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1、1,飞行器新结构新材料的制造技术Manufacturing Technologies of New Structure and Material for Aircrafts,机电学院航空宇航制造工程系 谭昌柏,2,谭昌柏航空宇航制造工程系机电学院南京航空航天大学南京市御道街29号, 210016TEL：84891678 15951872857EMAIL: OFFICE：15-A209,3,教材 飞行器新结构新材料制造技术 周来水 崔耀东 编写 参考文献 先进复合材料手册 赵渠森 主编,4,课程内容,复合材料 Composite Materials 智能材料 Smart Materials 钛合
2、金 Titanium Alloys,课程性质：选修 课时：24学时,制造,5,考核内容,平时成绩占总成绩的30 理论部分考试，占总成绩的70,6,主要内容,复合材料及飞行器应用概况 复合材料在飞行器制造中的应用 复合材料飞行器构件的制造 智能复合材料（ICM）与结构 钛合金在飞行器制造中的应用 钛合金钣金零件的成形 飞行器制造中钛合金的先进制造技术,7,INTRODUCTION,A380 B787,Composite,8,A380,9,10,复合材料在A380上的应用,The excess weight would hurt aircraft efficiency, resulting in
3、financial penalties to Airbus. Engineers, however, are still working to shave weight off of the plane. About 25 percent of the A380 is made from composites, including carbon/epoxy and Glare, and fiberglass/aluminum laminate.,composites,11,复合材料在A380上的应用,12,复合材料在A380上的应用,(1) 机翼，包括中央翼盒和部分外翼。该翼盒重8.8t，用复
4、合材料5.3t，较金属翼盒可减重1.5t。A380机是第一个将复合材料用于中央翼盒的大型民机。,13,复合材料在A380上的应用,(2) 垂直尾翼和水平尾翼。采用碳纤维增强复合材料的硬壳式结构，其水平尾翼大小相当于A310的机翼，垂尾则相当于A320的机翼。尾翼和中央翼盒均拟采用先进的自动铺带(ATL)技术制造。,14,自动铺带机,切割,送带,模具,预浸带,压力成型,直边开口（双刀）,单刀切割,预浸带(等带宽),自动铺带机,15,平面铺带FTLM,曲面铺带CTLM,FTLM：4个运动轴，采用150mm和300mm宽的预浸带，主要用于平板铺放； CTLM：5个运动轴，主要采用75mm和150mm
5、宽的预浸带，适于小曲率壁板的铺放，如机翼蒙皮、大尺寸机身壁板等部件。,16,自动铺带机,17,复合材料在A380上的应用,(3) 地板梁和后承压框。采用碳纤维复合材料制造，拟应用更为先进的自动纤维铺放(AFP)技术制造，并将试用树脂膜熔化(RFI)成型技术.,18,自动铺丝机,19,自动铺丝机,20,自动铺丝机,21,TORRESFIBERLAYUP高效自动铺丝机的铺丝头,22,自动铺丝机,23,自动铺丝机,24,自动铺丝机,25,A380尾段自动铺丝,26,树脂膜渗透（融化）RFI-,Resin Film Infusion,将预催化树脂膜或树脂块放入模腔内,然后在其上覆以缝合或三维编织等方法
6、制成的纤维预制体等增强材料,再用真空袋封闭模腔,抽真空并加热模具使模腔内的树脂膜或树脂块融化,并在真空状态下渗透到纤维层(一般是由下至上) ,最后进行固化制得制品。,27,复合材料在A380上的应用,(4) 固定机翼前缘和机身上的某些次加强件。采用热塑性复合材料制造。热塑性复合材料进一步扩大应用正处于研究中，如某些翼肋和垂尾、平尾的固定前缘亦可能用到。,28,复合材料在A380上的应用,(5) 各种翼身整流罩、襟翼滑轨整流罩、操纵面和起落架舱门等处。采用复合材料夹层面板结构制造。,29,复合材料在A380上的应用,(6) 机翼后缘处的襟、副翼。使用碳纤维增强复合材料，当常规的技术难于成形时，可
7、能有部分制件(如肋和铰链等)采用RTM技术制造。,30,RTM波纹梁,31,复合材料在A380上的应用,(7) 机身蒙皮壁板。在机身上计划大规模采用一种名为Glare层板的超混杂复合材料结构。,32,Glare层板结构,Glare 层板是由（0. 30. 5 mm） 的铝合金薄板与预浸玻璃纤维带(0. 20. 3 mm) 交替层压而成的,我国称之为超混杂复合材料。,33,复合材料在A380上的应用,复合材料在A380客机上仅碳纤维复合材料的用量已达32t左右，占结构总重的15%，再加上其他种类的复合材料，其总用量达结构总重的25%左右，复合材料在A380客机上的应用规模，已远远超过B777的水
8、平。这一趋势和动向引起了国内复合材料界的密切关注。,34,复合材料在A350上的应用,继A380之后，空中客车公司下一代商用飞机A350将大量使用复合材料。 A350结构质量的39%将使用复合材料，主要是碳纤维增强塑料复合材料，这些材料在垂直尾翼、机翼和机身整流板等重要部件中已被使用。A350复合材料使用量将比A380有很大增加，A380结构质量的25%使用复合材料，而A380之前的空中客车商用飞机使用比例仅10%。大量使用复合材料以减轻飞机重量，减少燃油消耗，降低维修成本，延长飞机使用寿命。,35,复合材料在A350上的应用,空客没有在B787的竞争机型A350上使用复合材料机身，而是使用了
9、金属机身，尽管如此，空客仍然希望在该机型上复合材料重量能占到39%左右。（为响应市场趋势并与B787有力竞争，空客考虑重新设计源于早期A330系列的A350，使其成为一个全新的机型，拥有更大的机身和机翼。）,36,B787,37,B787,38,B787材料分布,39,机身、大梁、翼梁等部件大量采用复合材料，翼肋采用铝合金。,40,B787自动铺丝技术应用,787飞机机身段整体自动铺丝成型,41,B787自动铺丝技术应用,位于西雅图波音Developmental Center的第一个 B787复合材料机身,42,B787飞机机身组装,43,视频10min中国航空复合材料与787,44,复合材料
