聚合基復(fù)合材料緒論

1、1 材料材料 密度密度 （g/cm) 拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度 （GPa） 彈性模量彈性模量 （102GPa） 比強(qiáng)度比強(qiáng)度 （106cm） 比模量比模量 （106cm） 鋼鋼 鋁合金鋁合金 鈦合金鈦合金 玻璃纖維復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料 碳纖維碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料環(huán)氧復(fù)合材料 碳纖維碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料環(huán)氧復(fù)合材料 有機(jī)纖維有機(jī)纖維/環(huán)氧復(fù)合材料環(huán)氧復(fù)合材料 硼纖維硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料環(huán)氧復(fù)合材料 硼纖維硼纖維/鋁基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料 7.8 2.8 4.5 2.0 1.45 1.6 1.4 2.1 2.65 1.03 0.47 0.96 1.06 1.50 1.07 1.40 1.38 1.0

2、2.1 0.75 1.14 0.4 1.4 2.4 0.8 2.1 2.0 1.3 1.7 2.1 5.3 10.3 6.7 1.0 6.6 3.8 2.7 2.6 2.5 2.0 9.7 15 5.7 10 7.5 表表1-1 一些常用材料及纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量一些常用材料及纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量 2 o 由表由表1-1可見(jiàn)：復(fù)合材料的高比強(qiáng)度和高可見(jiàn)：復(fù)合材料的高比強(qiáng)度和高 比模量來(lái)源于增強(qiáng)纖維的高性能和低密度。比模量來(lái)源于增強(qiáng)纖維的高性能和低密度。 碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料表現(xiàn)了較高的比碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料表現(xiàn)了較高的比 模量和比強(qiáng)度。模量和比強(qiáng)度。 作用：作用：在強(qiáng)度和剛度相

3、同的情況下，結(jié)在強(qiáng)度和剛度相同的情況下，結(jié) 構(gòu)質(zhì)量可以減輕，或尺寸減小。這在節(jié)構(gòu)質(zhì)量可以減輕，或尺寸減小。這在節(jié) 省能源，提高構(gòu)件的使用性能方面，是省能源，提高構(gòu)件的使用性能方面，是 現(xiàn)有其他材料所不能比擬的?，F(xiàn)有其他材料所不能比擬的。 1.5.1 比強(qiáng)度、比模量（剛度）高比強(qiáng)度、比模量（剛度）高 3 碳纖維復(fù)合材料與鋼、鋁材料性能比較碳纖維復(fù)合材料與鋼、鋁材料性能比較 1.5.1 比強(qiáng)度、比模量（剛度）高比強(qiáng)度、比模量（剛度）高 4 5 1.5.2 耐疲勞性能好，破損安全性能高耐疲勞性能好，破損安全性能高 o疲勞：疲勞： 工程構(gòu)件在服役過(guò)程中，由于承受工程構(gòu)件在服役過(guò)程中，由于承受變動(dòng)載荷變

4、動(dòng)載荷或反復(fù)承受應(yīng)或反復(fù)承受應(yīng) 力和應(yīng)變，即使應(yīng)力力和應(yīng)變，即使應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)，也會(huì)導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò) 展，以至構(gòu)件材料斷裂而失效，或使其力學(xué)性質(zhì)變壞。展，以至構(gòu)件材料斷裂而失效，或使其力學(xué)性質(zhì)變壞。 o疲勞破壞過(guò)程的三個(gè)組成部分疲勞破壞過(guò)程的三個(gè)組成部分 裂紋萌生裂紋萌生成核成核 裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展 最終斷裂最終斷裂 成核的條件成核的條件 缺陷、缺陷、 局部應(yīng)力集中局部應(yīng)力集中 其它雜質(zhì)等。其它雜質(zhì)等。 6 疲勞破壞的種類不同：疲勞破壞的種類不同： 金屬金屬 突發(fā)性破壞突發(fā)性破壞 疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的30%50% 碳纖維碳纖維/

5、聚酯復(fù)合材料聚酯復(fù)合材料 有預(yù)兆破壞有預(yù)兆破壞 疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的70%80% 原因：原因： 復(fù)合材料的破壞經(jīng)歷基體開(kāi)裂、界面脫粘、纖維拔出，斷裂等復(fù)合材料的破壞經(jīng)歷基體開(kāi)裂、界面脫粘、纖維拔出，斷裂等 一系列損傷的發(fā)展過(guò)程。一系列損傷的發(fā)展過(guò)程。 基體中有大量獨(dú)立的纖維，當(dāng)少數(shù)纖維發(fā)生斷裂時(shí)，其失去部基體中有大量獨(dú)立的纖維，當(dāng)少數(shù)纖維發(fā)生斷裂時(shí)，其失去部 分載荷又會(huì)通過(guò)基體傳遞而迅速分散到其他完好的纖維上去，復(fù)合分載荷又會(huì)通過(guò)基體傳遞而迅速分散到其他完好的纖維上去，復(fù)合 材料在短期內(nèi)不會(huì)因此而喪失承載能力。材料在短期內(nèi)不會(huì)因此而喪失承載能力。 故復(fù)合材料疲勞

6、破壞前故復(fù)合材料疲勞破壞前有預(yù)兆，疲勞極限比較高有預(yù)兆，疲勞極限比較高。 1.5.2 1.5.2 耐疲勞性能好，破損安全性能高耐疲勞性能好，破損安全性能高 7 共振的危害共振的危害 1.5.3阻尼減振性好阻尼減振性好 8 阻尼減振性好的原因：阻尼減振性好的原因： 復(fù)合材料的復(fù)合材料的比模量高，比模量高，所以它的所以它的自振頻率很高，自振頻率很高，不不 容易發(fā)生共振而快速脆斷；容易發(fā)生共振而快速脆斷； 受力結(jié)構(gòu)的自振頻率有關(guān)因素：受力結(jié)構(gòu)的自振頻率有關(guān)因素： 結(jié)構(gòu)形狀結(jié)構(gòu)形狀 比模量的平方根比模量的平方根 復(fù)合材料中的復(fù)合材料中的基體界面基體界面具有吸震能力，使材料的振動(dòng)具有吸震能力，使材料的振

7、動(dòng) 阻尼很高，一旦振起來(lái)，在較短的時(shí)間內(nèi)也可以停下來(lái)。阻尼很高，一旦振起來(lái)，在較短的時(shí)間內(nèi)也可以停下來(lái)。 1.5.3阻尼減振性好阻尼減振性好 9 （1）瞬時(shí)耐高溫性、耐燒）瞬時(shí)耐高溫性、耐燒蝕性好蝕性好； 例如：玻璃纖維增強(qiáng)塑料例如：玻璃纖維增強(qiáng)塑料(glass-fiber reinforced plastics，GFRP)1942年問(wèn)世，是年問(wèn)世，是應(yīng)用最廣的復(fù)合應(yīng)用最廣的復(fù)合 材料，材料，強(qiáng)度可與鋼媲美，俗稱玻璃鋼。是復(fù)合材料的鼻祖。強(qiáng)度可與鋼媲美，俗稱玻璃鋼。是復(fù)合材料的鼻祖。 具有優(yōu)異的耐燒蝕性、輕量性和強(qiáng)度特性等，玻璃鋼的具有優(yōu)異的耐燒蝕性、輕量性和強(qiáng)度特性等，玻璃鋼的 用途很廣，涉

