复合材料在飞行器制造中的应用

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1、1.5复合材料构件在飞行器上的应用复合材料构件在飞行器上的应用先先进进复复合合材材料料技技术术的的实实际际应应用用在在飞飞行行器器设设计计与与制制造造中中具具有有重重要要的的地地位位。这这是是因因为为复复合合材材料料的的许许多多优优异异性性能能，如如比比强强度度和和比比模模量量高高，优优良良的的抗抗疲疲劳劳性性能能，以以及及独独特特的的材材料料可可设设计计性性等等，都都是是飞飞行行器器结结构构盼盼望望的的理理想想性性能能。高高性性能能飞飞行行器器要要求求结结构构重重量量轻轻，从从而而可可以以减减少少燃燃料料消消耗耗，延延长长留留空空时时间间，飞飞得得更更高高更更快快或或具具有有更更好好的的机机

2、动动性性；也也可可以以安安装装更更多多的的设设备备，提提高高飞飞行行器器的的综合性能。综合性能。1 减轻结构的重量可大大节约飞机的使用成本，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，先进战斗机每减重进战斗机每减重1kg，就可节约，就可节约1760美元美元。西方。西方国家在很短的时间内就实现了从非受力件和次受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很大的发展。目前正在研制的战术覆盖面都有了很大的发展。目前正在研制的战斗

3、机中所使用的复合材料可占飞机结构总重量的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（如出现全复合材料飞机（如Lear Fan 2100，Starship和和Vayager）之后又出现了全复合材料机）之后又出现了全复合材料机身的隐身轰炸机身的隐身轰炸机B2。此外，也只有采用了复合材。此外，也只有采用了复合材料，才使前掠翼得以在料，才使前掠翼得以在X-29上实现。上实现。2Lear Fan 21003B2隐形轰炸机隐

4、形轰炸机4苏苏苏苏44 44 苏苏苏苏4747 前前掠翼具有掠翼具有许许多突出的多突出的优优点。前掠翼在高攻点。前掠翼在高攻角角时时有更好的有更好的稳稳定性和可控性定性和可控性,可增大可增大飞飞机的机的转转弯弯角速度角速度;阻力小阻力小;不会出不会出现现翼尖气流分离翼尖气流分离现现象象,故可增故可增大升力大升力,从而从而显显著提高著提高飞飞机的升阻比机的升阻比;另外另外还还可改善可改善布局布局,减小迎面减小迎面对对雷达波的反射面雷达波的反射面积积。567F-18战斗机战斗机89波音波音767客机客机1011TAG公司公司推出全复推出全复合材料机合材料机体无人直体无人直升机升机 12F-2213

5、 从从国国内内情情况况看看，当当前前国国内内飞飞机机型型号号应应用用复复合合材材料料的的比比例例越越来来越越高高，应应用用复复合合材材料料的的部部件件越越来来越越大大，复复合合材材料料构构件件的的结结构构也也越越来来越越复复杂杂，复复合合材材料料构构件件已已经经逐逐步步从从次次承承力力构构件件到到主主承承力力构构件件转转变变，复复合合材材料料的的垂垂直直安安定定面面、水水平平尾尾翼翼、前前机机身身、舱舱门门、整整流流罩罩等等构构件件已已在在多多种种型型号号飞飞机机上上使使用用并并形形成成了了批批量量生生产产能能力力。机机翼翼、旋旋翼翼等主承力构件也已经在小批量生产。等主承力构件也已经在小批量生

6、产。14 目目前前国国内内复复合合材材料料在在飞飞机机上上应应用用最最多多的的是是新新研研制制的的中中、高高空空长长航航时时无无人人机机，其其机机体体复复合合材材料料的的使使用用量量达达到到70%，机机翼翼翼翼展展18米米，为为全全复复合合材材料料结结构构；其其中中，机机翼翼整整体体盒盒段段运运用用设设计计工工艺艺一一体体化化技技术术，将将机机翼翼的的前前、后后梁梁，上上蒙蒙皮皮和和所所有有中中间间肋肋整整体体共共固固化化成成型型，在在复复合合材材料料应应用用技技术术上上有有所所突突破破。在在自自行行设设计计制制造造的的某某新新型型武武装装直直升升机机上上，大大量量采采用用了了复复合合材材料料

7、，其其机机身身结结构构、主主桨桨叶叶、尾尾桨桨叶叶和和尾尾段段为为全全复复合合材材料料结结构。构。15长航时无人机长航时无人机某新型武装直升机某新型武装直升机1617 记者在哈航集团的生产车间里看到，工人们正在模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具上进行“铺层铺层”工作。几名工人首先将一种薄得像布一工作。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，随后再铺上一层水，随后再铺上一层“布布”。在铺了若干层。在铺了若干层“布布”后，经过后，经过固化、成型，制成特殊复合材料。最后将根据尺寸要求，固化、

8、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加工出具有流线形的壳体整流罩。哈航集团为波音整流罩。哈航集团为波音公司生产的整流罩将用于公司生产的整流罩将用于“波音波音787”机体和机翼的结合部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，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。到保护与减少空气阻力的双重作用。 1819202122232425262728密度密度1.6复合材料的性质复合材料的性质:性性能能比比较较29拉伸强度拉伸强度30弹性模量弹性模量31比强度比强度比模量比模量32 比强度和比模量高比强度和比模量

9、高 材料的强度除以密度称为比强度；材料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的刚度除以密度称为比刚度 。这两个参量。这两个参量是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和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。合材料的比例。33 耐疲劳性能好耐疲劳性能好 一般金属的疲劳

10、强度为抗拉强度的一般金属的疲劳强度为抗拉强度的404050%50%，而某些复合材料可高达，而某些复合材料可高达707080%80%。复。复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩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，没有突发性的展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化。因此，变化。因此，复合材料在破坏前有预兆，复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救可以检查和补救。纤维复合材料还具有较。纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能。好的抗声振疲劳性能。用复合材料制成的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直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长数倍数倍。34 减振性能良好减

11、振性能良好 纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼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纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属粱要短得多。粱要短得多。35 过载安全性好过载安全性好 在纤维增强复合材料的基体中有成千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，迅速

12、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因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。能力。36 耐热性能好耐热性能好 在高温下，用碳或硼纤维增强的金在高温下，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。普通铝合金在度高很多。普通铝合金在400400时，弹时，弹性模量大幅度下降，强度也下降；而在性模量大幅度下降，强度也下降；而在同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的铝合金的强度和弹性模量基本不变。铝合金的强度和弹性模量基本不变。复复合材料的热导率一般都小，因而它的瞬合材料的热导率一般都小

13、，因而它的瞬时耐超高温性能比较好时耐超高温性能比较好。37各向异性及性能可设计性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，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、物理性能除了由的力学、物理性能除了由纤维、树脂的种纤维、树脂的种类及体积含量类及体积含量而定外，还与而定外，还与纤维的排列方纤维的排列方向、铺层顺序和层数向、铺层顺序和层数密切相关。因此，可密切相关。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不同，选取相应的材料及铺层设计来

14、满足既定的要求。复合材料的这一特点可以实既定的要求。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、经济现构件的优化设计，做到安全可靠、经济合理。合理。38工艺性好工艺性好 纤维增强复合材料一般适合于整体成纤维增强复合材料一般适合于整体成型，型，减少了零部件的数目及接头紧固件，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减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。准确性。另外，制作纤维增强复合材料部另外，制作纤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，在制作过程用模具成型，而后加温固化，在制

15、作过程中基体由流体变为固体，中基体由流体变为固体，不易在材料中造不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力很小成微小裂纹，而且固化后残余应力很小。391.7 增强材料纤维增强材料纤维增强材料增强材料:能和聚合物复合，形成复合材料后其比强度能和聚合物复合，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，称为和比模量超过现有金属的物质。反之，称为填料填料。纤纤维维增增强强材材料料粒子增粒子增强材料强材料（片状、（片状、颗粒状）颗粒状）40主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量一般主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量一般在在90以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如以上。碳纤维具