10、是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有两个或两个以上相态结构的材料。该类材料不仅性能优于组成中的任意一个单独的材料，而且还可具有组分单独不具有的独特性能。,第一章 新材料及其应用概况,1.1 复合材料:,45,轮胎、混凝土、玻璃钢、皮带、编织袋、瓦楞板,46,基体材料-在复合材料中连续的物理相；（粘结） 增强材料-不连续的物理相，粒料、纤维、片 状材料或它们的组合。（增强） 复合材料的命名-根据增强材料与基体材料名称 碳纤维环氧树脂复合材料,47,复合材料: 复合材料按用途主要可分为,结构复合材料,功能复合材料,两大类。,48,结构复合材料主要作为承力结构使用的材料，由能承载
11、的增强体组元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结增强体成为整体材料同时又起传力作用的基体组元（如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）构成。结构材料通常按基体的不同分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料和水泥基复合材料等。,49,功能复合材料是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。包括压电、导电、雷达隐身、磁性、阻尼、光致变色、吸声、吸波、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。 未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料发展的主流。主要由功能体和基体组成。,50,复合材料
12、的分类: 根据基体材料的类型 根据增强纤维类型 根据增强物外形 根据制造方法,金属基复合材料（铝、镁、铜） 非金属基复合材料（碳、石墨、橡胶、陶瓷、水泥） 聚合物基复合材料,碳纤维复合材料 玻璃纤维复合材料 有机纤维复合材料 硼纤维复合材料 混杂纤维复合材料,连续纤维复合材料 纤维织物或片状材料增强的复合材料 短纤维增强复合材料 粒状填料复合材料,层合复合材料 混合复合材料 浸渍复合材料,51,智能材料（Smart Materials, Intelligent Material System）： 智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的、能与变
13、化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。 智能材料是一种集材料与结构、智能处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。构成智能材料的基本材料组元有压电材料、形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变体、磁致伸缩材料和智能高分子材料等。,新材料,52,智能材料的构成,基体材料,敏感材料,驱动材料,信息处理器,53,54,“主动形”的车门把手，当它感应到你想进车的时候就会自动的展开。,新型的排风口也可以自动调节角度，使得通风效果更好。,55,复合材料：由两种或两种以上的组份组成的材料，各组份材料基本上仍保持其固有的物理和化学性能，彼此间有明显的界
14、面。 先进复合材料：专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维和芳纶等增强的复合材料。 热固性复合材料：Thermosetting Plastic，以热固性树脂为基体的复合材料。 热塑性复合材料：Thermoplastic Plastic，以热塑性树脂为基体的复合材料。,56,碳/碳复合材料：由碳纤维织物或石墨纤维埋入碳或石墨基体组成的一种复合材料。 预浸料：Prepreg，将树脂基体浸涂在纤维织物上，通过一定的处理后贮存备用的中间材料。 单向带：Tape，以长纤维为径向而在纬向加少量且更细的纤维纺织加工成不同
15、宽度的带。它经浸胶后叫“预浸单向带”。,57,1.2 钛合金(Titanium Alloys ) 钛作为一种金属材料步入人类社会只有大约半个世纪的历史。钛在地壳中的含量相当丰富。在地壳外层中含有0.61的钛，总蕴藏量达7亿吨以上，在金属元素中仅次于铝、铁、钙、钠、钾、镁而处于第七位，为铜的60倍，钼的600倍。钛比钢轻得多（它的密度只有钢的1/2强），比铝和钢更加结实（以同等重量而论），能抗腐蚀，还能耐高温。因为这些优点，钛现在已被用于飞机、轮船、导弹等。,新材料,58,纯钛的形态,海绵钛,59,钛合金（ Titanium Alloys ）： 目前大部分飞机都是用铝合金制造的。超音速飞行的飞机
16、表面受到空气强烈的磨擦和压缩，动能转变为热能，机体温度也随着升高。当飞机在同温层飞行（大气温度-56），其速度为音速（每小时1200公里）时，飞机表面的温度为-18；两倍于音速时，其温度为98；三倍于音速时，其温度为300。钛合金在温度达到550时强度仍无明显的变化，它能胜任飞机以34倍音速下的飞行。因而钛合金受到航空航天界的特别关注。,60,钛在其他飞行器，如火箭、导弹、人造卫星、航天飞机等方面都占有重要地位。目前，人造卫星的外壳、航天飞机的骨架和蒙皮、卫星的登月舱及推进系统都采用了钛合金。这些航空航天器采用钛合金后，不仅性能得到大幅度的提高，而且仅就重量减轻这一项来说，节省的能源也是十分可观的。,61,钛合金不仅在航空航天方面崭露头角，而且在航海方面也开始大显身手。据报道，用钛制成的某型核动力潜艇，用钛达3500吨，最大航速为每小时74公里，下潜深度达900米。这种全部钛合金潜艇不仅重量轻、航速高和攻击力强，而且无磁性，在海底不易被发现，因而也就不易遭到攻击。 钛合金