8、及國(guó)防、航空、宇航、機(jī)械、交通運(yùn)輸和人民用途很廣，涉及國(guó)防、航空、宇航、機(jī)械、交通運(yùn)輸和人民 生活的許多方面。由于它的導(dǎo)熱系數(shù)只有金屬材料的生活的許多方面。由于它的導(dǎo)熱系數(shù)只有金屬材料的1%， 同時(shí)可制成具有高比熱容，熔融熱和汽化熱的材料，被用來(lái)同時(shí)可制成具有高比熱容，熔融熱和汽化熱的材料，被用來(lái) 制造人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈和火箭的外殼（耐燒蝕層）。制造人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈和火箭的外殼（耐燒蝕層）。 1.5.4 1.5.4 具有多種功能性具有多種功能性 10 11 12 當(dāng)飛行器在稠密大氣中作超音速飛行時(shí)，受激波與機(jī)體間高溫壓縮當(dāng)飛行器在稠密大氣中作超音速飛行時(shí)，受激波與機(jī)體間高溫壓縮 氣體的加熱和機(jī)體表面

9、與空氣強(qiáng)烈摩擦的影響，飛行器蒙皮的溫度會(huì)氣體的加熱和機(jī)體表面與空氣強(qiáng)烈摩擦的影響，飛行器蒙皮的溫度會(huì) 隨隨M數(shù)的提高而急劇上升。飛行數(shù)的提高而急劇上升。飛行 M數(shù)為數(shù)為 2.0時(shí)，機(jī)頭處的溫度略超過(guò)時(shí)，機(jī)頭處的溫度略超過(guò) 100。而當(dāng)。而當(dāng) M數(shù)等于數(shù)等于3.0時(shí)，飛行器表面的溫度則升至?xí)r，飛行器表面的溫度則升至350左右，已左右，已 超過(guò)了鋁合金的極限溫度，使其強(qiáng)度大大削弱。超過(guò)了鋁合金的極限溫度，使其強(qiáng)度大大削弱。 航空界把飛行器作高速飛行時(shí)所遭遇到的這種高溫情況稱之為航空界把飛行器作高速飛行時(shí)所遭遇到的這種高溫情況稱之為 “熱障熱障”。一般把。一般把M數(shù)數(shù) 2.5作為作為“熱障熱障”的界

10、線，低于這一值，氣動(dòng)加的界線，低于這一值，氣動(dòng)加 熱不嚴(yán)重，可用常規(guī)的方法和材料設(shè)計(jì)、制造飛機(jī)；高于該值，則必?zé)岵粐?yán)重，可用常規(guī)的方法和材料設(shè)計(jì)、制造飛機(jī)；高于該值，則必 須采取克服氣動(dòng)加熱問(wèn)題的措施，如用耐高溫的鋼或鈦合金制造飛機(jī)須采取克服氣動(dòng)加熱問(wèn)題的措施，如用耐高溫的鋼或鈦合金制造飛機(jī) 的蒙皮和框架等。的蒙皮和框架等。 宇宙飛船和返回式衛(wèi)星在重返大氣層時(shí)，宇宙飛船和返回式衛(wèi)星在重返大氣層時(shí)，M數(shù)更高，它們的外表數(shù)更高，它們的外表 溫度可達(dá)溫度可達(dá) 1000多度。多度。 為保證其不致被燒毀，飛船和返回式衛(wèi)星的頭為保證其不致被燒毀，飛船和返回式衛(wèi)星的頭 部得用燒蝕材料包上一層，讓它在高溫時(shí)燒

11、掉，以吸收氣動(dòng)加熱時(shí)產(chǎn)部得用燒蝕材料包上一層，讓它在高溫時(shí)燒掉，以吸收氣動(dòng)加熱時(shí)產(chǎn) 生的熱能。生的熱能。 13 ，馬赫數(shù)的命名是為了紀(jì)念?yuàn)W地利學(xué)者馬，馬赫數(shù)的命名是為了紀(jì)念?yuàn)W地利學(xué)者馬 赫赫(Ernst Mach, 1838-1916) 馬赫就是聲速，馬赫就是聲速，1馬赫馬赫=340M/s. 1馬赫馬赫=每小時(shí)每小時(shí)1126公里公里,大概是一倍音速大概是一倍音速 . 馬赫數(shù)，氣流速度馬赫數(shù)，氣流速度V與當(dāng)?shù)芈暎ㄒ簦┧倥c當(dāng)?shù)芈暎ㄒ簦┧賏之比，簡(jiǎn)稱之比，簡(jiǎn)稱 Ma數(shù)。飛機(jī)的飛行速度常以馬赫數(shù)表示，當(dāng)其飛行速度數(shù)。飛機(jī)的飛行速度常以馬赫數(shù)表示，當(dāng)其飛行速度 小于當(dāng)?shù)匾羲贂r(shí)，則馬赫數(shù)小于小于當(dāng)?shù)匾羲贂r(shí)

12、，則馬赫數(shù)小于1，反之，飛行速度大于，反之，飛行速度大于 當(dāng)?shù)匾羲贂r(shí)，馬赫數(shù)則大于當(dāng)?shù)匾羲贂r(shí)，馬赫數(shù)則大于1。一般把馬赫數(shù)小于或等于。一般把馬赫數(shù)小于或等于 0.4的飛行稱為低速飛行，馬赫數(shù)在的飛行稱為低速飛行，馬赫數(shù)在0.75至至1.2（或（或1.4）之）之 間稱為亞音速飛行，馬赫數(shù)在間稱為亞音速飛行，馬赫數(shù)在1.2（或（或1.4）至）至5之間稱為之間稱為 超音速飛行，馬赫數(shù)大于超音速飛行，馬赫數(shù)大于5時(shí)則稱為高超音速飛行。時(shí)則稱為高超音速飛行。 14 在晴朗的夜晚，仰望燦爛星空，有時(shí)會(huì)看到耀眼的隕星，倏忽即逝。在晴朗的夜晚，仰望燦爛星空，有時(shí)會(huì)看到耀眼的隕星，倏忽即逝。 它為什么會(huì)發(fā)光呢？

13、它為什么會(huì)發(fā)光呢？ 原來(lái)，這是高速飛行的隕星進(jìn)入大氣層與空氣劇原來(lái)，這是高速飛行的隕星進(jìn)入大氣層與空氣劇 烈摩擦，猛烈燃燒而發(fā)出的光亮。當(dāng)宇宙航天器完成任務(wù)返回地球時(shí)，烈摩擦，猛烈燃燒而發(fā)出的光亮。當(dāng)宇宙航天器完成任務(wù)返回地球時(shí)， 面臨著與隕星同樣的殘酷生存環(huán)境。研究表明，面臨著與隕星同樣的殘酷生存環(huán)境。研究表明， 當(dāng)宇宙飛行器的飛行當(dāng)宇宙飛行器的飛行 速度達(dá)到速度達(dá)到3倍聲速時(shí)，其前端溫度可達(dá)倍聲速時(shí)，其前端溫度可達(dá)330；當(dāng)飛行速度為；當(dāng)飛行速度為6倍聲倍聲 速時(shí)，速時(shí)， 可達(dá)可達(dá)1480 。 宇宙飛行器遨游太空歸來(lái)，到達(dá)離地面宇宙飛行器遨游太空歸來(lái)，到達(dá)離地面60-70千米時(shí)，速度仍然保

14、千米時(shí)，速度仍然保 持在聲速的持在聲速的20多倍，溫多倍，溫 度在度在10000以上，這樣的高溫足以把航天器化以上，這樣的高溫足以把航天器化 作一團(tuán)烈火。高速導(dǎo)致高溫這似乎是一道不可逾越的障礙，人們把這作一團(tuán)烈火。高速導(dǎo)致高溫這似乎是一道不可逾越的障礙，人們把這 種障礙稱為熱障。顯然熱障并沒(méi)有阻擋住人類種障礙稱為熱障。顯然熱障并沒(méi)有阻擋住人類挺進(jìn)宇挺進(jìn)宇 宙的步伐，宙的步伐， 那么科那么科 學(xué)家們是如何服熱障，使航天器安全回家的呢？學(xué)家們是如何服熱障，使航天器安全回家的呢？ 15 隕石穿越太空到達(dá)地球的神奇經(jīng)歷給了科學(xué)家們以特殊的啟迪。分隕石穿越太空到達(dá)地球的神奇經(jīng)歷給了科學(xué)家們以特殊的啟迪。