16、有一般碳素材料的特性，如耐耐耐耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、各向异性、柔软、各向异性、柔软、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可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度可加工成各种织物，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。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。制造制造：由含碳量较高，在热处理过

17、程中不熔融的人造：由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经化学纤维，经热稳定氧化处理热稳定氧化处理热稳定氧化处理热稳定氧化处理、碳化处理碳化处理碳化处理碳化处理及及石墨化石墨化石墨化石墨化等等工艺制成。工艺制成。应用应用：与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材：与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。料。碳纤维增强环氧树脂复合材料碳纤维增强环氧树脂复合材料碳纤维增强环氧树脂复合材料碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模其比强度、比模其比强度、比模其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中最高。量综合指标，在现有结构材料中最高。量综合指标，在现有结构材料中最高。量综合指标，

18、在现有结构材料中最高。在强度、刚度、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、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。化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具优势。碳碳纤纤维维41碳纤维碳纤维 碳纤维是以碳纤维是以聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维、粘胶纤维粘胶纤维或或沥青纤维沥青纤维为原为原丝，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。能，是高

19、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，然后在氮或氩等惰性气体保护下缓慢加热维先进行干燥，然后在氮或氩等惰性气体保护下缓慢加热到到400 。达。达400 后，快速升温至后，快速升温至9001000 ，使之，使之完全炭化，可得含碳量达完全炭化，可得含碳量达90%的碳纤维。的碳纤维。 若以聚丙烯睛若以聚丙烯睛 纤维为原丝，则需先对原丝进行纤维为原丝，则需先对原丝进行180220 、约、约10小时的预氧化处理，然后再经过炭化小时的预氧化处理，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。

20、和石墨化处理，由此制得具有优良性能的碳纤维。42活性碳纤维的生产工艺流程活性碳纤维的生产工艺流程PAN纤维纤维沥青纤维沥青纤维粘胶纤维粘胶纤维预氧丝预氧丝预氧丝预氧丝预氧丝预氧丝碳化活化碳化活化ACF活性炭纤维活性炭纤维活性碳纤维毡活性碳纤维毡活性碳纤维布活性碳纤维布活性碳纤维纸活性碳纤维纸不熔化不熔化预氧化预氧化催化浸清催化浸清预氧化预氧化43碳纤维的分类碳纤维的分类按性能分类：按性能分类：高性能型碳纤维抗拉强度在高性能型碳纤维抗拉强度在2000MPa以上，主要用于航天、以上，主要用于航天、 航空和军工等领域；航空和军工等领域；通用型碳纤维抗拉强度在通用型碳纤维抗拉强度在6001200MPa

21、左右，主要用于左右，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。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：按原料分类：粘胶基碳纤维（粘胶基碳纤维（ 90 ）沥青基碳纤维（沥青基碳纤维（10%）44碳纤维的制造方法碳纤维的制造方法: 碳纤维制品有布、带、粗纱、短纤维和毡等碳纤维制品有布、带、粗纱、短纤维和毡等长丝长丝长丝长丝-filament-filament，基本的纤维结构单元。本身是连续的，基本的纤维结构单元。本身是连续的，基本的纤维结构单元。本身是连续的，

22、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（通常其直径为或至少远远长于其平均直径（通常其直径为或至少远远长于其平均直径（通常其直径为或至少远远长于其平均直径（通常其直径为5 51010 微米）微米）微米）微米）纱纱纱纱-yarn-yarn，小束的连续长丝，一般不大于，小束的连续长丝，一般不大于，小束的连续长丝，一般不大于，小束的连续长丝，一般不大于1000010000支，纤维支，纤维支，纤维支，纤维 轻轻的铰合在一起以便像长丝那样使用轻轻的铰合在一起以便像长丝那样使用轻轻的铰合在一起以便像长丝那样使用轻轻的铰合在一起以便像长丝那样使用纤维织物纤维织物纤维织物纤维织物-交织纱、

23、纤维或长丝所编织的平面纺织品结构交织纱、纤维或长丝所编织的平面纺织品结构交织纱、纤维或长丝所编织的平面纺织品结构交织纱、纤维或长丝所编织的平面纺织品结构气相法气相法有机纤维碳化法（可制造连续长纤维）有机纤维碳化法（可制造连续长纤维）45461.7.21.7.2芳纶纤维芳纶纤维: : 芳纶学名叫芳纶学名叫芳香族聚酰胺纤维芳香族聚酰胺纤维，是以含，是以含苯环的二氨基化合物与含苯环的二羧基化合苯环的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，如尼龙用原料不同有多种牌号，如尼龙6T、芳纶、芳纶1414、芳纶、芳纶14

24、、芳纶、芳纶1313等。其中以芳纶等。其中以芳纶1414、芳纶、芳纶1313最为成熟，产量最大，使用最为成熟，产量最大，使用最多。最多。47芳纶纤维芳纶纤维: : 芳纶发明于芳纶发明于芳纶发明于芳纶发明于2020世纪世纪世纪世纪6060年代，由美国和苏联等首年代，由美国和苏联等首年代，由美国和苏联等首年代，由美国和苏联等首先研制成功，并于先研制成功，并于先研制成功，并于先研制成功，并于7070年代投入工业化生产。目前美、年代投入工业化生产。目前美、年代投入工业化生产。目前美、年代投入工业化生产。目前美、德、日、俄等国已生产芳纶德、日、俄等国已生产芳纶德、日、俄等国已生产芳纶德、日、俄等国已生产

25、芳纶14141414，总生产能力为，总生产能力为，总生产能力为，总生产能力为4.14.1万吨万吨万吨万吨/ /年。美、日、俄等国生产芳纶年。美、日、俄等国生产芳纶年。美、日、俄等国生产芳纶年。美、日、俄等国生产芳纶13131313，总生产能，总生产能，总生产能，总生产能力为力为力为力为2.42.4吨年。吨年。吨年。吨年。 我国于我国于我国于我国于2020世纪世纪世纪世纪7070年代开始研究芳纶，已基本上年代开始研究芳纶，已基本上年代开始研究芳纶，已基本上年代开始研究芳纶，已基本上掌握了其生产技术及工艺条件，但这种产品的生产掌握了其生产技术及工艺条件，但这种产品的生产掌握了其生产技术及工艺条件，

26、但这种产品的生产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，目工艺过程复杂，对技术与设备的条件要求很高，目工艺过程复杂，对技术与设备的条件要求很高，目工艺过程复杂，对技术与设备的条件要求很高，目前只有小规模生产。前只有小规模生产。前只有小规模生产。前只有小规模生产。 48芳纶纤维芳纶纤维:芳纶芳纶芳纶芳纶14141414的商品名叫凯芙拉（的商品名叫凯芙拉（的商品名叫凯芙拉（的商品名叫凯芙拉（KevlarKevlar），），），），所用原料所用原料所用原料所用原料是对苯二甲酰氯和对苯二胺。是对苯二甲酰氯和对苯二胺。是对苯二甲酰氯和对苯二胺。是对苯二甲酰氯

27、和对苯二胺。 KevlarKevlar被称作高强度、高模量纤维，其强度是普通被称作高强度、高模量纤维，其强度是普通被称作高强度、高模量纤维，其强度是普通被称作高强度、高模量纤维，其强度是普通锦纶或涤纶纤维的锦纶或涤纶纤维的锦纶或涤纶纤维的锦纶或涤纶纤维的4 4倍，为钢丝的倍，为钢丝的倍，为钢丝的倍，为钢丝的5 5倍、铝丝的倍、铝丝的倍、铝丝的倍、铝丝的1010倍。倍。倍。倍。冲击强度可比金属高冲击强度可比金属高冲击强度可比金属高冲击强度可比金属高6 6倍倍倍倍。模量为锦纶的模量为锦纶的模量为锦纶的模量为锦纶的2020倍，比玻倍，比玻倍，比玻倍，比玻璃纤维和碳纤维的模量都高。使用寿命比玻璃纤维璃

