航空材料作业

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1、 航空先进复合材料概论课 程 论 文学 院： 飞行器工程学院 班级（学号）： 10060122 姓 名： 田学宁 电 话： 18720058528 二零一三年六月 航空先进复合材料的发展及应用 摘要:首先介绍了航空复合材料的基本情况性能，再介绍了复合材料的发展简史。最后通过航空领域对于航空复合材料的应用进行一些具体介绍以及国际何国伟的一些基本情况。如国防、军工及航空航天用树脂基复合材料；用于固体发动机壳体的树脂基体以及民用大飞机复合材料和国内大飞机复合材料现状。通过这些介绍体现出现金复合材料的应用价值与前景。1.复合材料的性能 复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度

2、和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到热膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合， 使用温度可达1500，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材

3、料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。2.复合材料的发展简史 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

4、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

5、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

6、、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.3. 复合材料在国防、军工及航空航天领域的应用 据有关资料报导，航天飞行器的质量每减少1干克，就可使运载火箭减轻500千克，而一次卫星发射费用达几千万美元。高成本的因素，使得结构材料质轻，高性能显得尤为重要。

7、利用纤维缠绕工艺制造的环氧基固体发动机罩耐腐蚀、耐高温、耐辐射，而且密度小、刚性好、强度高、尺寸稳定。再如导弹弹头和卫星整流罩、宇宙飞船的防热材料、太阳能电池阵基板都采用了环氧基及环氧酚醛基纤维增强材料来制造。处于航天航空飞行及其安全的考虑所需，作为结构材料应具有轻质高强、高可靠性和稳定性，环氧碳纤维复合材料成为不可缺少的材料。高性能环氧复合材料采用的增强材料主要是碳纤维(CF)以及CF和芳纶纤维(K-49)或高强玻璃纤维(S-GF)的混杂纤维。所用基体材料环氧树脂约占高性能复合材料树脂用量的90%左右。高性能复合材料成型工艺多采用单向预浸料干法铺层，热压罐固化成型。高性能环氧复合材料已广泛应

8、用在各种飞机上。以美国为例，20世纪60年代就开始应用硼环氧复合材料作飞机蒙皮、操作面等。由于硼纤维造价太贵，70年代转向碳环氧复合材料，并得到快速发展。大致可分为三个阶段。第一阶段应用于受力不大的构件，如各类操纵面、舵面、扰流片、副翼、口盖、阻力板、起落架舱门、发动机罩等次结构上。第二阶段应用于承力大的结构件上，如安定面、全动平尾和主受力结构机翼等。第三阶段应用于复杂受力结构，如机身、中央翼盒等。一般可减重20%30%。目前军机上复合材料用量已达结构重量的25%左右，占到机体表面积的80%。高性能环氧复合材料在国外军机和民机上的应用实例较多。 我国于1978年首次将碳-玻环氧复合材料用于强-

9、5型飞机的进气道侧壁。有关会专家介绍，20世纪80年代在多种军机上成功地将C/EP用作垂直安定面舵面、全动平尾和机翼受力盒段壁板等主结构件。宇航工业中除烧蚀复合材料外，高性能复合材料应用也很广泛。如三叉戟导弹仪器舱锥体采用C/EP后减重25%30%，省工50%左右。还用作仪器支架及三叉戟导弹上的陀螺支架、弹射筒支承环，弹射滚柱支架、惯性装置内支架和电池支架等55个辅助结构件。由于减重，使射程增加342km。德尔塔火箭的保护罩和级间段亦由C/EP制造。美国卫星和飞行器上的天线、天线支架、太阳能电池框架和微波滤波器等均采用C/EP定型生产。国际通讯卫星V上采用C/EP制作天线支撑结构和大型空间结构

10、。宇航器“空中旅行者”的高增益天线次反射器和蜂窝夹层结构的内外蒙皮采用了K-49/EP。航天飞机用Nomex蜂窝C/EP复合材料制成大舱门，C/EP尾舱结构壁板等。4.用于固体发动机壳体的树脂基体 环氧树脂由于力学、热学性能优异，电气性能优良，耐化学介质性、耐候性好及工艺性优良等优点，数十年来一直是固体火箭发动机复合材料树脂基体的主体，预计今后相当长时间内仍将如此。环氧树脂的缺点是耐冲击损伤能力差，耐热性较低(170)，在湿热环境下力学性能下降明显。这些年来环氧树脂的发展经历了刚性环氧柔性环氧刚性环氧的过程。但居主导地位的一直是刚性双酚A二缩水甘油醚型环氧树脂。如美国“三叉戟-1”、“三叉戟-