15、分 析隕石的成分和結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)析隕石的成分和結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn) ，隕石表面雖然已經(jīng)熔融，但內(nèi)部的化學(xué)成，隕石表面雖然已經(jīng)熔融，但內(nèi)部的化學(xué)成 分沒(méi)有發(fā)生變化。這說(shuō)明隕石在下落過(guò)程中，分沒(méi)有發(fā)生變化。這說(shuō)明隕石在下落過(guò)程中， 表面因摩擦生熱達(dá)到幾表面因摩擦生熱達(dá)到幾 千度高溫而熔融，但由于穿過(guò)大氣層的時(shí)間很短，熱量來(lái)不及傳到隕石千度高溫而熔融，但由于穿過(guò)大氣層的時(shí)間很短，熱量來(lái)不及傳到隕石 內(nèi)部。給宇宙飛行器的頭部戴一頂用燒蝕材料制成內(nèi)部。給宇宙飛行器的頭部戴一頂用燒蝕材料制成“盔甲盔甲”，把摩擦產(chǎn)，把摩擦產(chǎn) 生的熱量消耗在燒蝕材料的熔融、氣化等一系列物理和化學(xué)變化中，生的熱量消耗在燒蝕材料的熔融、氣化等一系

16、列物理和化學(xué)變化中， “丟卒保車丟卒保車”就能達(dá)到保護(hù)宇宙飛行器的目的。就能達(dá)到保護(hù)宇宙飛行器的目的。 一位宇航員描述了宇宙飛船闖過(guò)熱障的壯觀景象：飛船進(jìn)入大氣層，一位宇航員描述了宇宙飛船闖過(guò)熱障的壯觀景象：飛船進(jìn)入大氣層， 首先從舷窗中首先從舷窗中 看到煙霧，然后出現(xiàn)五彩繽紛的火焰，同時(shí)發(fā)出噼噼啪看到煙霧，然后出現(xiàn)五彩繽紛的火焰，同時(shí)發(fā)出噼噼啪 啪的聲音。這是飛船頭部的燒蝕材料在燃燒啪的聲音。這是飛船頭部的燒蝕材料在燃燒 ，它們犧牲了自己，把飛，它們犧牲了自己，把飛 船內(nèi)的溫度始終維持在常溫范圍，保護(hù)飛船平安返回地面。船內(nèi)的溫度始終維持在常溫范圍，保護(hù)飛船平安返回地面。 作為燒蝕材料，要求氣

17、化熱大，熱容量大，絕熱性好，向外界輻射作為燒蝕材料，要求氣化熱大，熱容量大，絕熱性好，向外界輻射 熱量的本領(lǐng)強(qiáng)。熱量的本領(lǐng)強(qiáng)。 16 玻璃鋼不反射無(wú)線電波，微波透過(guò)性好，玻璃鋼不反射無(wú)線電波，微波透過(guò)性好， 是制造雷達(dá)罩的理想材料。由于它顯示了其是制造雷達(dá)罩的理想材料。由于它顯示了其 它工業(yè)材料無(wú)以倫比的許多優(yōu)異特性，而在它工業(yè)材料無(wú)以倫比的許多優(yōu)異特性，而在 材料科學(xué)界引起了強(qiáng)烈反響，它啟迪人們?nèi)ゲ牧峡茖W(xué)界引起了強(qiáng)烈反響，它啟迪人們?nèi)?尋求新的增強(qiáng)纖維，以開(kāi)發(fā)性能更加優(yōu)越的尋求新的增強(qiáng)纖維，以開(kāi)發(fā)性能更加優(yōu)越的 新型復(fù)合材料。新型復(fù)合材料。 （2 2）優(yōu)異的電絕緣性能和高頻介電性能；）優(yōu)異的

18、電絕緣性能和高頻介電性能； 17 雷達(dá)是利用無(wú)線電波來(lái)測(cè)定物體位置的無(wú)線電設(shè)備。雷達(dá)是利用無(wú)線電波來(lái)測(cè)定物體位置的無(wú)線電設(shè)備。 電磁波遇到障礙物要發(fā)生反射，雷達(dá)就是利用電磁波的反電磁波遇到障礙物要發(fā)生反射，雷達(dá)就是利用電磁波的反 射來(lái)工作的射來(lái)工作的. .波長(zhǎng)越短的電磁波，傳播的直線性越好，反射波長(zhǎng)越短的電磁波，傳播的直線性越好，反射 性能越強(qiáng)，因此雷達(dá)用的是微波波段的無(wú)線電波性能越強(qiáng)，因此雷達(dá)用的是微波波段的無(wú)線電波. . 雷達(dá)有一個(gè)特制的可以轉(zhuǎn)動(dòng)的天線，它能向一定的方向雷達(dá)有一個(gè)特制的可以轉(zhuǎn)動(dòng)的天線，它能向一定的方向 發(fā)射不連續(xù)的無(wú)線電波發(fā)射不連續(xù)的無(wú)線電波. .每次發(fā)射的時(shí)間約為百萬(wàn)分之

19、一秒，每次發(fā)射的時(shí)間約為百萬(wàn)分之一秒， 兩次發(fā)射的時(shí)間間隔大約是發(fā)射時(shí)間的一百倍兩次發(fā)射的時(shí)間間隔大約是發(fā)射時(shí)間的一百倍. .發(fā)射出去的發(fā)射出去的 無(wú)線電波遇到障礙物時(shí)，可以在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)反射回來(lái)無(wú)線電波遇到障礙物時(shí)，可以在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)反射回來(lái) 為天線接收為天線接收. . 18 （3）良好的摩擦性能；優(yōu)良的耐腐蝕性；有特殊的光學(xué)、電學(xué)、良好的摩擦性能；優(yōu)良的耐腐蝕性；有特殊的光學(xué)、電學(xué)、 磁學(xué)。磁學(xué)。 例如：碳纖維增強(qiáng)塑料例如：碳纖維增強(qiáng)塑料(carbon-fiber reinforced plastics， CFRP) 是是最有代表性、性能最優(yōu)越的塑料最有代表性、性能最優(yōu)越的塑料(即樹(shù)脂

20、即樹(shù)脂)基基 復(fù)合材料復(fù)合材料 優(yōu)點(diǎn)碳纖維的強(qiáng)度比鋼大四倍，重量只有鋼的優(yōu)點(diǎn)碳纖維的強(qiáng)度比鋼大四倍，重量只有鋼的14，比鋁還，比鋁還 輕。碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用在航空工業(yè)中。與玻璃鋼相比，輕。碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用在航空工業(yè)中。與玻璃鋼相比， 強(qiáng)度高強(qiáng)度高0.51倍，彈性模量高倍，彈性模量高24倍，同時(shí)還具有多種功倍，同時(shí)還具有多種功 能。包括：很高的耐腐蝕性；優(yōu)良的熱特性能。包括：很高的耐腐蝕性；優(yōu)良的熱特性(絕熱性，隔絕熱性，隔 熱性和尺寸穩(wěn)定性等熱性和尺寸穩(wěn)定性等)；一定的電性能；一定的電性能(通電發(fā)熱，防靜電通電發(fā)熱，防靜電 干擾，導(dǎo)電性等干擾，導(dǎo)電性等)；滑動(dòng)特性；滑動(dòng)特性(耐磨性，