28、纤维和碳纤维的模量都高。使用寿命比玻璃纤维璃纤维和碳纤维的模量都高。使用寿命比玻璃纤维璃纤维和碳纤维的模量都高。使用寿命比玻璃纤维长长长长3 31010倍。长期使用温度为倍。长期使用温度为倍。长期使用温度为倍。长期使用温度为240240，在，在，在，在400 400 以上才以上才以上才以上才开始开始开始开始烧烧焦。焦。焦。焦。缺点是横向强度低，压缩和剪切性能差。缺点是横向强度低，压缩和剪切性能差。缺点是横向强度低，压缩和剪切性能差。缺点是横向强度低，压缩和剪切性能差。 49芳纶纤维芳纶纤维:密度密度密度密度1.441.441.441.44，比各种金属都要，比各种金属都要，比各种金属都要，比各种

29、金属都要轻轻得多。得多。得多。得多。化学性能很化学性能很化学性能很化学性能很稳稳定。定。定。定。主要用于航空航天和国防主要用于航空航天和国防主要用于航空航天和国防主要用于航空航天和国防军军工工工工领领域，主要用于制作各域，主要用于制作各域，主要用于制作各域，主要用于制作各种复合材料，用于空种复合材料，用于空种复合材料，用于空种复合材料，用于空间飞间飞行器、行器、行器、行器、飞飞机、直升机、直升机、直升机、直升飞飞机等的机等的机等的机等的内部及表面，内部及表面，内部及表面，内部及表面，还还可用于宇宙可用于宇宙可用于宇宙可用于宇宙飞飞船、火箭船、火箭船、火箭船、火箭发动发动机外壳、机外壳、机外壳、

30、机外壳、导弹发导弹发射系射系射系射系统统。可用于制作防。可用于制作防。可用于制作防。可用于制作防弹弹衣、防衣、防衣、防衣、防弹头弹头盔、盔、盔、盔、轮轮胎胎胎胎帘子帘子帘子帘子线线和抗冲和抗冲和抗冲和抗冲击织击织物。物。物。物。50芳纶纤维芳纶纤维:目前已实现工业化并广泛使用的聚芳酰目前已实现工业化并广泛使用的聚芳酰目前已实现工业化并广泛使用的聚芳酰目前已实现工业化并广泛使用的聚芳酰 胺纤维胺纤维胺纤维胺纤维KevlarKevlar 特点：特点：高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度。高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度。高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度。高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀

31、、低密度。同时它也耐蠕变、耐疲劳，而且热膨胀系数小同时它也耐蠕变、耐疲劳，而且热膨胀系数小同时它也耐蠕变、耐疲劳，而且热膨胀系数小同时它也耐蠕变、耐疲劳，而且热膨胀系数小。用。用。用。用Kevlar49Kevlar49Kevlar49Kevlar49作增强材料可代替铝合金，它的冲击强度作增强材料可代替铝合金，它的冲击强度作增强材料可代替铝合金，它的冲击强度作增强材料可代替铝合金，它的冲击强度可比金属高可比金属高可比金属高可比金属高6 6 6 6倍，使用寿命比玻璃纤维长倍，使用寿命比玻璃纤维长倍，使用寿命比玻璃纤维长倍，使用寿命比玻璃纤维长3 3 3 310101010倍，倍，倍，倍， 芳纶纤维

32、的芳纶纤维的芳纶纤维的芳纶纤维的成纤工艺与碳纤维和玻璃纤维都不同，它成纤工艺与碳纤维和玻璃纤维都不同，它成纤工艺与碳纤维和玻璃纤维都不同，它成纤工艺与碳纤维和玻璃纤维都不同，它用的是用的是用的是用的是液晶纺丝工艺，用干喷湿纺法纺丝液晶纺丝工艺，用干喷湿纺法纺丝液晶纺丝工艺，用干喷湿纺法纺丝液晶纺丝工艺，用干喷湿纺法纺丝。芳纶纤。芳纶纤。芳纶纤。芳纶纤维和其它增强纤维一样，可以制成各种连续长纤维维和其它增强纤维一样，可以制成各种连续长纤维维和其它增强纤维一样，可以制成各种连续长纤维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，粗纱可以和粗、细纱。细纱可以纺织成各

33、种织物，粗纱可以和粗、细纱。细纱可以纺织成各种织物，粗纱可以和粗、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。加工成各种粗纱布或单向带。加工成各种粗纱布或单向带。加工成各种粗纱布或单向带。51Kevlar纤维成形：纤维成形： 1、纺丝原液的制备：聚合物在少数强酸性、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溶液，溶液中（浓硫酸）溶解成适宜纺丝的浓溶液，使其具有典型的使其具有典型的向列型液晶结构向列型液晶结构； 2、成形工艺：纺丝原液通过喷丝孔，在剪切、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力和拉伸流动下，向列型

34、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的大分子链产生部分解取向解取向倾向。很快液流受倾向。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一步细化伸长并获得高度取向高度取向，到低温的凝固，到低温的凝固浴中，冷却凝固成冻结液晶相纤维，因此初生浴中，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。丝无需拉伸就能得到高强度高模量的纤维。52531.7.3玻璃纤维玻璃纤维: 最早用于聚合物基最早用于聚合物基复合材料的一种增复合材料的一种增强材

35、料。美国于强材料。美国于18931893年即研究成功年即研究成功玻璃纤维，玻璃纤维，19381938年年工业化并作为商品工业化并作为商品出售，出售，4040年代初即年代初即应用于航空工业。应用于航空工业。玻璃纤维熔制过程示意图玻璃纤维熔制过程示意图54玻璃纤维玻璃纤维-glass fibre 玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，成分玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，成分玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，成分玻璃纤维是一种性能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、氧化为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼

36、、氧化镁、氧化为二氧化硅、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、拉钠等。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉钠等。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉钠等。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，玻璃纤维丝、络纱、织布等工艺。最后形成各类产品，玻璃纤维丝、络纱、织布等工艺。最后形成各类产品，玻璃纤维丝、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，相当于一根头发丝单丝的直径从几微米到二十几微米，相当于一根头发丝单丝的直径从几微米到二十几微米，相当于一根头发丝单丝的直径

37、从几微米到二十几微米，相当于一根头发丝的的的的 1/20-1/5 1/20-1/5 ，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝，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。组成，通常作为复合材料中的增强材料。组成，通常作为复合材料中的增强材料。组成，通常作为复合材料中的增强材料。 55玻玻璃璃纤纤维维具具有有很很高高的的拉拉伸伸强强度度，不不仅仅超超过过了了各各种种天天然然纤纤维维和和合合成成纤纤维维，同同时时也也超超过过一一般般钢钢材材的的强强度度。玻玻璃璃纤纤维维的的强强度度与与直直径径和和

38、长长度度的的大大小小有有关关，一一般般来来说说直直径径越越细细，拉拉伸伸强强度度越越高高；拉拉伸伸试试件件越越长长，强强度度越越小小。玻玻璃璃纤纤维维的的弹弹性性模模量量不不高高，与与纯纯铝铝的的模模量量接接近近，只只有有普普通通钢钢的的1/31/3。弹弹性性模模量量低低是是其其主主要要缺缺点点。玻玻璃璃纤纤维维受受力力时时，其其拉拉伸伸应应力力- -应应变变特特性性基基本本上上是是一一条条直直线线，没没有有塑塑性性变变形形阶阶段段，属属于于具具有有脆脆性性特特征征的的弹弹性性材材料料。它的它的扭转强度、剪切强度均较其它纤维低扭转强度、剪切强度均较其它纤维低。 56 玻玻璃璃纤纤维维还还具具有

