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1、先进复合材料及其先进复合材料及其 在飞行器中应用在飞行器中应用 一、前 言 二、复合材料 三、复合材料在飞行器中的应用 四、自润滑复合材料 主 要 汇 报 内 容 前 言 轻量化、高效能、长寿命、高可靠、低成本是飞行器结构 发展的主要目标。 先进复合材料具有质轻、高强、可设计、抗疲劳、易于实 现结构/功能一体化等优点，因此，在航空航天领域得到迅速发 展，成为继铝、钛、钢之后的四大结构材料之一，复合材料用 量已成为飞行器先进性的一个重要标志。 世界各国都非常重视并制定系列计划推进先进复合材料在 航空航天领域的研究与应用。 1. 飞行器与复合材料 前 言 先进复合材料于上世纪60年代中期一问世，即
2、首先用于 飞行器结构上，以航空用树脂基复合材料为例，近40年来复 合材料在飞机结构上应用走过了一条由小到大、由次到主、 由局部到整体、由结构到功能的发展道路。就复合材料用量 而言，先进的F-22、F-35、B-2等军机其复合材料用量均达 到25%以上，民机也是如此，新研制的A380复合材料用量达 25%，而B787和A350分别高达50%和52%，直升机、无人 机用量更高，达到90%以上。 前 言 复合材料是实现飞机现代化的必由之路， 飞机结构复合材料化也是大势所趋。未来飞机 为了进一步达到结构减重与降低综合成本，复 合材料用量将不断继续增长。美国一报告中指 出：到2020年，只有复合材料才有
3、潜力使飞机 获得20%25%的性能提升，复合材料将成为 飞机的基本材料，用量将达到65。 材料是人类社会进步的物质基础和先导，是人类进 步的里程碑。历史上，人们将当时的主导材料作为时代 发展的标志， 石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代、钢 铁时代、合成材料时代、复合材料时代 发展得越来越快 前 言 2. 材料的发展 材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工 具、装置等物品的物质。 简单地说，材料是人类可用来制造有用器件的物质。 当前材料、能源、信息和生物技术是现代文明的四大 支柱，材料又是其他技术的基础。材料技术的每一次重大 突破，往往可引起其他产业技术的革命，甚至引起人们生 活的
4、极大改善，如钢铁材料和铝镁等轻金属材料的出现， 大大推动能源、汽车、航空及其他工业的飞速发展；半导 体材料和微电子材料的出现又为信息技术的建立和发展打 下了牢固的基础。近些年来，生物材料的出现，可为生物 技术、医疗、农业、食品等带来新的革命。 前 言 新材料 金属材料非金属材料 高分子 材料 复合材料 金属结构材 料 金属功能材 料 树脂基复合材料 特种玻璃 集成电路材 料 磁记录材料 人工单晶材 料 新陶瓷材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 超导材料 贮氢合金 形状记忆 合金 光学性能 玻璃 导电性能 玻璃 优异机械 性能玻璃 敏感元件 陶瓷 超硬陶瓷 电气陶瓷 黑色金属 有色金属 生物医
5、 学材料 前 言 现代高科技的发展更紧密地依赖于新材料的 发展； 同时也对材料提出了更高、更苛刻的要求。 高温、高压、高强度、低密度、耐磨、抗腐 蚀、柔韧性。 传统材料：金属、无机非金属、有机高分子材料 各有千秋。各自固有的局限性而不能满足现代科 学技术发展的需要。 前 言 复合材料 复合材料：扬长避短、协同效应克服单一材 料的缺点，产生新性能。 用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上 的组分（或组元），通过人工复合而成 的，具有特殊 性能的多相固体材料-复合材料。 各组分保持各自固有特性的同时可最大限度地发 挥各种组分的优点，赋予单一材料所不具备的优良特 殊性能。 复合材料 传统复合材料
6、：6000年前人类就已经会用稻草加 粘土作为建筑复合材料。 复合材料 水泥复合材料已广泛地应用于高楼大厦和河堤大坝 等的建筑，发挥着极为重要的作用。 近代：玻璃纤维增强塑料（1940年1960年）； 先进复合材料（1960年）： 碳纤维、Kevlar增强环氧树脂，碳纤维增强金属 基复合材料、陶瓷基复合材料、功能复合材料、 智能复合 材料。 复合材料 我国世界闻名的传统工艺品漆器，就是由麻纤 维和土漆复合而成的，至今已有4000多年的历史 彩绘变形鸟纹双耳长盒 西汉 复合材料 人造义肢人造义肢 炭纤维布加固和修复炭纤维布加固和修复 复合材料 昆明世博园玻璃钢游览车昆明世博园玻璃钢游览车 玻玻碳纤
7、维自行车架碳纤维自行车架 全碳全碳滑雪用品滑雪用品 复合材料 具有可设计性； 人工制造而非天然形成的； 性能取决于各组分性能及协同效应； 组元间有明显界面或呈梯度变化的多相材料。 特 点 复合材料 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。 复合材料的基本结构模式 复合材料由基体和增强剂两个组分构成： 基体：构成复合材料的连续相； 增强剂（增强相、增
8、强体）：复合材料中独立的分布 在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使材 料的性能显著改善和增强。 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大， 或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。 增强剂（相）与基体之间存在着明显界面。 复合材料 复合材料 复合材料的分类 1、按性能分类 ： 普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强普通 聚合物复合材料，如玻璃钢、钢筋混凝土等。 先进复合材料：高性能增强剂（碳、硼、氧化铝 SiC 纤维及晶须等）增强高温聚合物、金属、陶瓷和碳（石墨 ）等复合材料。 先进复合材料的比强度和比刚度应分别达到 400MPa / (g / cm3) 和40GPa