21、潤(rùn)滑性耐磨性，潤(rùn)滑性)；減振；減振 性能性能(減振防噪等減振防噪等)；放射線特性；放射線特性(X射線透過(guò)性射線透過(guò)性)等。它的等。它的 優(yōu)異性能是其它纖維增強(qiáng)塑料無(wú)法比擬的。優(yōu)異性能是其它纖維增強(qiáng)塑料無(wú)法比擬的。 19 原生態(tài)撐桿開(kāi)創(chuàng)歷史原生態(tài)撐桿開(kāi)創(chuàng)歷史 17891789年，德國(guó)人普茨跳過(guò)了年，德國(guó)人普茨跳過(guò)了1.831.83米，這或許是歷史上第一個(gè)有案可查的撐桿跳米，這或許是歷史上第一個(gè)有案可查的撐桿跳 紀(jì)錄。然而兩百多年后，只一個(gè)年紀(jì)輕輕的姑娘便可以輕而易舉地越過(guò)紀(jì)錄。然而兩百多年后，只一個(gè)年紀(jì)輕輕的姑娘便可以輕而易舉地越過(guò)5 5米的高度。米的高度。 長(zhǎng)久以來(lái)，人們不斷地嘗試讓自己的身體

22、更接近天空，同時(shí)我們所借助的撐桿也長(zhǎng)久以來(lái)，人們不斷地嘗試讓自己的身體更接近天空，同時(shí)我們所借助的撐桿也 經(jīng)歷了一段漫長(zhǎng)的演變。經(jīng)歷了一段漫長(zhǎng)的演變。 18961896年第一屆奧運(yùn)會(huì)，美國(guó)運(yùn)動(dòng)員威廉年第一屆奧運(yùn)會(huì)，美國(guó)運(yùn)動(dòng)員威廉霍亞特靠著笨重、堅(jiān)硬的山胡桃木創(chuàng)霍亞特靠著笨重、堅(jiān)硬的山胡桃木創(chuàng) 造了造了3.33.3米的世界紀(jì)錄。米的世界紀(jì)錄。1212年后的倫敦奧運(yùn)會(huì)是撐桿跳高歷史上的一個(gè)里程碑，美年后的倫敦奧運(yùn)會(huì)是撐桿跳高歷史上的一個(gè)里程碑，美 國(guó)耶魯大學(xué)學(xué)生吉爾伯特第一次使用竹竿跳過(guò)國(guó)耶魯大學(xué)學(xué)生吉爾伯特第一次使用竹竿跳過(guò)3.713.71米獲得冠軍。中國(guó)第一位進(jìn)入米獲得冠軍。中國(guó)第一位進(jìn)入 奧

23、運(yùn)會(huì)決賽的選手符保盧在奧運(yùn)會(huì)決賽的選手符保盧在19361936年柏林奧運(yùn)會(huì)撐桿跳比賽中使用的就是竹竿。竹年柏林奧運(yùn)會(huì)撐桿跳比賽中使用的就是竹竿。竹 竿相比于木桿更富彈性，天然的中空結(jié)構(gòu)使撐桿的重量減輕，有利于運(yùn)動(dòng)員快速竿相比于木桿更富彈性，天然的中空結(jié)構(gòu)使撐桿的重量減輕，有利于運(yùn)動(dòng)員快速 助跑。助跑?！爸窀蜁r(shí)代竹竿時(shí)代”的世界紀(jì)錄也隨之上升到了的世界紀(jì)錄也隨之上升到了4.77米。米。 玻璃纖維撐桿輝煌一時(shí)玻璃纖維撐桿輝煌一時(shí) 瑞典鋼和鋁合金制成的空心撐桿和尼龍竿一度取代了竹竿的壟斷地位，瑞典鋼和鋁合金制成的空心撐桿和尼龍竿一度取代了竹竿的壟斷地位， 但是當(dāng)玻璃纖維撐桿在但是當(dāng)玻璃纖維撐桿在19

24、52年的赫爾辛基奧運(yùn)會(huì)上亮相后，撐桿跳就此進(jìn)入年的赫爾辛基奧運(yùn)會(huì)上亮相后，撐桿跳就此進(jìn)入 一個(gè)新的時(shí)代。一個(gè)新的時(shí)代。 玻璃纖維撐桿又稱之為玻璃纖維撐桿又稱之為“玻璃鋼撐桿玻璃鋼撐桿”，它之所以能夠帶來(lái)，它之所以能夠帶來(lái)“立竿見(jiàn)影立竿見(jiàn)影” 的效果，就在于它較輕的自重和極強(qiáng)的柔韌性。由于桿重大大減輕，運(yùn)動(dòng)員的效果，就在于它較輕的自重和極強(qiáng)的柔韌性。由于桿重大大減輕，運(yùn)動(dòng)員 持桿助跑的速度得以猛增。另外相比于持桿助跑的速度得以猛增。另外相比于“剛性剛性”撐桿和地面撐桿和地面“硬碰硬硬碰硬”的接的接 觸，觸，“柔性柔性”的纖維桿落地后更像是壓縮了的彈簧。纖維撐桿被壓彎后便積的纖維桿落地后更像是壓縮

25、了的彈簧。纖維撐桿被壓彎后便積 蓄了變形勢(shì)能，從而可以將運(yùn)動(dòng)員蓄了變形勢(shì)能，從而可以將運(yùn)動(dòng)員“彈彈”向空中。如此一來(lái)便使得運(yùn)動(dòng)員在向空中。如此一來(lái)便使得運(yùn)動(dòng)員在 垂直上升和跨越橫桿時(shí)可以充分利用自己水平助跑時(shí)積攢的動(dòng)能。垂直上升和跨越橫桿時(shí)可以充分利用自己水平助跑時(shí)積攢的動(dòng)能。 20 碳素纖維撐桿另辟蹊徑碳素纖維撐桿另辟蹊徑 今天競(jìng)技場(chǎng)上的撐桿經(jīng)過(guò)不斷更新?lián)Q代，玻璃今天競(jìng)技場(chǎng)上的撐桿經(jīng)過(guò)不斷更新?lián)Q代，玻璃 纖維撐桿已不大被人采用。玻璃纖維被碳纖維代替；纖維撐桿已不大被人采用。玻璃纖維被碳纖維代替； 不飽和聚酯也被環(huán)氧樹(shù)脂取代。這種碳纖維復(fù)合材不飽和聚酯也被環(huán)氧樹(shù)脂取代。這種碳纖維復(fù)合材 料的性

26、能比玻璃鋼有了大幅度的提高，因而現(xiàn)在的料的性能比玻璃鋼有了大幅度的提高，因而現(xiàn)在的 撐桿更輕、強(qiáng)度更好。撐桿更輕、強(qiáng)度更好。 現(xiàn)代的撐桿制作工藝日臻完善和成熟，甚至可以現(xiàn)代的撐桿制作工藝日臻完善和成熟，甚至可以 通過(guò)精密的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，根據(jù)撐桿從上到下受力的通過(guò)精密的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，根據(jù)撐桿從上到下受力的 差異和彎曲的弧度來(lái)設(shè)計(jì)不同部位最合理的強(qiáng)度。差異和彎曲的弧度來(lái)設(shè)計(jì)不同部位最合理的強(qiáng)度。 雖然對(duì)于撐桿材料革命的疑慮和抱怨一直未曾停止，雖然對(duì)于撐桿材料革命的疑慮和抱怨一直未曾停止， 但是如果沒(méi)有這種進(jìn)化，我們又怎么能夠看到伊辛但是如果沒(méi)有這種進(jìn)化，我們又怎么能夠看到伊辛 巴耶娃巴耶娃“百尺竿頭，