39、有耐耐热热、耐耐腐腐蚀蚀、优优良良的的电电绝绝缘缘性性能能与与光光学学性性能能。玻玻璃璃纤纤维维外外观观为为光光滑滑的的圆圆柱柱体体，断断面面为为圆圆形形。由由于于其其表表面面光光滑滑，与与树树脂脂结结合合力力小小，需需加加偶偶联剂联剂才能与树脂结合。才能与树脂结合。 玻玻璃璃纤纤维维生生产产用用的的最最广广泛泛的的方方法法是是坩坩埚埚法法拉拉丝丝和和池池窑窑漏漏板板法法拉拉丝丝两两种种。玻玻璃璃纤纤维维制制品品主主要要有有纤纤维维布布、纤纤维维毡毡和和纤纤维维带带等等。玻玻璃璃纤纤维维布布可可分分为为平平纹纹布布、斜斜纹纹布布、无无捻捻粗粗纱纱布布（方方格格布布）、单单向向布布、无无纺纺布布

40、等等。玻玻璃璃纤纤维维毡毡又又分分为为短短切切纤纤维维毡、表面毡及连续纤维毡等。毡、表面毡及连续纤维毡等。57坩坩埚埚炉炉58 池窑拉丝是国际上普遍采池窑拉丝是国际上普遍采用的玻璃纤维生产新工艺，该用的玻璃纤维生产新工艺，该技术特点是，采用重油或燃气技术特点是，采用重油或燃气加热单元窑，粉料直接熔化成加热单元窑，粉料直接熔化成玻璃，经燃气加热的成型通路，玻璃，经燃气加热的成型通路，由多台（数十到上百台）漏板由多台（数十到上百台）漏板同时拉制各种规格的玻璃纤维同时拉制各种规格的玻璃纤维原丝。具有生产规模大、效率原丝。具有生产规模大、效率高、能耗低、产品质量好等优高、能耗低、产品质量好等优点，能适

41、应点，能适应800至至4000孔大漏孔大漏板拉丝成型的要求，是生产高板拉丝成型的要求，是生产高质量、低成本玻璃纤维材料的质量、低成本玻璃纤维材料的最佳方法。最佳方法。59玻璃池窑玻璃池窑60池窑拉丝池窑拉丝61湿法毡生产线湿法毡生产线62连续原丝毡生产线连续原丝毡生产线63短切原丝毡生产线短切原丝毡生产线64离心棉生产线离心棉生产线65玻璃纤维过滤布生产线玻璃纤维过滤布生产线661.7.4复合纤维的生产方法复合纤维的生产方法 复合纤维的生产方法主要有复合纤维的生产方法主要有复合纺丝法复合纺丝法和和共共混纺丝法混纺丝法。 复合纺丝法是将两种性质不同的高聚物，用两复合纺丝法是将两种性质不同的高聚物

42、，用两根螺杆分别熔融、计量后，共同进入特殊设计的纺根螺杆分别熔融、计量后，共同进入特殊设计的纺丝组件，经喷丝孔喷出冷却成形。复合纺丝采用专丝组件，经喷丝孔喷出冷却成形。复合纺丝采用专用的复合纺丝机生产。用的复合纺丝机生产。 共混纺丝是将两种或两种以上的具有相容性的共混纺丝是将两种或两种以上的具有相容性的聚合物混合在一起进行纺丝的方法。这种方法可以聚合物混合在一起进行纺丝的方法。这种方法可以用普通纺丝设备。用普通纺丝设备。67681.8 基体材料树脂基体材料树脂复复合合材材料料是是由由增增强强材材料料和和基基体体材材料料组组成成的的。基基体体的的三三种种主主要要作作用用是是：把把纤纤维维粘粘在在

43、一一起起；分分配配纤纤维维间间的的载载荷荷；保保护护纤纤维维不不受受环环境境影影响响。在在复复合合材材料料的的成成形形过过程程中中，基基体体经经过过一一系系列列物物理理的的、化化学学的的和和物物理理化化学学的的复复杂杂变变化化过过程程，与与增增强强纤纤维维复复合合成成具具有有一一定定形形状状的的整整体体。因因此此，基基体体材材料料的的性性能能直直接接影影响响复复合合材材料料的的性性能能，而而它它的的工工艺艺性性则则直直接接影影响响复复合合材材料料的的成成形形方方法法与与工工艺参数的选择。艺参数的选择。69聚聚合合物物基基复复合合材材料料的的基基体体材材料料是是树树脂脂。用用作作基基材材的的树树

44、脂脂首首先先要要具具有有较较高高的的力力学学性性能能、介介电电性性能能、耐耐热热性性能能和和耐耐老老化化性性能能，并并且且要要施施工工简简便便，有有良良好好的的工工艺艺性性能能。树树脂脂大大致致可可分分为为热热固固性性树树脂脂和和热热塑塑性性树树脂脂两两类类。前前者者有有环环氧氧树树脂脂、酚酚醛醛树树脂脂等等；后后者者有有聚聚酰酰胺胺、聚聚砜砜、聚聚酰酰亚亚胺胺、聚聚脂脂等等。这这两两类类基基体体材材料料在在使使用方法上有很大的不同。用方法上有很大的不同。7071复合材料的组成复合材料的组成基体基体Matrix增强体增强体Reinforcement界面界面Interface72a是玻纤增强是玻

45、纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片，的冲击试样的断口扫描电镜照片，（a）是加入）是加入MPP相容剂的玻纤增强相容剂的玻纤增强体系，体系，( a）中玻璃）中玻璃纤维与基体的结合纤维与基体的结合较好，纤维拔出较较好，纤维拔出较少少.73（b）是未加相容剂的玻纤增强体系。）是未加相容剂的玻纤增强体系。从从中中可可以以看看出出，而而（b）中中有有大大量量的的玻玻纤纤从从基基体体中中拔拔出出，证证明明与与基基体体的的粘粘接接性性较较差差，因因而而体体系系的的力力学学性能不高。性能不高。74复合效应复合效应 复合效应实质上是原相材料及其所形成的界面复合效应实质上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互

46、依存、相互补充的结果。相互作用、相互依存、相互补充的结果。 复合材料具有特殊的复合效应，使得复合材料复合材料具有特殊的复合效应，使得复合材料不但基本保持了原有组分的性能，还增添了原有组不但基本保持了原有组分的性能，还增添了原有组分没有的性能。分没有的性能。 它表现为树脂基复合材料的性能是其组分材料它表现为树脂基复合材料的性能是其组分材料基础上的线性和非线性的综合。复合效应有正有负，基础上的线性和非线性的综合。复合效应有正有负，性能的提高总是人们所期望的，但有些材料在复合性能的提高总是人们所期望的，但有些材料在复合之后某些方面的性能出现抵消甚至降低的现象是不之后某些方面的性能出现抵消甚至降低的现

47、象是不可避免的。可避免的。 75 线性效应线性效应非线性效应非线性效应界面效应界面效应尺寸效应尺寸效应各向异性效应各向异性效应 复合效应复合效应线性效应可细分为平均效应、平行效应、相补效应、相抵效线性效应可细分为平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应。应。 非线性效应可细分为乘积效应、系统效应、诱导效应、共非线性效应可细分为乘积效应、系统效应、诱导效应、共振效应。振效应。761 1、线性效应、线性效应（1 1）平均效应（混合效应）平均效应（混合效应） 复合材料的某项性能等于各组分的该项性能乘以该复合材料的某项性能等于各组分的该项性能乘以该组分体积分数之和。可用混合物定律描述：组分体积分数之和。