11、2”导弹以及“飞马座”火箭采用的HBRF-55A配方就以E-PON826为主。多年来各国都在通过加入柔性单元改进环氧树脂的韧性，通过加入新型刚性链单元结构或使用芴型芳香胺固化剂来提高耐热性，并分别取得了预期的效5.民用大飞机复合材料 复合材料在航空制造业的应用趋于广泛,世界上大型飞机如波音787,空客380等机型的结构件复合材料的用量占到了40-50%,先进直升机结构件复合材料用量甚至占到了80%以上，可以说复合材料就是构成空中飞行器的血肉。 日本Yo ko h a ma橡胶公司开发了一种用于空中客车A380复合材料部件的环境友好的无粘接剂预浸料。该预浸料用于飞机机翼整流罩,由碳纤维增韧环氧树

12、脂制成。A380的机翼构造为蜂窝状内层夹在纤维增韧塑料板材中间。该预浸料省去了需要使用环境友好,无味的溶剂融解预渍料以便模塑的工艺,应用时只须加热即可融解模塑,同样,只须加热即可固定蜂窝内层,无需粘接剂,这减少了整流罩安装的一个步骤,提高了生产效率。该公司也成为首家获得为空中客车供应这类材料许可的日本公司。Nordam Group Inc获得了波音公司的许可,为其供应787大型客机复合材料窗框。该窗框将采用HexcelCorp的HexMC-一种专门设计用于压缩模塑的高填充环氧片状模塑料,该材料具有高强度,低密度,结实,富于刚性的特点。该窗框与原先的铝质窗框相比,重量减轻了50%,具有高耐破坏性

13、,这是首次将复合材料窗框用于商业大型客机,也是飞机机身构造的一次创新。首批产品巳交付波音公司机身合作制造商。LH-10 Ellipse是一种纵排双座运动型飞机，该飞机全部采用碳纤维环氧树脂复合材料制成，目前已成套出售。其飞行速度可达到370km/h, 比其他同类飞机快100-150 km/h。其特色为在飞机后部装有带螺旋桨推进器的中型发动机和碳纤维主轴。 6.国内大飞机复合材料现状 当然与军机相比，民机还可以采用国际采购的方式来弥补技术上的差距，如飞机发动机、部分机载设备、零部件和材料都可以采用这种方式。但是民机制造中仍有许多东西是用钱买不来的，如飞机的总体设计能力，尤其是集成能力得靠经验上的

14、累积。又如电传操作，这是核心技术，空客在这个方面已比较成熟，波音777也采用了电传操作技术，其中有些还是光传技术，这种技术人家是不会卖给我们的，只有靠自己研发。据了解，现在国产化的T300飞机复合材料正在研制之中，可望不久能投入批量生产，以替代目前进口的T300。在复合材料的制造工艺上，国内的一些主要飞机厂也正在加快更新设备。如西飞，其应用飞机复合材料的主要设备热压罐原来的最大直径为3.5米，现在准备上直径六米的热压罐。国内航空产品制造业中少数能够依托自主研发, 引进、消化国际先进技术,实现产品国际取证和销售的生产企业。哈飞股份与空中客车公司同在组建合资制造中心，生产A350XWB宽体飞机项目

15、的复合材料零部件, 正式切入全球飞机制造产业链中.并向空中客车公司成功交付第一架份复合材料机体结构件, 此举不但标志着哈飞股份已成为空中客车公司合格供应商之一，重要的是，在中国自主研发制造的大飞机中，哈飞股份的复合材料必将得到更大规模的运用，公司的复合材料制造面临飞跃，从而使公司的发展空间更加广阔。航空制造业战略机遇空前。飞机制造业是巨大的系统工程，是基础科学和制造业企业通力合作的结果，哈飞股份拥有除军机的军械加装和试飞以外的较完整的业务链.几 十 年 生 产 军、民用直升机，轻型及支线固定翼飞机研制,参与国际航空的转包产品生产都为公司参与到大飞机项目中做好了一定的技术储备。除生产和销售直9系列, HC120,EC120机身,运12等产品外,另外3个长期投资单位涉及的方向则是民用支线飞机以及中型民航客机的研制生产, 其中安博威公司主要生产销售50座级涡扇ERJ145支线飞机, 该机型采用当代先进的涡轮风扇发动机和集成化航空电子设备, 其安全性,舒适性和各项性能指标不亚于大型干线飞机,目前该系列飞机全球销售量已超过700架, 2006年所签大单生产任务排到2010年。 感想不论我们发展什么高科技技术或是什么工具，都离不开