27、更進(jìn)一步百尺竿頭，更進(jìn)一步”呢？呢？ 21 1.5.5 良好的加工工藝性良好的加工工藝性 （1）可以根據(jù)制品的使用條件、性能要求選擇）可以根據(jù)制品的使用條件、性能要求選擇 原材料，即材料有可設(shè)計(jì)性；原材料，即材料有可設(shè)計(jì)性； （2）可以根據(jù)制品的形狀、大小、數(shù)量選擇加）可以根據(jù)制品的形狀、大小、數(shù)量選擇加 工成型方法；工成型方法； （3）可整體成型，減少裝配零件的數(shù)量，節(jié)省）可整體成型，減少裝配零件的數(shù)量，節(jié)省 工時(shí)，節(jié)省材料，減輕質(zhì)量。工時(shí)，節(jié)省材料，減輕質(zhì)量。 22 1.5.6各向異性和可設(shè)計(jì)性：各向異性和可設(shè)計(jì)性： 可以根據(jù)可以根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的載荷分布工程結(jié)構(gòu)的載荷分布及及使用條使用條 件

28、的不同，件的不同，選取相應(yīng)的選取相應(yīng)的材料材料及及鋪層設(shè)計(jì)鋪層設(shè)計(jì)滿足滿足 既定的要求。這一特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)制件的優(yōu)化既定的要求。這一特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)制件的優(yōu)化 設(shè)計(jì)，做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。設(shè)計(jì)，做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。 23 聚合物基復(fù)合材料存在的缺點(diǎn)：聚合物基復(fù)合材料存在的缺點(diǎn)： 材料工藝的穩(wěn)定性差材料工藝的穩(wěn)定性差 材料性能的分散性差材料性能的分散性差 長(zhǎng)期耐高溫與環(huán)境老化性能不好長(zhǎng)期耐高溫與環(huán)境老化性能不好 抗沖擊性能低抗沖擊性能低 橫向強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度不夠好橫向強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度不夠好 這些問(wèn)題也正是需要研究解決，從而推動(dòng)復(fù)這些問(wèn)題也正是需要研究解決，從而推動(dòng)復(fù) 合材料的發(fā)展，使之日益成

29、熟。合材料的發(fā)展，使之日益成熟。 24 復(fù)合材料與金屬等材料比較，顯示出較大的優(yōu)越性。復(fù)合材料與金屬等材料比較，顯示出較大的優(yōu)越性。 25 26 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在火箭中的應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在火箭中的應(yīng)用 1.6 復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用 27 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在人造衛(wèi)星中的應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在人造衛(wèi)星中的應(yīng)用 28 東方紅一號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)于東方紅一號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)于 1970年年4月月24日發(fā)射的第一顆日發(fā)射的第一顆 人造地球衛(wèi)星。按當(dāng)時(shí)時(shí)間先人造地球衛(wèi)星。按當(dāng)時(shí)時(shí)間先 后后,我國(guó)是繼蘇、美、法、日之我國(guó)是繼蘇、美、法、日之 后后,世界上第五個(gè)用自制火箭發(fā)世界上第五個(gè)用自制火箭發(fā) 射國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的國(guó)家射國(guó)產(chǎn)衛(wèi)

30、星的國(guó)家 29 人造地球衛(wèi)星與空間探測(cè)器的結(jié)構(gòu)材料人造地球衛(wèi)星與空間探測(cè)器的結(jié)構(gòu)材料大多采用鋁合金和鎂合金，要求高強(qiáng)大多采用鋁合金和鎂合金，要求高強(qiáng) 度的零部件則采用鈦合金和不銹鋼。為了提高剛度和減輕重量，已開(kāi)始采用高模量石度的零部件則采用鈦合金和不銹鋼。為了提高剛度和減輕重量，已開(kāi)始采用高模量石 墨纖維增強(qiáng)的新型復(fù)合材料。墨纖維增強(qiáng)的新型復(fù)合材料。 衛(wèi)星體和儀器設(shè)備表面衛(wèi)星體和儀器設(shè)備表面常覆有溫控涂層，利用熱輻射或熱吸收特性來(lái)調(diào)節(jié)溫度。常覆有溫控涂層，利用熱輻射或熱吸收特性來(lái)調(diào)節(jié)溫度。 航天器上的大面積太陽(yáng)翼航天器上的大面積太陽(yáng)翼初期為鋁合金加筋板或夾層板結(jié)構(gòu)，后來(lái)改用石墨纖初期為鋁合金加

31、筋板或夾層板結(jié)構(gòu)，后來(lái)改用石墨纖 維復(fù)合材料作面板的鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，更先進(jìn)的輕型太陽(yáng)翼則以石墨纖維復(fù)合材料作維復(fù)合材料作面板的鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，更先進(jìn)的輕型太陽(yáng)翼則以石墨纖維復(fù)合材料作 框架，蒙上聚酰胺薄膜?？蚣?，蒙上聚酰胺薄膜。面積更大的柔性太陽(yáng)翼面積更大的柔性太陽(yáng)翼全部由薄膜材料制成。全部由薄膜材料制成。 大型拋物面天線大型拋物面天線是現(xiàn)代衛(wèi)星的重要組成部分，原來(lái)多采用鋁合金或玻璃鋼制造，是現(xiàn)代衛(wèi)星的重要組成部分，原來(lái)多采用鋁合金或玻璃鋼制造， 但隨著天線指向精度的提高，已改用熱膨脹系數(shù)極小的輕質(zhì)材料。石墨和芳綸在一定但隨著天線指向精度的提高，已改用熱膨脹系數(shù)極小的輕質(zhì)材料。石墨和芳綸在一定

32、 的溫度范圍內(nèi)具有負(fù)膨脹系數(shù)，可通過(guò)材料的鋪層設(shè)計(jì)制造出膨脹系數(shù)接近于零的復(fù)的溫度范圍內(nèi)具有負(fù)膨脹系數(shù)，可通過(guò)材料的鋪層設(shè)計(jì)制造出膨脹系數(shù)接近于零的復(fù) 合材料，從而成為制造天線的基本材料。超大型天線需制成可展開(kāi)的傘狀，其骨架由合材料，從而成為制造天線的基本材料。超大型天線需制成可展開(kāi)的傘狀，其骨架由 鋁合金或復(fù)合材料制成，反射面為涂有特殊涂層的聚酯纖維網(wǎng)或鎳鋁合金或復(fù)合材料制成，反射面為涂有特殊涂層的聚酯纖維網(wǎng)或鎳-鉻金屬絲網(wǎng)。鉻金屬絲網(wǎng)。 衛(wèi)星體內(nèi)還使用多層材料、工程塑料、玻璃鋼等作為衛(wèi)星體內(nèi)還使用多層材料、工程塑料、玻璃鋼等作為隔熱材料隔熱材料，用二硫化鉬固體，用二硫化鉬固體 潤(rùn)滑劑等作為

33、運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑材料，用硅橡膠等作為艙室的潤(rùn)滑劑等作為運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑材料，用硅橡膠等作為艙室的密封材料密封材料。 30 蜜蜂的蜂窩構(gòu)造非常精巧、適用蜜蜂的蜂窩構(gòu)造非常精巧、適用 而且節(jié)省材料。蜂房由無(wú)數(shù)個(gè)大小相而且節(jié)省材料。蜂房由無(wú)數(shù)個(gè)大小相 同的房孔組成，房孔都是正六角形，同的房孔組成，房孔都是正六角形， 每個(gè)房孔都被其它房孔包圍，兩個(gè)房每個(gè)房孔都被其它房孔包圍，兩個(gè)房 孔之間只隔著一堵蠟制的墻。令人驚孔之間只隔著一堵蠟制的墻。令人驚 訝的是，房孔的底既不是平的，也不訝的是，房孔的底既不是平的，也不 是圓的，而是尖的。這個(gè)底是由三個(gè)是圓的，而是尖的。這個(gè)底是由三個(gè) 完全相同的菱形組成。有人測(cè)量