48、可用混合物定律描述： Kc = Kii Kc = Kii （并联模型）（并联模型） 1/Kc = i/Ki 1/Kc = i/Ki （串联模型）（串联模型）（2 2）平行效应）平行效应 复复合合材材料料的的某某项项性性能能与与其其中中某某一一组组分分的的该该项项性性能能基基本相当。本相当。 Kc Ki Kc Ki 77（3 3）相补效应）相补效应 复合材料各组分复合后相互补充，弥补复合材料各组分复合后相互补充，弥补各自的弱点，产生优异的综合性能。各自的弱点，产生优异的综合性能。 C = AB C = AB（4 4）相抵效应）相抵效应 复复合合材材料料各各组组分分之之间间出出现现性性能能相相互互

49、制制约约，使其性能低于混合物定律预测值。使其性能低于混合物定律预测值。 Kc Kii Kc Kii78以下举例对其中的重要效应简单作一说明。以下举例对其中的重要效应简单作一说明。 平均效应又可称为加和效应平均效应又可称为加和效应(Mean Properties)，反映在，反映在复合材料的混合定则复合材料的混合定则(Rule of Mixture)中。中。该定则通常用来计算增强材料和基体复合后对某一性质该定则通常用来计算增强材料和基体复合后对某一性质产生的效果，即产生的效果，即式中式中 p某一性质，例如强度、模量、泊松比、热导等某一性质，例如强度、模量、泊松比、热导等Pc复合材料的某一性质；复合

50、材料的某一性质；Pi原始原始i材料的某一性质；材料的某一性质；体积分数；体积分数；i N种原始材料中第种原始材料中第i种材料体积分数种材料体积分数n由实验确定，其范围为由实验确定，其范围为-1 n 179例题：p(PA66)=81.3MPa,p(GF)=3232MPa,p(CF)=35001=0.7,2=0.3n=1Pc1=81.30.7+32320.3=1026.51(MPa)Pc2=81.30.7+35000.3=1106.91(MPa)80相补效应和相抵效应相补效应和相抵效应AB81非线性效应中，乘积效应非线性效应中，乘积效应(Product ProPcnMs又叫传递特性，交叉耦合效应。

51、又叫传递特性，交叉耦合效应。 例如对材料例如对材料X X输入时输出为输入时输出为Y Y，即一种转换，即一种转换功能材料功能材料Y/X(Y/X(如磁场压力的换能材料如磁场压力的换能材料) )；而；而Y Y又作又作为另一种材料的第二次输入，产生输出为另一种材料的第二次输入，产生输出Z Z，即为另，即为另一种换能材料一种换能材料Z ZY(Y(如电阻磁场转换材料如电阻磁场转换材料) )。两种。两种材料复合得出一新的机能材料，即材料复合得出一新的机能材料，即Y YX XZ ZY YZ ZX(X(即电阻压力转换构料即电阻压力转换构料) )。 乘积效应对开发新型功能材料指出了方向，乘积效应对开发新型功能材料

52、指出了方向，因为这种效应不仅仅比单一材料获得很强的性能，因为这种效应不仅仅比单一材料获得很强的性能，甚至还可利用它创造出任何单一材料都不存在的新甚至还可利用它创造出任何单一材料都不存在的新的功能效应。的功能效应。822、非线性效应、非线性效应相乘效应相乘效应（X/Y）（Y/Z）=X/ZA组元性质组元性质X/YB组元性质组元性质Y/Z相乘性质相乘性质X/Z压磁效应压磁效应压磁效应压磁效应磁致伸缩磁致伸缩热致变形热致变形磁阻效应磁阻效应电磁效应电磁效应压阻效应压阻效应压敏效应压敏效应压阻效应压阻效应压电效应压电效应磁阻效应磁阻效应热敏效应热敏效应83 当你在点燃煤气灶或热水器时，当你在点燃煤气灶或

53、热水器时，就有一种压电陶瓷已悄悄地就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次。生产厂家为你服务了一次。生产厂家在这类压电点火装置内，藏在这类压电点火装置内，藏着一块压电陶瓷，当用户按着一块压电陶瓷，当用户按下点火装置的弹簧时，传动下点火装置的弹簧时，传动装置就把压力施加在压电陶装置就把压力施加在压电陶瓷上，使它产生很高的电压，瓷上，使它产生很高的电压，进而将电能引向燃气的出口进而将电能引向燃气的出口放电，于是，燃气就被电火放电，于是，燃气就被电火花点燃了。压电陶瓷的这种花点燃了。压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应。反之功能就叫做压电效应。反之施加电压，则产生机械应力，施加电压，则产生机械应力，称为逆

54、压电效应。称为逆压电效应。84原理上利用锆钛酸铅PZT压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正、逆压电效应，既在压电陶瓷加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于它的陶瓷时，则会有电信号输出，通过数据处理时间差测距，计算显示车与障碍物的距离及危险相撞时报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物，实用性相当强。超声波传感器用作汽车倒车防撞报警器装置，也被称为超声波倒车雷达或倒车声纳系统，尤其适用于加长型装载汽车、载重大货车、矿山汽车等大型车辆。851.9 用作先进航天系统及武器的结构和用作先进航天系统及武器的结构和 防热复合材料防

55、热复合材料(1) (1) 树脂基复合材料树脂基复合材料 具具有有质质量量轻轻、强强度度和和刚刚度度高高、阻阻尼尼大大的的特特点点，主主要要用用于于先先进进载载人人航航天天器器、空空间间站站和和固固体体发发动动机机的的结结构构件件，是是航航天天领领域域中中用用量量较较多多的的结结构构复复合合材材料料。与与常常规规金金属属材材料料相相比比，可可减减轻轻构构件件质质量量20%20%60%60%。主主要要材材料料有有石石墨墨/ /环环氧氧、硼硼/ /环环氧氧、石石墨墨/ /聚聚酰酰亚亚胺胺和和聚聚醚醚酮酮等等。国国内内外外在在防防空空导导弹弹天天线线罩罩的的制制造造中中也也应应用用或或正正在在开开展展

56、应应用用工作。工作。86(2) (2) 金属基复合材料金属基复合材料 以以金金属属或或合合金金为为基基体体、并并以以纤纤维维、晶晶须须、颗颗料料等等为为增增强强体体。按按所所用用的的基基体体金金属属和和增增强强体体的的不不同同，使使用用温温度度范范围围约约在在30030012001200。高高比比强强度度、比比刚刚度度、良良好好韧韧性性和和塑塑性性、低低膨膨胀胀系系数数、良良好好的的导导电电和和导导热热性性、抗抗辐辐射射、抗抗激激光光及及制制造造性性能能好好，在在太太空空环环境境不不放放气气，能能在在较较高高温温度度（200200800800）工工作作。用用于于先先进进载载人人器器的的起起落落

57、架架等等机机身身辅辅助助结结构构以以及及惯惯性性器器件件和和仪仪表表结结构构等等。主主要要材材料料有有碳碳化化硅硅/ /铝铝、氧氧化化铝铝/ /铝铝、碳碳化硅化硅/ /钛、碳化硅钛、碳化硅/ /钛铝化合物和石墨钛铝化合物和石墨/ /铜等铜等。87 (3) (3) 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 具具有有使使用用温温度度高高、抗抗氧氧化化性性和和抗抗微微裂裂纹纹性性能能好好、质质量量轻轻、强强度度和和刚刚度度高高特特点点，可可用用于于航航天天飞飞机机的的机机头头锥锥、机机翼翼前前缘缘热热结结构构和和盖盖板板结结构构。主主要要材材料料有有碳碳/ /碳碳化化硅硅、碳碳化化硅硅/ /碳碳化化硅硅、硼硼化

58、化锆锆/ /碳碳化化硅硅和和硼硼化化铪铪/ /碳碳化化硅硅等等，其其中中硼硼化化物物陶陶瓷瓷基基复复合合材材料料被被认认为为是是抗抗氧氧化化最最强强的的高高温温材材料料，耐耐热热温温度达度达22002200。88 (4) (4) 碳碳/ /碳复合材料碳复合材料 以碳或石墨纤维为增强体。具有良好的以碳或石墨纤维为增强体。具有良好的抗氧抗氧化性、耐高温和高应力化性、耐高温和高应力，是，是现有复合材料中工作现有复合材料中工作温度最高的材料温度最高的材料。主要用于载人再入航天器的热。主要用于载人再入航天器的热结构、面板结构和发动机喷管烧蚀防热结构等。结构、面板结构和发动机喷管烧蚀防热结构等。材料有材料