9、 / (g / cm3) 以上。 复合材料 2、 按基体材料分类： 聚合物复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳碳复合材料 3、 按用途分类 结构复合材料 功能复合材料 结构 / 功能一体化复合材料 4、按增强剂分类 颗粒增强复合材料 晶须增强复合材料 短纤维增强复合材料 连续纤维增强复合材料 混杂纤维增强复合材料 三向编织复合材料 复合材料 复合材料 复合材料 复合材料 复合材料 复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类 。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非 金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳 等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维硼纤维、 芳纶
10、纤维芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝 和硬质细粒硬质细粒等。 复合材料中以复合材料中以纤维增强纤维增强材料应用最广、用量材料应用最广、用量 最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。 复合材料的基本性能（优点）： 1、高比强度、高比模量（刚度）： 比强度 = 强度/密度 MPa /（g/cm3）, 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。 复合材料 2、良好的高温性能： 目前： 聚合物基复合材料的最高耐温上限为350 C； 金属基复合材料按不同的基体性能， 其使用温度在350 1100 C范围内变动； 陶瓷基复合材料的使用温度可达14
11、00C； 碳/碳复合材料的使用温度最高可达2800C。 复合材料 3、良好的尺寸稳定性： 加入增强体到基体材料中不仅可以提高材料的 强度和刚度，而且可以使其热膨胀系数明显下降。通 过改变复合材料中增强体的含量，可以调整复合材料 的热膨胀系数。 复合材料 4、良好的化学稳定性： 聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。 5、良好的抗疲劳、蠕变、 冲击和断裂韧性： 陶瓷基复合材料的脆性得到明显改善 6、良好的功能性能 典型复合材料性能-聚合物复合材料 材 料 GFRP 玻璃纤维纤维 增强热热固 性塑料（玻璃钢钢） CFRP 碳纤维纤维 增强热热 固性塑料 钢钢铝铝钛钛 密度, g/cm32.01.6 7
12、.82.8 4. 5 拉伸强度 ,GPa 1.21.81.4 0.48 1. 0 比强度600 1120 180 170210 拉伸模量 ,GPa 42130 210 77110 比模量21 81272725 热热膨胀胀系 数(10-6/K) 8 0.2 12 23 9.0 复合材料 复合材料 增强相含 量 VoL% 抗拉强度 MPa 拉伸模量 GPa 密度 g/cm3 Al BF /Al CVD SiCF /Al Nicalon SiCF /Al CF /Al FP Al2O3 F/Al Al2O3F/Al SiCW/Al SiCP/Al CVD SiCF/Ti BF / Ti 0 50 5
13、0 3540 35 50 50 1820 20 35 45 480 1200-1500 1300-1500 700-900 500-800 650 900 500-620 400-510 1500-1750 1300-1500 77 200220 210230 95 110 100150 220 130 96 138 100 210 230 220 2.8 2.6 2.853.0 2.6 2.4 3.3 2.9 2.8 2.8 3.9 3.7 复合材料 典型复合材料性能-金属基复合材料 材料 整体陶瓷颗颗粒增韧韧晶须须增韧韧金 属 Al203ZrO2/Al203SiC/ Al203铝铝钢钢 断
14、裂韧韧性2.74.26.51581033444466 复合材料 典型复合材料性能-陶瓷基复合材料 聚合物基复合材料聚合物基复合材料 复合材料由复合材料由增强材料增强材料和聚合物和聚合物基体基体组成。基体的三种组成。基体的三种 主要作用是：主要作用是：把纤维粘在一起；把纤维粘在一起；分配纤维间的载荷；分配纤维间的载荷；保护纤保护纤 维不受环境影响。维不受环境影响。在复合材料的成形过程中，基体经过一系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复合
15、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。形方法与工艺参数的选择。 复合材料 聚合物复合材料的性能 （1）高比强、高比模量。 （2）设计性强、成型工艺简单。 （3）热膨胀系数低，尺寸稳定。 （4）耐腐蚀、抗疲劳性能好。 （5）减震性能好。 （6）高温性能较好。 （7）安全性能好。 复合材料 复合材料 密度 复合材料 拉伸强度 复合材料 弹 性 模 量 复合材料 比强度比模量 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。 复合材料 聚合物基体 复合