34、過(guò)菱完全相同的菱形組成。有人測(cè)量過(guò)菱 形的角度，兩個(gè)鈍角都是形的角度，兩個(gè)鈍角都是109109而兩而兩 個(gè)銳角都是個(gè)銳角都是7070。令人叫絕的是，世。令人叫絕的是，世 界上所有蜜蜂的蜂窩都是按照這個(gè)統(tǒng)界上所有蜜蜂的蜂窩都是按照這個(gè)統(tǒng) 一的角度和模式建造的。一的角度和模式建造的。 成了蜂窩結(jié)構(gòu)。這種蜂窩結(jié)構(gòu)強(qiáng)成了蜂窩結(jié)構(gòu)。這種蜂窩結(jié)構(gòu)強(qiáng) 度很高，重量又很輕，還有益于隔音度很高，重量又很輕，還有益于隔音 和隔熱。因此，現(xiàn)在的航天飛機(jī)、人和隔熱。因此，現(xiàn)在的航天飛機(jī)、人 造衛(wèi)星、宇宙飛船在內(nèi)部大量采用蜂造衛(wèi)星、宇宙飛船在內(nèi)部大量采用蜂 窩結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星的外殼也幾乎全部是蜂窩結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星的外殼也幾乎全部是

35、蜂 窩結(jié)構(gòu)。因此，這些航天器又統(tǒng)稱為窩結(jié)構(gòu)。因此，這些航天器又統(tǒng)稱為 “蜂窩式航天器蜂窩式航天器”。 31 2009年年8月月25日當(dāng)?shù)貢r(shí)間日當(dāng)?shù)貢r(shí)間17時(shí)，時(shí)， 韓國(guó)首枚運(yùn)載火箭韓國(guó)首枚運(yùn)載火箭“羅老號(hào)羅老號(hào)”發(fā)射上發(fā)射上 天，但其所搭載的衛(wèi)星并未進(jìn)入預(yù)定天，但其所搭載的衛(wèi)星并未進(jìn)入預(yù)定 軌道，盡管韓聯(lián)社引述韓、俄兩國(guó)相軌道，盡管韓聯(lián)社引述韓、俄兩國(guó)相 關(guān)專家的話稱，因?yàn)殛P(guān)專家的話稱，因?yàn)椤盎鸺l(fā)射本身火箭發(fā)射本身 是成功的是成功的”，所以，所以“此次發(fā)射算是成此次發(fā)射算是成 功了一半功了一半”，但站在客觀立場(chǎng)上評(píng)論，但站在客觀立場(chǎng)上評(píng)論 ，這應(yīng)該算是一次失敗。，這應(yīng)該算是一次失敗。 道理是

36、明擺著的，火箭發(fā)射的目道理是明擺著的，火箭發(fā)射的目 的是把衛(wèi)星送進(jìn)預(yù)定軌道，按照韓國(guó)的是把衛(wèi)星送進(jìn)預(yù)定軌道，按照韓國(guó) 教育科技部此前的說(shuō)法，是借此次成教育科技部此前的說(shuō)法，是借此次成 功，令韓國(guó)功，令韓國(guó)“成為第成為第10個(gè)用本土技術(shù)個(gè)用本土技術(shù) 、從本國(guó)國(guó)土上發(fā)射衛(wèi)星入軌、從本國(guó)國(guó)土上發(fā)射衛(wèi)星入軌”的國(guó)的國(guó) 家，而這個(gè)目的顯然業(yè)已落空。家，而這個(gè)目的顯然業(yè)已落空。 羅老號(hào)：拿來(lái)主義的苦辣酸甜羅老號(hào)：拿來(lái)主義的苦辣酸甜 發(fā)射失敗發(fā)射失敗 32 哥倫比亞號(hào)所用的復(fù)合材料哥倫比亞號(hào)所用的復(fù)合材料 1981年年4月月12日，美國(guó)第日，美國(guó)第 一架航天飛機(jī)一架航天飛機(jī)“哥倫比亞哥倫比亞” 號(hào)在肯尼迪航

37、天中心首次號(hào)在肯尼迪航天中心首次 升空。升空。 2003年年2月月1日，美國(guó)日，美國(guó) “哥倫比亞哥倫比亞”號(hào)航天號(hào)航天 飛機(jī)在返回地面時(shí)在飛機(jī)在返回地面時(shí)在 得克薩斯州中北部地得克薩斯州中北部地 區(qū)上空解體并墜毀，區(qū)上空解體并墜毀， 機(jī)上名宇航員全部機(jī)上名宇航員全部 遇難。遇難。 33 載人飛船各艙段的結(jié)構(gòu)材料載人飛船各艙段的結(jié)構(gòu)材料大多是鋁合金、鎂合金和鈦合金。大多是鋁合金、鎂合金和鈦合金。 再入艙段的側(cè)壁采取輻射防熱措施，外蒙皮為耐高溫的鎳基合金，再入艙段的側(cè)壁采取輻射防熱措施，外蒙皮為耐高溫的鎳基合金， 內(nèi)部結(jié)構(gòu)為耐熱鈦合金。外蒙皮與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間填以石英纖維等各內(nèi)部結(jié)構(gòu)為耐熱鈦合金。外蒙

38、皮與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間填以石英纖維等各 種隔熱材料。再入艙靠外蒙皮的高輻射特性和隔熱層的良好的隔熱種隔熱材料。再入艙靠外蒙皮的高輻射特性和隔熱層的良好的隔熱 特性，保持艙內(nèi)有適宜的工作溫度。再入艙的頭部經(jīng)受的熱流高，特性，保持艙內(nèi)有適宜的工作溫度。再入艙的頭部經(jīng)受的熱流高， 須采用與導(dǎo)彈頭部相似的燒蝕材料。須采用與導(dǎo)彈頭部相似的燒蝕材料。 航天飛機(jī)的軌道器航天飛機(jī)的軌道器大部分用鋁合金制造。大部分用鋁合金制造。 支承主發(fā)動(dòng)機(jī)的推力結(jié)構(gòu)支承主發(fā)動(dòng)機(jī)的推力結(jié)構(gòu)用鈦合金制造；用鈦合金制造；中機(jī)身的部分主框中機(jī)身的部分主框采采 用以硼纖維增強(qiáng)鋁合金的金屬基復(fù)合材料；用以硼纖維增強(qiáng)鋁合金的金屬基復(fù)合材料；貨艙

39、艙門(mén)貨艙艙門(mén)用石墨纖維增用石墨纖維增 強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料作面板的特制紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料作面板的特制紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。 航天飛機(jī)使用百次左右，再入大氣層時(shí)的防熱是一個(gè)重要的問(wèn)航天飛機(jī)使用百次左右，再入大氣層時(shí)的防熱是一個(gè)重要的問(wèn) 題，因此使用了各類表面隔熱材料，其中主要是題，因此使用了各類表面隔熱材料，其中主要是新型陶瓷隔熱瓦新型陶瓷隔熱瓦。 34 哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)（哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)（STS Columbia OV-102）是美國(guó)的太空梭機(jī)隊(duì)中第一架正式服役的，它在）是美國(guó)的太空梭機(jī)隊(duì)中第一架正式服役的，它在 1981年年4月月12日首次執(zhí)行代號(hào)日首次執(zhí)行代號(hào)STS-1的任務(wù)，

