraft）最大起飞质飞质 量/t结结构质质量/t复合材料用量/t 图204(150-186座)93.529.43.2 伊尔96(187-250座)230654.02 B-757(200座)1151.4 B-767(200-300座)1871.5 B-777(350座以上)2309.9 A-300（251-350
6、）165516.2 A-310（187-250座）15044.76.2 A-320(150-186座)7220.84.5 A-340(251-350座)2357611 A-380(550-990座)56027560.5 二 碳纤维增强树脂基复合材料 1 碳纤维简介 日本东丽 三菱人造丝 东邦耐克丝 德国西格里（SGL） 美国赫氏（Hexcel） 氰特（Cytec ） 卓尔泰克（Zoltek） 全球七大碳纤维生产商： 70% 70年代 PAN基T300 高强T系列 高模M 系列 MJ 系列 公司总产量的80 % 以上是T300 2 碳纤维牌号 碳纤维纤维 牌 号 拉伸强度MPa拉伸模量GPa断裂
7、伸长长%密度g/cm3厂家 T30035302301.51.76TORAYCA T400H44102501.81.80 T700S49102302.11.80 T800H54902941.91.81 T1000G63702942.11.80 T100070602942.41.82 M35J47003431.41.75 M40J44103771.21.77 M46J42104361.01.84 M50J39204750.81.88 M55J39205400.71.93 M60J39205880.71.94 AS620712351.651.8HERCULE SIM651402761.731.7 I
8、M753472761.81.8 IM853133041.611.8 IM963432901.01.79 2 碳纤维牌号 碳纤维纤维 牌 号 拉伸强度MPa拉伸模量GPa断裂伸长长%密度g/cm3厂家 T30035302301.51.76TORAYCA T400H44102501.81.80 T700S49102302.11.80 T800H54902941.91.81 T1000G63702942.11.80 T100070602942.41.82 M35J47003431.41.75 M40J44103771.21.77 M46J42104361.01.84 M50J39204750.81.
9、88 M55J39205400.71.93 M60J39205880.71.94 AS620712351.651.8HERCULE SIM651402761.731.7 IM753472761.81.8 IM853133041.611.8 IM963432901.01.79 2 碳纤维牌号 碳纤维纤维 牌号拉伸强度MPa拉伸模量GPa断裂伸长长%密度g/cm3厂家 T30035302301.51.76TORAYCA T400H44102501.81.80 T700S49102302.11.80 T800H54902941.91.81 T1000G63702942.11.80 T10007060
10、2942.41.82 M35J47003431.41.75 M40J44103771.21.77 M46J42104361.01.84 M50J39204750.81.88 M55J39205400.71.93 M60J39205880.71.94 AS620712351.651.8HERCULES IM651402761.731.7 IM753472761.81.8 IM853133041.611.8 IM963432901.01.79 抗拉强度 最大 3 常用的树脂基 树脂 热固性 树脂 热塑性 树脂 环氧酚醛 双马来酰 亚胺 (BMI) 聚醚砜 (PES) 聚醚醚酮 (PEEK) 聚酰亚