59、有增强碳增强碳/ /碳（碳（RCCRCC）和进行碳）和进行碳/ /碳（碳（ACCACC）。超轻、超刚性结构用的石墨泡沫材料（超轻、超刚性结构用的石墨泡沫材料（SGFSGF）目）目前正在研究中，它有可能用于包括机翼、无人机前正在研究中，它有可能用于包括机翼、无人机及卫星在内的结构件。及卫星在内的结构件。89 一一半半以以上上的的碳碳/ /碳碳复复合合材材料料用用于于飞飞机机刹刹车车装装置置，具具有有重重量量轻轻、耐耐高高温温、比比热热容容大大、寿寿命命长长、刹车力矩平稳、噪音小等优点。刹车力矩平稳、噪音小等优点。 前前苏苏联联的的“暴暴风风雪雪”号号航航天天飞飞机机所所用用的的复复合合材材料料达

60、达5t5t之之多多，在在机机翼翼前前缘缘和和头头锥锥罩罩应应用用了了碳碳/ /碳碳复复合合材材料料充充当当最最重重要要的的隔隔热热部部分分，工工作作温温度度16001600。 美美国国“哥哥伦伦比比亚亚”号号航航天天飞飞机机在在头头锥锥和和机机翼翼前前缘缘也也使使用用了了碳碳/ /碳碳复复合合材材料料，工工作作温温度度大大于于12001200。美美国国国国防防部部将将研研制制碳碳/ /碳碳部部件件和和轻轻质质航航天天器器作作为为2001200120052005年年航航天天材材料料技技术术发发展展的的重重要要目标。目标。 901.10复合材料构件在其他方面的应用复合材料构件在其他方面的应用-以碳

61、纤维或碳化硅纤维增强的铝基以碳纤维或碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在复合材料，在500500时仍能保持足够的时仍能保持足够的强度和模量，比未增强的铝好得多；碳强度和模量，比未增强的铝好得多；碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。 91-非金属基复合材料由于密度小，用于汽车可减轻重量、非金属基复合材料由于密度小，用于汽车可减轻重量、提高车速、节约能源。如用碳纤维增强塑料制成的车身提高车速、节约能源。如用碳纤维增强塑料制成的车身和发动机罩，其重量可比金属制的轻一半以上；用碳纤和发动机罩，其重量可

62、比金属制的轻一半以上；用碳纤维与玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承维与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五倍多的钢片弹簧相等。载能力与重量大五倍多的钢片弹簧相等。-碳化硅纤维与氮化硅陶瓷复合，使用温度可达碳化硅纤维与氮化硅陶瓷复合，使用温度可达15001500，比超合金涡轮叶片的使用温度高很多。，比超合金涡轮叶片的使用温度高很多。92-复合材料范围广，品种多，性能优异，有很大的发展复合材料范围广，品种多，性能优异，有很大的发展前途。玻璃纤维增强前途。玻璃纤维增强热固性塑料热固性塑料中的片状模塑料发展很快，中的片状模塑料发展很快，已出现了许多分支，其制品已由非受

63、力件扩大到受力件如已出现了许多分支，其制品已由非受力件扩大到受力件如传动支架等。玻璃纤维增强传动支架等。玻璃纤维增强热塑性塑料热塑性塑料的用途越来越广，的用途越来越广，其发展速度在有的国家已超过热固性的增长率。其发展速度在有的国家已超过热固性的增长率。-高级复合材料的发展方向是降低成本，扩大应用范围。高级复合材料的发展方向是降低成本，扩大应用范围。用两种或两种以上的不同纤维作为增强材料，不但可降低用两种或两种以上的不同纤维作为增强材料，不但可降低成本，且其混合效应超过一般的混合规律。航空中的结构成本，且其混合效应超过一般的混合规律。航空中的结构件、工业用机器人、海洋开发用的结构材料、汽车片弹簧

64、件、工业用机器人、海洋开发用的结构材料、汽车片弹簧和驱动轴等，将越来越多采用和驱动轴等，将越来越多采用混合纤维增强复合材料混合纤维增强复合材料。93-由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量的进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量的减少可大大减轻运载火箭的重量。同样，飞机减少可大大减轻运载火箭的重量。同样，飞机重量的减轻也可以节省油耗，提高航速。有一重量的减轻也可以节省油耗，提高航速。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料种垂直起落战斗

65、机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的已占全机重量的1/41/4，占机翼重量的，占机翼重量的1/31/3。据报。据报道，美国航天飞机上道，美国航天飞机上3 3只火箭推进器的关键部件只火箭推进器的关键部件的喷嘴以及先进的的喷嘴以及先进的MXMX导弹发射管等，都是用先导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。进的碳纤维复合材料制成的。94复合材料在工业领域的主要应用复合材料在工业领域的主要应用（1 1）土土木木建建筑筑领领域域 主主要要是是桥桥梁梁和和抗抗震震补补强强材材料料，在日本和台湾省大地震后，需求量大增。在日本和台湾省大地震后，需求量大增。 另另外外，伴伴随随着着信信息息社社会会的

66、的发发达达，出出现现了了机机密密泄泄露露和和通通过过内内外外部部的的各各种种情情报报、通通信信设设备备而而相相互互干干扰扰等等社社会会问问题题，其其对对策策便便是是利利用用碳碳纤纤维维网网格格混混入混凝土中形成电磁波屏蔽墙入混凝土中形成电磁波屏蔽墙加以解决。加以解决。 此此外外，碳碳纤纤维维管管制制的的桁桁梁梁构构架架屋屋顶顶，比比钢钢制制品品轻轻1/21/2，使使大大型型结结构构物物达达到到了了实实用用化化的的水水平平，而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。95（2 2）汽车汽车 天然纤维复合材料天然纤维复合材料在汽车工业在汽车工业中主要用于车门内装

67、饰板、司机用杂物箱、货中主要用于车门内装饰板、司机用杂物箱、货车车厢地板、备胎盖、座位靠背。还可以用于车车厢地板、备胎盖、座位靠背。还可以用于仪表板、座椅扶手、仪表板杂件箱、后搁物架、仪表板、座椅扶手、仪表板杂件箱、后搁物架、车顶内村、遮阳板、座椅架行李仓装饰板、座车顶内村、遮阳板、座椅架行李仓装饰板、座椅头枕衬垫等。椅头枕衬垫等。 相关数据显示，北美地区相关数据显示，北美地区2000200520002005年间年间天然纤维复合材料汽车零部件的平均年增长率天然纤维复合材料汽车零部件的平均年增长率为为5050左右。左右。20052005年，汽车工业对天然纤维的年，汽车工业对天然纤维的年需求量超过

68、年需求量超过4.54.5万吨。万吨。96汽车零部件纤维种类聚合物纤维含量，%车门板/衬垫洋麻/大麻，50/50聚丙烯50木纤维聚丙烯50杂物箱/后搁物架洋麻聚丙烯50亚麻聚丙烯50木纤维酚醛树脂85座位靠板/货车车厢地板亚麻聚丙烯50备胎盖/车身后壁板亚麻聚丙烯50木纤维聚丙烯50其它内装饰板洋麻聚丙烯50亚麻聚丙烯5097（3 3）PAN(PAN(聚丙烯腈聚丙烯腈) )系活性碳纤维系活性碳纤维 由由东邦人造丝东邦人造丝首先产业化和上市，具有起首先产业化和上市，具有起吸附作用的微孔，吸脱附速度快，在低吸附作用的微孔，吸脱附速度快，在低浓度下的吸附性能优良，可用于清酒的浓度下的吸附性能优良，可用