40、正式開(kāi)啟了的任務(wù)，正式開(kāi)啟了NASA的太空運(yùn)輸系統(tǒng)計(jì)劃（的太空運(yùn)輸系統(tǒng)計(jì)劃（Space Transportation System program，STS）之序章。）之序章。 然而很不幸的，哥倫比亞號(hào)在然而很不幸的，哥倫比亞號(hào)在2003年年2月月1日，在代號(hào)日，在代號(hào)STS-107的第的第28次任務(wù)重返大氣層的階段中與次任務(wù)重返大氣層的階段中與 控制中心失去聯(lián)系，并且在不久后被發(fā)現(xiàn)在控制中心失去聯(lián)系，并且在不久后被發(fā)現(xiàn)在德克薩斯州德克薩斯州上空爆炸解體，機(jī)上上空爆炸解體，機(jī)上7名太空人全數(shù)罹難。名太空人全數(shù)罹難。 1981年年4月月12日，在卡納維拉爾角日，在卡納維拉爾角肯尼迪航天中心肯尼迪航

41、天中心聚集著上百萬(wàn)人，參觀第一架航天飛機(jī)哥倫比亞聚集著上百萬(wàn)人，參觀第一架航天飛機(jī)哥倫比亞 號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射。宇航員翰號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射。宇航員翰楊（楊（John WYoung）和克里平（）和克里平（Robert LCrippen）揭開(kāi)了航天史上新的）揭開(kāi)了航天史上新的 一頁(yè)。這架航天飛機(jī)總長(zhǎng)約一頁(yè)。這架航天飛機(jī)總長(zhǎng)約56米，翼展約米，翼展約24米，起飛重量約米，起飛重量約2040噸，起飛總推力達(dá)噸，起飛總推力達(dá)2800噸，最大有效載噸，最大有效載 荷荷29.5噸。它的核心部分軌道器長(zhǎng)噸。它的核心部分軌道器長(zhǎng)37.2米，大體上與一架米，大體上與一架DC9客機(jī)的大小相仿。每次飛行最多可載客機(jī)的大小相仿

42、。每次飛行最多可載8名名 宇航員，飛行時(shí)間宇航員，飛行時(shí)間7至至30天，軌道器可重復(fù)使用天，軌道器可重復(fù)使用100次。次。 航天飛機(jī)集火箭，衛(wèi)星和飛機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)于一身，能像火箭那樣垂直發(fā)射進(jìn)入空間軌道，又能像航天飛機(jī)集火箭，衛(wèi)星和飛機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)于一身，能像火箭那樣垂直發(fā)射進(jìn)入空間軌道，又能像 衛(wèi)星那樣在太空軌道飛行，還能像飛機(jī)那樣再入大氣層滑翔著陸，是一種新型的多功能航天飛行器。衛(wèi)星那樣在太空軌道飛行，還能像飛機(jī)那樣再入大氣層滑翔著陸，是一種新型的多功能航天飛行器。 1981年初，經(jīng)過(guò)十年的研制開(kāi)發(fā)，年初，經(jīng)過(guò)十年的研制開(kāi)發(fā)，“哥倫比亞哥倫比亞”號(hào)終于建造成功，它是第一架用于在太空和地面之號(hào)終

43、于建造成功，它是第一架用于在太空和地面之 間往返運(yùn)送宇航員和設(shè)備的航天飛機(jī)。它第一次飛行的任務(wù)只是測(cè)試它的軌道飛行和著陸能力。在太空間往返運(yùn)送宇航員和設(shè)備的航天飛機(jī)。它第一次飛行的任務(wù)只是測(cè)試它的軌道飛行和著陸能力。在太空 飛行飛行54小時(shí)，環(huán)繞地球飛行小時(shí)，環(huán)繞地球飛行36周之后航天飛機(jī)安全著陸。周之后航天飛機(jī)安全著陸。 “哥倫比亞哥倫比亞”號(hào)是以號(hào)是以18世紀(jì)初第一艘環(huán)繞地球航行的美國(guó)輪船的名字命名的，在下一架航天飛機(jī)，世紀(jì)初第一艘環(huán)繞地球航行的美國(guó)輪船的名字命名的，在下一架航天飛機(jī)， “挑戰(zhàn)者挑戰(zhàn)者”號(hào)建成之前，號(hào)建成之前，“哥倫比亞哥倫比亞”號(hào)又進(jìn)行了四次飛行。號(hào)又進(jìn)行了四次飛行。 哥

44、倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事 35 美國(guó)宇航局確認(rèn)，美國(guó)美國(guó)宇航局確認(rèn)，美國(guó)“哥倫比亞哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)外部燃料箱表面泡沫材料安裝過(guò)程中存在的缺陷，號(hào)航天飛機(jī)外部燃料箱表面泡沫材料安裝過(guò)程中存在的缺陷， 是造成整起事故的禍?zhǔn)?。是造成整起事故的禍?zhǔn)?。“哥倫比亞哥倫比亞”?hào)航天飛機(jī)事故調(diào)查委員會(huì)去年公布的調(diào)查報(bào)告稱，外部燃料號(hào)航天飛機(jī)事故調(diào)查委員會(huì)去年公布的調(diào)查報(bào)告稱，外部燃料 箱表面脫落的一塊箱表面脫落的一塊泡沫材料泡沫材料擊中航天飛機(jī)熱保護(hù)系統(tǒng)，是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因。擊中航天飛機(jī)熱保護(hù)系統(tǒng)，是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因。 事故發(fā)生后，由于無(wú)法迅速找回事發(fā)時(shí)的泡沫材料和燃料箱進(jìn)行

45、檢驗(yàn)，宇航局和事故調(diào)查委員會(huì)事故發(fā)生后，由于無(wú)法迅速找回事發(fā)時(shí)的泡沫材料和燃料箱進(jìn)行檢驗(yàn)，宇航局和事故調(diào)查委員會(huì) 一直沒(méi)對(duì)事故原因作出最終定論。目前，一直沒(méi)對(duì)事故原因作出最終定論。目前，“哥倫比亞哥倫比亞”號(hào)外部燃料箱約號(hào)外部燃料箱約50萬(wàn)塊碎片已被找到并重新拼萬(wàn)塊碎片已被找到并重新拼 在一起。宇航局負(fù)責(zé)在一起。宇航局負(fù)責(zé)“哥倫比亞哥倫比亞”號(hào)外部燃料箱工程的首席工程師尼爾號(hào)外部燃料箱工程的首席工程師尼爾奧特說(shuō)，宇航局經(jīng)多次試驗(yàn)確奧特說(shuō)，宇航局經(jīng)多次試驗(yàn)確 定，定，泡沫材料安裝過(guò)程有缺陷泡沫材料安裝過(guò)程有缺陷是造成事故的主要原因。是造成事故的主要原因。 奧特說(shuō)，泡沫材料本身的化學(xué)成分沒(méi)有問(wèn)題，

46、問(wèn)題在于用噴槍在燃料箱外敷設(shè)泡沫材料的過(guò)程。奧特說(shuō)，泡沫材料本身的化學(xué)成分沒(méi)有問(wèn)題，問(wèn)題在于用噴槍在燃料箱外敷設(shè)泡沫材料的過(guò)程。 試驗(yàn)表明，目前的敷設(shè)工藝會(huì)在各塊泡沫材料之間留下縫隙，液態(tài)氫能夠滲入其間。航天飛機(jī)起飛后，試驗(yàn)表明，目前的敷設(shè)工藝會(huì)在各塊泡沫材料之間留下縫隙，液態(tài)氫能夠滲入其間。航天飛機(jī)起飛后， 氫氣受熱膨脹，最終導(dǎo)致大塊泡沫材料脫落。撞擊氫氣受熱膨脹，最終導(dǎo)致大塊泡沫材料脫落。撞擊“哥倫比亞哥倫比亞”號(hào)的泡沫材料有手提箱大小，重約號(hào)的泡沫材料有手提箱大小，重約 0.75公斤。它幾乎是被整塊公斤。它幾乎是被整塊“撕下撕下”后，高速撞擊到航天飛機(jī)左翼前緣的熱保護(hù)系統(tǒng)，并形成裂隙。后

