先进复合材料在航空航天中的应用及发展

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1、先进复合材料在航空航天中的应用先进复合材料在航空航天中的应用及发展及发展胡军胡军 材料材料 08A-1 08108010205 2011 年年 12 月月 14 日日先进复合材料在在航空领域的应用先进复合材料在在航空领域的应用摘要摘要：介绍了材料的发展史，并且介绍了材料的分类，主要介绍了复合材料的 现状。复合材料在航空航天领域的应用。最后介绍了复合材料在航空航天的发 展。航空领域应用的新进展，先进复合材料在航空航天领域的应用。 关键词关键词： 复合材料；航空航天；国防；先进复合材料1.1 前言前言材料是人们生活和生产必须的物质基础。也是人类进化的重要里程碑。材料科 学主要研究材料的成分、分子或

2、原子机构、微观及宏观组织以及加工制造工艺 和性能之间的关系。它是一门边缘新科学，主要一固态物理和固态化学、晶体 学、热力学等位基础，结合冶金化工及各种高新科技术来探讨材料内在规律和 应用。材料是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。但并不是所 有物质都可称为材料，如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等，一般 都不算作材料。 1.2 材料可按多种方法进行分类。材料可按多种方法进行分类。按物理化学属性分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材 料。 按用途分为电子材料、宇航材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。 实际应用中又常分为结构材料和功能材料。结构材料是以力学性质为基础

3、，用 以制造以受力为主的构件。结构材料也有物理性质或化学性质的要求，如光泽、 热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能力等，根据材料用途不同，对性能的 要求也不一样。功能材料主要是利用物质的物理、化学性质或生物现象等对外 界变化产生的不同反应而制成的一类材料。如半导体材料、超导材料、光电子 材料、磁性材料等。 材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20 世纪 70 年代，人们把信息、材料 和能源作为社会文明的支柱。80 年代，随着高技术群的兴起，又把新材料与信 息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。现代社会，材料已成为国 民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。 1.3 材料的发展简史

4、材料的发展简史人类社会的发展历程，是以材料为主要标志的。100 万年以前，原始人以石头 作为工具，称旧石器时代。1 万年以前，人类对石器进行加工，使之成为器皿 和精致的工具，从而进入新石器时代。新石器时代后期，出现了利用粘土烧制 的陶器。人类在寻找石器过程中认识了矿石，并在烧陶生产中发展了冶铜术， 开创了冶金技术。公元前 5000 年，人类进入青铜器时代。公元前 1200 年，人 类开始使用铸铁，从而进入了铁器时代。随着技术的进步，又发展了钢的制造 技术。18 世纪，钢铁工业的发展，成为产业革命的重要内容和物质基础。19 世 纪中叶，现代平炉和转炉炼钢技术的出现，使人类真正进入了钢铁时代。与此

5、 同时，铜、铅、锌也大量得到应用，铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。直到 20 世纪中叶，金属材料在材料工业中一直占有主导地位。20 世纪中叶以后，科学技术迅猛发展，作为发明之母和产业粮食的新材料 又出现了划时代的变化。首先是人工合成高分子材料问世，并得到广泛应用。 先后出现尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及维尼纶、合成橡胶、 新型工程塑料、高分子合金和功能高分子材料等。仅半个世纪时间，高分子材 料已与有上千年历史的金属材料并驾齐驱，并在年产量的体积上已超过了钢， 成为国民经济、国防尖端科学和高科技领域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料 的发展。陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料制造

6、而成的材料。50 年代， 合成化工原料和特殊制备工艺的发展，使陶瓷材料产生了一个飞跃，出现了从 传统陶瓷向先进陶瓷的转变，许多新型功能陶瓷形成了产业，满足了电力、电 子技术和航天技术的发展和需要。结构材料的发展，推动了功能材料的进步。20 世纪初，开始对半导体材料 进行研究。50 年代，制备出锗单晶，后又制备出硅单晶和化合物半导体等，使 电子技术领域由电子管发展到晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路。 半导体材料的应用和发展，使人类社会进入了信息时代。 现代材料科学技术的发展，促进了金属、非金属无机材料和高分子材料之间的 密切联系，从而出现了一个新的材料领域复合材料。复合材料以一种材料

7、为基体，另一种或几种材料为增强体，可获得比单一材料更优越的性能。复合 材料作为高性能的结构材料和功能材料，不仅用于航空航天领域，而且在现代 民用工业、能源技术和信息技术方面不断扩大应用。1.4 复合材料的发展和应用复合材料的发展和应用复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过 物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相 取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种 不同的要求。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、

8、石墨、 碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、 石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和 已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20 世纪 40 年代，因航空 工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢） ，从此出现了复合材料这 一名称。50 年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模 量纤维。70 年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与 合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合， 构成各具特色的复合材料。复合材料是指由两种或两种以

9、上不同物质以不同方式组合而成的材料，它 可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于 复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候 性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子 电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000 年美国汽车 零件的复合材料用量达 14.8 万吨，欧洲汽车复合材料用量到 2003 年估计可达10.5 万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品 在 2000 年的用量达 7.5 万吨，汽车等领域的用量仅为 2

10、.4 万吨。不过从全球范 围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有 许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着 力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、 高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。 为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制 造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料 取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而 成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可 降解复合材

11、料也成为国内外开发研究的重点。 1.41 先进复合材料在航空航天领域的应先进复合材料在航空航天领域的应 用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

12、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。图图 1:1: 世界碳纤维需求量(单位:吨)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 %，到 2010 年和 2001 年相比预计增长超过 100%。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表表 1:1

13、: 世界碳纤维按应用领域需求的统计和预测1.4.2 航空领域应用的新进展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

14、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 2728%。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。图图 2:2: 美国F22 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

15、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造，其中 22%为碳纤维增强塑料 (CFRP), 3%为首次用于民用飞机的 GLARE 纤维金属板（铝合金和玻璃纤维超 混杂复合材料的层状结构）。这些部件包括：减速板、垂直和水平稳定器(用作 油箱)、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、 方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾 翼和副翼均采用 CFRP 制造。继 A340 对碳纤维龙骨梁和复合材料后密封框 复合材料用于飞机的密封禁区发起挑战后，A380 又一次对连接机翼与机身主体 结构中央翼盒新的禁区发起了成功挑战3。仅此一项就

16、比最先进的铝合金材料 减轻重量 1.5 吨。由于 CFRP 的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损。 从而大大减少了油耗和排放，燃油的经济性比其直接竞争机型要低 13%左右， 并降低了运营成本，座英里成本比目前效率最高飞机的低 15%-20%，成为第一 个每乘客每百公里耗油少于三升的远程客机。图图 3:3: 空中客车 A-3801.4.3 航天领域的新进展航天领域的新进展火箭、导弹以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结 构、功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发 挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型 号研制的成败。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复 合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结 构承力件上，碳/碳和碳/酚醛是弹头端头和发动机喷管喉衬及耐烧蚀部件等重 要防热材料，在美国侏儒、民兵、三叉戟等战略导弹上均已成熟应用，美国、 日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，如美国三