11、胺 聚醚酰 亚胺 （PAI） 聚苯硫醚 （PPS） 性质 3 常用的树脂基 树脂 热固性 树脂 热塑性 树脂 环氧酚醛 双马来酰 亚胺 (BMI) 聚醚砜 (PES) 聚醚醚酮 (PEEK) 聚酰亚胺 聚醚酰 亚胺 （PAI） 聚苯硫醚 （PPS） 性质 A380：复合材料占25% ，其中环氧基纤维复合 材料占22% 4 几种高性能环氧树脂复合材料 （1）T-300/4211体系 （2）T-300/5208体系 （3）T-300/LWR-1体系 （4）T-300/914C体系 北京航空材料研究所和北京航空工艺研 究所1984年研制成功。4211环氧基体由648 酚醛环氧树脂和BF3MEA组成。
12、 其突出优点是有良好的工艺性，预浸料 可在室温下存放。缺点是脆性大，对湿热 敏感。T-300/4211复合材料可在120以下 使用。已用于飞机的垂直安定面，飞机进 气道外侧壁板等。 （1）T-300/4211体系 （2）T-300/5208体系 美国Narmco公司1972年研制成功。 5208基体由4,4-二氨基二苯甲烷四缩水甘 油胺环氧树脂(TGDDM)和4,4-二氨基二苯 砜(DDS)组成。 性能好，能在177下使用，美国绝大 多数飞机复合材料结构件都采用碳纤维和 5208或5208同系树脂体系制成。5208被称 为第一代树脂基体。 （3）T-300/LWR-1体系 北京航空工艺研究所和
13、黑龙江石化所 1989年研制成功。LWR-1基体由E-54， DDS及促进剂组成，它可中温(120 130)固化。 具有良好的耐湿热性能。可在80以 下使用。已用于前机身。 （4）T-300/914C体系 目前欧洲空中客车飞机和海豚直升机 等广泛使用的高性能环氧复合材料。914C 是一种改性环氧树脂。T-300/914C预浸料 由Ciba公司生产。 T-300/914C复合材料与T-300/5208复合 材料性能相当。可在-50180使用。 三 复合材料的加工 1 复合材料的切削加工 复合材料用量越来越大，但一般近净成形， 尚未用于配合尺寸，一般不需要车、铣、磨等加 工，机械加工包括制孔、切边
14、等。 复合材料种类加工难度 树脂基较易 金属基稍难 陶瓷基更难 纤维增强较易 颗粒增强很难 2 复合材料的制孔 专用刀具和工具 名称规规格mm转转速r/min Y330硬质合金麻花钻2.5-6 Y330硬质合金铰刀4-6 Y330硬质合金锪窝钻 3.5-690 3.5-6100 3.5-6120 金刚石锪窝钻 4-690 4-6100 4-6120 镶片硬质合金麻花钻8-13 Y330硬质合金三尖两刃钻2.5-6 四直槽钻铰 复合钻头4-6 Y330硬质合金双刃定心钻5-8 可控进给钻Z5K4000 高速手风钻Z6-2/317500 钻孔注意事项 A 钻2.5-8mm的通孔，转速为800r/m
15、in- 2800r/min，进给 量为0.01mm/r-0.06mm/r B 硬质合金麻花钻头推荐的几何参数 C 在CFRP、GFRP构件上钻孔时，应在出口面加垫板加 紧，尽量将钻孔出口面放于锪窝面 D 对KFRP应两面加垫板加紧。转速为2400r/min- 4100r/min，进给量为0.01mm/r-0.03mm/r E 主轴全跳动不大于0.05mm F 工具声强不大于90dB 锋角后角横刃宽mm螺旋角 100-120 10-25（0.1-0.3）d25-30 注：d为钻头直径 3 铰孔与扩孔 复合材料所用工具转转速 CFRP硬质合金铰刀 500r/min GFRP普通铰刀 KFRP双刃定
16、心钻 4 复合材料的锪窝 一般应使用硬质合金锪窝钻或金刚石锪窝 钻，对GFRP可用普通锪窝钻；硬质合金锪窝 钻锪窝，转速为500r/min-800r/min，金刚石锪 窝钻锪窝时转速为800r/min-1400r/min，锪窝钻 必须在旋转以后接触工件。 5 复合材料的铆铆接 常用的压铆设备：手提压铆机和固定压铆机。铆 接常用的铆枪和拉枪：普通铆枪（用于实心铆钉 铆接）和专用拉枪（用于抽芯铆钉铆接）。 对CFRP的铆接优先采用蒙乃尔铆钉、钛铆钉、 钛合金铆钉或不锈钢铆钉。 对CFRP，普通实心铆钉应使用压铆。无法压铆 时，可使用低功率铆枪。 对KFRP及GFRP纤维复合材料结构的铆接，可使 用压铆，也可使用锤铆 。 总 结 ACM的应用领域越来越广，用量越来越大 ACM加工难度：陶瓷基金属基树脂基； 颗粒增强纤维增强 创新 高性能、低成本 技术 专利文章