69、于清酒的脱色、净化器滤材等。脱色、净化器滤材等。（4 4）海底油田上的油管等海底油田上的油管等 作为深海作为深海海底油田的输送管，具有轻、强、耐腐海底油田的输送管，具有轻、强、耐腐蚀等特性。此外，平台支架、钻井套管蚀等特性。此外，平台支架、钻井套管等也需等也需CFRPCFRP（碳纤维增强热固性树脂）（碳纤维增强热固性树脂）材料。材料。98世世界界碳碳纤纤维维的的主主要要生生产产商商为为日日本本的的东东丽丽、东东邦邦人人造造丝丝、三三菱菱人人造造丝丝三三大大集集团团和和美美国国的的卓卓尔尔泰泰克克（ZOLTEK）、阿阿克克苏苏（AKZO）、阿阿尔尔迪迪拉拉（ALDIL1）和和德德国国的的SGL公

70、公司司等等。其其中中日日本本三三大大集集团团占占世世界界生生产产能能力力的的75。世世界界CT型型碳碳纤纤维维总总生生产产能能力力为为22100吨吨/年年；LT型型碳碳纤纤维维总总生生产产能能力力为为9550吨吨/年年，实实际际生生产产量约为量约为7000吨吨/年。年。99（5 5）风力发电用翼片风力发电用翼片 欧洲的风力发欧洲的风力发电翼片都采用电翼片都采用CFRPCFRP材料，而随着其大型材料，而随着其大型化，考虑到化，考虑到20-40m20-40m长的翼片其强度和质长的翼片其强度和质量，已开始采用量，已开始采用CFRPCFRP。（6 6）其它其它 CFRP CFRP和和CFRPTCFRP

71、T（碳纤维增强热（碳纤维增强热塑性树脂）可用于印刷轴承、凸轮、壳塑性树脂）可用于印刷轴承、凸轮、壳体、体、VTR(VTR(影象录放器影象录放器) )、CDCD部件、齿轮、部件、齿轮、制动器、泵、照相机部件、眼镜架等，制动器、泵、照相机部件、眼镜架等，目前目前CFRPTCFRPT还用得很少。还用得很少。1001.11 复合材料飞机构件的特点复合材料飞机构件的特点 1.11.1 复合材料飞机构件复合材料飞机构件： 根据复合材料飞机构件的形式、增强剂、所用的原材料根据复合材料飞机构件的形式、增强剂、所用的原材料 可以分为三个方面：可以分为三个方面： 1. 1. 不同类型构件不同类型构件 (1)(1)

72、由由梁梁、肋肋、长长桁桁、框框、壁壁板板组组成成的的或或一一次次固固化化成成形形的的机机体体构构件件，目目前前应应用用最最广广泛泛。零零件件可可以以分分散散制制造造，成成形形工工艺艺简简单单，质质量量良好。良好。 (2) (2)用于承受轴向拉、压载荷及扭矩的管状构件用于承受轴向拉、压载荷及扭矩的管状构件，如飞机操纵杆。，如飞机操纵杆。 (3)(3)操操纵纵面面上上普普遍遍使使用用的的夹夹层层结结构构，如如方方向向舵舵面面，副副翼翼翼翼面面等等。夹夹层层结结构构的的芯芯子子可可以以由由不不同同材材料料组组成成，如如硬硬质质泡泡沫沫塑塑料料、蜂蜂窝窝芯芯子子等等。夹夹层层结结构构的的特特点点在在于

73、于比比刚刚度度和和比比强强度度高高，能能承承受受均均布布的的气气动力，所以在飞机上的活动操纵面上使用很合适动力，所以在飞机上的活动操纵面上使用很合适。1012. 2. 不同种类增强剂制造的构件不同种类增强剂制造的构件 复复合合材材料料飞飞机机结结构构件件的的增增强强剂剂主主要要限限于于硼硼、碳碳及及KevlarKevlar的的连连续续纤纤维维。硼硼纤纤维维有有优优秀秀的的机机械械性性能能，但但价价格格昂昂贵贵，纤纤维维直直径径较较粗粗，零零件件成成形形时时限限制制比比碳碳纤纤维维多多，至至今今使使用用不不广广。在在美美国国的的F-111F-111、F-14F-14及及法法国国的的幻幻影影200

74、02000等等飞飞机机上上，碳碳纤纤维维的的使使用用量量占占首首位位。碳碳纤纤维维品品种种规规格格齐齐全全，可可根根据据设设计计要要求求选选用用，价价格格也也比比硼硼纤纤维维便便宜宜。KevlarKevlar纤纤维维具具有有很很高高的的抗抗拉拉强强度度，密密度度小小，韧韧性性好好，但但抗抗压压模模量量低低，在在主主受受力力构构件件中中应应用用受受到到限限制制。但但与与其其它它纤维混用，可以改善层压板性能。纤维混用，可以改善层压板性能。102在复合材料构件中使用的主要增强剂有：在复合材料构件中使用的主要增强剂有：(1) (1) 单一增强剂单一增强剂(2) (2) 混杂型增强剂混杂型增强剂混杂型增

75、强剂在层压板中存在的形式有：混杂型增强剂在层压板中存在的形式有：层层间间混混杂杂 不不同同纤纤维维层层在在层层间间按按一一定定规规律律相相互互交交替替存在。存在。层层内内混混杂杂 在在同同一一层层内内，存存在在不不同同的的纤纤维维，如如KevlarKevlar纤维与碳纤维的编织物。纤维与碳纤维的编织物。纤维间混杂纤维间混杂 一束纤维中有两种以上不同的纤维。一束纤维中有两种以上不同的纤维。(3) (3) 单向纤维与编织物单向纤维与编织物复合材料的原材料以预浸料形式提供使用。复合材料的原材料以预浸料形式提供使用。1033. 3. 金属与复合材料混合的构件金属与复合材料混合的构件(1) (1) 全复

76、合材料构件全复合材料构件 如如强强- -五五飞飞机机的的垂垂直直安安定定面面。这这种种结结构构当当受受热热时时不不会会因因材材料料不不同同引引起起不不同同膨膨胀胀而而产产生生内内应应力力，也不会发生金属材料的腐蚀问题。也不会发生金属材料的腐蚀问题。(2) (2) 金金属属材材料料与与碳碳纤纤维维/ /环环氧氧树树脂脂复复合合材材料料混混用用于同一结构中于同一结构中 它它们们之之间间可可以以采采用用机机械械连连接接或或胶胶接接连连接接，也也可可以以在在复复合合材材料料构构件件固固化化过过程程中中把把金金属属件件嵌嵌入入层层压板中，但可能产生内应力和腐蚀。压板中，但可能产生内应力和腐蚀。1041.

