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1、1 1 5复合材料构件在飞行器上的应用 先进复合材料技术的实际应用在飞行器设计与制造中具有重要的地位 这是因为复合材料的许多优异性能 如比强度和比模量高 优良的抗疲劳性能 以及独特的材料可设计性等 都是飞行器结构盼望的理想性能 高性能飞行器要求结构重量轻 从而可以减少燃料消耗 延长留空时间 飞得更高更快或具有更好的机动性 也可以安装更多的设备 提高飞行器的综合性能 2 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
2、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LearFan2100 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 3 LearFan2100 4 B2隐形轰炸机 5 苏 44苏 47 6 7 8 F 18战斗机 9 10 波音767客机 11 12 TAG公司推出全复合材料机体无人直升机 13 F 22 14 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
3、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 15 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
4、为全复合材料结构 16 长航时无人机 某新型武装直升机 17 18 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 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 密度 1 6复合材料的性质 性能比较 30
5、拉伸强度 31 弹性模量 32 比强度 比模量 33 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 34 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
6、 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 35 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 36 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 37 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
7、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 38 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 39 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
8、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 40 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 41 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
9、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 42 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
10、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900 1000 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180 220 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 43 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 44 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 1200M
11、Pa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 45 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5 10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 46 47 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
12、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 48 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 49 芳纶纤维 芳
13、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 50 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
14、衣 防弹头盔 轮胎帘子线和抗冲击织物 51 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3 10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 52 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
15、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 53 54 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 55 玻璃纤维 glassfibre玻璃纤维是一种性能
16、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 56 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 57 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