77、11.2飞机复合材料构件的结构工艺性：飞机复合材料构件的结构工艺性： 在先进复合材料零件的制造中，普遍应用在先进复合材料零件的制造中，普遍应用缠绕法缠绕法制造筒体或杆状件制造筒体或杆状件和以和以预浸料铺叠成坯件预浸料铺叠成坯件，然后，然后固化成各种零部件。等截面的型材可用拉挤法成形。固化成各种零部件。等截面的型材可用拉挤法成形。目前预浸料法是飞机构件主要的制造方法。目前预浸料法是飞机构件主要的制造方法。105 复复合合材材料料构构件件的的结结构构工工艺艺性性是是以以飞飞机机构构件件制制造造难难易易程程度度为为依依据据的的。一一个个具具有有良良好好工工艺艺性性的的复复合合材材料料构构件件的的结结

78、构构设设计计，应应该该使使构构件件容容易易制制造造，不不需需太太复复杂杂的的技技术术和和大大量量的的模模具具；容容易易控控制制质质量量，构构件件内内部部不不要要产产生生分分层层、孔孔隙隙、树树脂脂分分布布不不均均等等缺缺陷陷，容容易易保保证证尺尺寸寸外外形形精精确确度度，制制品品具具有有良良好好的的互互换换协协调调性性；易易于于实实现现制制造造过过程程机机械械化化和和自自动动化化；生生产产准准备备简简单单，不不需需大大规规模技术改造，生产周期短，效率高。模技术改造，生产周期短，效率高。 1061. 1. 结构工艺分离面划分结构工艺分离面划分 复复合合材材料料的的飞飞机机构构件件要要合合理理地地

79、划划分分工工艺艺分分离离面面。工工艺艺分分离离面面决决定定了了施施工工工工作作面面、施施工工通通路路开开敞敞性性、工工艺艺装装备备数数量量、协协调调方方法法及及整整个个工工艺艺路路线线，对对质质量量、效效率率和和成成本本都有很大影响。都有很大影响。影响飞机复合材料构件结构工艺性的因素影响飞机复合材料构件结构工艺性的因素* *工艺分离面是由于生产上的需要，为了合理地满足工艺过工艺分离面是由于生产上的需要，为了合理地满足工艺过程的要求，按部件进行工艺分解而划分出来的分离面。工艺分程的要求，按部件进行工艺分解而划分出来的分离面。工艺分离面之间一般都采用不可卸连接，如铆接、胶接、焊接等，装离面之间一般

80、都采用不可卸连接，如铆接、胶接、焊接等，装配成部件后，这些分离面就消失了。配成部件后，这些分离面就消失了。107划分工艺分离面的依据划分工艺分离面的依据充充分分利利用用设设计计及及使使用用分分离离面面为为工工艺艺分分离离面面。如如独独立立的的平平尾尾、垂垂直直安安定定面面、各各种种操操纵纵面面。平平尾尾、垂垂直直安安定定面面等等可可再再细细分分为为前前缘缘、后后缘缘、主主承承力力盒盒、翼翼尖尖等等工工艺艺单单元元，这这样样既既便便利利于于设设计计，也也为为制制造造及及以以后后飞飞机机使使用用和和维护提供方便。维护提供方便。应应考考虑虑构构件件的的大大小小、结结构构、形形状状的的复复杂杂程程度度

81、，目目前前具具有有制制造造技技术术水水平平、设设备备能能力力等等因素。因素。108有有足足够够的的刚刚度度，分分解解后后构构件件的的变变形形都都必必须须控制在允许范围内。控制在允许范围内。更更细细的的工工艺艺单单元元具具有有极极开开敞敞的的施施工工通通路路和和更更多多的的施施工工工工作作面面，但但需需要要更更多多的的工工艺艺装装备备，增增加加了了互互换换协协调调环环节节，这这对对单单件件或或小小批批量量生生产是不合理的。产是不合理的。1092. 2. 构件的外形构件的外形 构构件件形形状状对对工工艺艺方方法法、产产品品质质量量、制制造造成成本本都都有有很很大大影影响响。如如细细长长的的筒筒杆杆

82、件件可可用用缠缠绕绕法法制制造造，大大而而薄薄的的壁壁板板件件宜宜用用预预浸浸料料- -真真空空热热压压罐罐法法制造，数量多的小板件可用热压机模压成形。制造，数量多的小板件可用热压机模压成形。采采用用对对称称的的构构件件，可可以以减减少少模模具具数数量量，协协调调方方法简单，构件变形小。法简单，构件变形小。110具具有有直直母母线线外外形形的的构构件件，工工艺艺装装备备制制造造容容易易。单单曲曲面面外外形形构构件件容容易易获获得得高高质质量量的的叠叠层层块块坯坯件件，尤尤其其是是用用宽宽幅幅单单向向预预浸浸料料更更能能保保证证质量，节约工时。质量，节约工时。平平整整而而光光滑滑过过渡渡的的外外

83、形形，使使树树脂脂流流动动更更均均匀匀，不不易易产产生生富富胶胶、贫贫胶胶和和纤纤维维皱皱曲曲，局局部部不易压实而成疏松的缺陷。不易压实而成疏松的缺陷。1113. 3. 构件成形的几何参数构件成形的几何参数为为了了提提高高结结构构整整体体性性，减减少少零零件件数数量量，减减少少装装配配工工作作量量，应应尽尽量量采采用用共共固固化化方方法法制制造造构构件件。因因此此，对对构构件件内内部部的的纵纵横横向向件件的的布布置置与与组组合合要要有有合合适适的的选选择择，以以使使构构件件在铺叠、固化成形后易于脱模。在铺叠、固化成形后易于脱模。112在在复复合合材材料料构构件件上上应应尽尽量量少少制制孔孔。对

84、对于于那那些些施施工工、检检查查、维维修修所所需需的的大大孔孔，要要制制成成圆圆孔孔。如如果果需需要要制制成成方方形形孔孔，四四角角应应呈呈圆弧形，避免因尖角引起应力集中。圆弧形，避免因尖角引起应力集中。层层合合板板铺铺层层组组织织应应该该是是平平衡衡结结构构，镜镜像像（mirrormirror）对对称称铺铺贴贴固固化化时时可可以以减减少少变变形形。如如需需与与金金属属构构件件共共固固化化时时，金金属属件件的的布布置置应应该该处处于于对对称称位位置置，并并尽尽量量选选用用膨膨胀胀系系数数与复合材料相近的材料。与复合材料相近的材料。113如如果果可可能能，应应使使弯弯边边零零件件的的弯弯边边大大

85、于于9090。这这样样不不仅仅容容易易成成形形，简简化化模模具具，而而且且固固化化后后零零件件易易从从模模具具中中取取出出。弯弯边边的的圆圆角角半半径径R R取取决决于于纤纤维维的的柔柔软软度度。大大的的圆圆角角半半径径有有利利于于成形。成形。构构件件厚厚度度根根据据设设计计所所要要求求的的强强度度和和刚刚度度确确定定。复复合合材材料料构构件件固固化化时时希希望望各各处处厚厚度度差差异异不要太大。不要太大。114对对于于构构件件的的装装配配，采采用用共共固固化化方方法法时时，由由于于整整体体成成形形可可以以不不要要补补偿偿。由由零零件件组组装装时时，就就要要补补偿偿。成成形形后后的的复复合合材

86、材料料零零件件的的配配合合面面不不允允许许修修挫挫，而而零零件件制制造造必必然然有有误误差差。公公差差应应该该采采取取小小的的负负差差，在在装装配配时时用用快快速速固固化化的的液液体体塑塑料料垫垫片充填补偿。片充填补偿。结结构构的的开开敞敞性性对对零零件件成成形形和和部部件件装装配配都都很很重重要要。在在零零件件成成形形过过程程中中，便便于于从从模模具具中中取取出出零零件件、模模块块、辅辅助助模模等等。良良好好的的开开敞敞性性为为装装配配提提供供零零件件安安装装、定定位位及及连连接接的的通通路路，也也为为部部件件在在以后使用中的检修、维护提供了通道。以后使用中的检修、维护提供了通道。1154.4.预浸料形式的选取预浸料形式的选取预预浸浸料料以以单单向向无无纬纬布布（或或带带）和和编编织织物物形形式式提提供供使使用用。编编织织物物预预浸浸料料不不仅仅施施工工方方便便，生生产产效效率率高高，而而且且可可以以制制造造某某些些用用单单向向无无纬纬布布（或或带带）不不能能铺铺叠叠的的构构件件。例例如如为为了了制制造造正正弦弦波波腹腹板板梁梁，需需要要采采用用编编织织预预浸浸料料铺铺层层。综综合合构构件件强强度度的的考考虑虑，编编织织物物预预浸浸料料的的用用量量日日益益增增多多，这这也也是是我我国预浸料发展的必然趋势。国预浸料发展的必然趋势。116