47、，高速撞擊到航天飛機(jī)左翼前緣的熱保護(hù)系統(tǒng)，并形成裂隙。 航天飛機(jī)重返大氣層時(shí)，超高溫氣體得以從裂隙處進(jìn)入航天飛機(jī)重返大氣層時(shí)，超高溫氣體得以從裂隙處進(jìn)入“哥倫比亞哥倫比亞”號(hào)機(jī)體，造成航天飛機(jī)解體。號(hào)機(jī)體，造成航天飛機(jī)解體。 奧特說(shuō)，根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燃料箱進(jìn)行檢測(cè)是目前擺在美國(guó)宇航局面前的最大障礙。新標(biāo)準(zhǔn)要求，不奧特說(shuō)，根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)燃料箱進(jìn)行檢測(cè)是目前擺在美國(guó)宇航局面前的最大障礙。新標(biāo)準(zhǔn)要求，不 允許有允許有0.5盎司（盎司（14.17克）以上的克）以上的燃料箱外泡沫材料燃料箱外泡沫材料脫落。美國(guó)宇航局目前準(zhǔn)備對(duì)所有航天飛機(jī)的脫落。美國(guó)宇航局目前準(zhǔn)備對(duì)所有航天飛機(jī)的 11個(gè)燃料箱進(jìn)行檢測(cè)，檢查每個(gè)

48、燃料箱需要個(gè)燃料箱進(jìn)行檢測(cè)，檢查每個(gè)燃料箱需要4千萬(wàn)美元。千萬(wàn)美元。 哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事 36 300km動(dòng)車組動(dòng)車組動(dòng)車組車頭動(dòng)車組車頭 司機(jī)臺(tái)內(nèi)飾司機(jī)臺(tái)內(nèi)飾 動(dòng)車組車頭動(dòng)車組車頭 300km/h動(dòng)車組動(dòng)車組 動(dòng)車組衛(wèi)生間動(dòng)車組衛(wèi)生間 37 38 波音波音-767用復(fù)合材料用復(fù)合材料中國(guó)大飛機(jī)總裝中心掛牌中國(guó)大飛機(jī)總裝中心掛牌 39 目前，國(guó)外新一代軍機(jī)和民用運(yùn)輸機(jī)已普遍采用高性能樹(shù)脂基碳纖維復(fù)目前，國(guó)外新一代軍機(jī)和民用運(yùn)輸機(jī)已普遍采用高性能樹(shù)脂基碳纖維復(fù) 合材料，第四代戰(zhàn)機(jī)復(fù)合材料用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的合材料，第四代戰(zhàn)機(jī)復(fù)合材料用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的2050，干線客機(jī)

49、，干線客機(jī) 約為約為10%50。 以波音以波音777為例，在其機(jī)體結(jié)構(gòu)中，鋁合金占為例，在其機(jī)體結(jié)構(gòu)中，鋁合金占70%、鋼、鋼11%、鈦、鈦7%，復(fù)，復(fù) 合材料僅占到合材料僅占到11%，而且復(fù)合材料主要用于飛機(jī)輔件。但到波音，而且復(fù)合材料主要用于飛機(jī)輔件。但到波音787時(shí)，復(fù)時(shí)，復(fù) 合材料的使用出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，其用量已占到結(jié)構(gòu)重量的合材料的使用出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，其用量已占到結(jié)構(gòu)重量的50%，不僅數(shù)量激，不僅數(shù)量激 增，而且已用于飛機(jī)的主承力構(gòu)件。增，而且已用于飛機(jī)的主承力構(gòu)件。 我國(guó)復(fù)合材料制造技術(shù)經(jīng)過(guò)我國(guó)復(fù)合材料制造技術(shù)經(jīng)過(guò)30多年的研究和發(fā)展，已形成了一定的規(guī)多年的研究和發(fā)展，已形成了一定的

50、規(guī) 模，達(dá)到了一定的水平。各主機(jī)生產(chǎn)廠均已建設(shè)了生產(chǎn)手段，完成了相應(yīng)模，達(dá)到了一定的水平。各主機(jī)生產(chǎn)廠均已建設(shè)了生產(chǎn)手段，完成了相應(yīng) 的設(shè)備改造和技術(shù)改造。各研究院所及重點(diǎn)高校培養(yǎng)了大量人才。國(guó)內(nèi)從的設(shè)備改造和技術(shù)改造。各研究院所及重點(diǎn)高校培養(yǎng)了大量人才。國(guó)內(nèi)從 設(shè)計(jì)、材料到工藝有了一支配套的研發(fā)隊(duì)伍。但與國(guó)外相比，還存在應(yīng)用設(shè)計(jì)、材料到工藝有了一支配套的研發(fā)隊(duì)伍。但與國(guó)外相比，還存在應(yīng)用 規(guī)模和水平、材料基礎(chǔ)、制造工藝、設(shè)計(jì)方法與手段嚴(yán)重落后等問(wèn)題，且規(guī)模和水平、材料基礎(chǔ)、制造工藝、設(shè)計(jì)方法與手段嚴(yán)重落后等問(wèn)題，且 差距有進(jìn)一步拉開(kāi)的趨勢(shì)。差距有進(jìn)一步拉開(kāi)的趨勢(shì)。 40 各種風(fēng)格的玻璃鋼建筑

51、各種風(fēng)格的玻璃鋼建筑 41 42 玻璃鋼軸流風(fēng)機(jī)玻璃鋼軸流風(fēng)機(jī) 屋頂離心風(fēng)機(jī)屋頂離心風(fēng)機(jī) 酚醛玻璃鋼管道泵酚醛玻璃鋼管道泵 玻璃鋼管道玻璃鋼管道 玻璃鋼貯罐玻璃鋼貯罐 玻璃鋼耐腐蝕設(shè)備玻璃鋼耐腐蝕設(shè)備 43 雪橇探險(xiǎn)車雪橇探險(xiǎn)車 休閑船休閑船 復(fù)合材料運(yùn)動(dòng)與娛樂(lè)器件復(fù)合材料運(yùn)動(dòng)與娛樂(lè)器件 44 漁船漁船 敞開(kāi)式機(jī)動(dòng)救生艇敞開(kāi)式機(jī)動(dòng)救生艇 海洋應(yīng)用海洋應(yīng)用 6m敞開(kāi)艇敞開(kāi)艇 摩托艇摩托艇 45 圖圖1-17 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片 46 層壓板層壓板 覆銅板覆銅板 47 復(fù)合材料復(fù)合材料 學(xué)術(shù)界開(kāi)始使用學(xué)術(shù)界開(kāi)始使用“復(fù)合材料復(fù)合材料”（composite materials ） 一詞大約

52、是在一詞大約是在20世紀(jì)世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了年代，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了玻璃纖維增強(qiáng)不玻璃纖維增強(qiáng)不 飽和聚酯飽和聚酯，開(kāi)辟了，開(kāi)辟了的新紀(jì)元。的新紀(jì)元。 1.7 復(fù)合材料的進(jìn)展復(fù)合材料的進(jìn)展 48 從從20世紀(jì)世紀(jì)60年代開(kāi)始，開(kāi)發(fā)出多種年代開(kāi)始，開(kāi)發(fā)出多種 。 20世紀(jì)世紀(jì)80年代以后，由于人們豐富了年代以后，由于人們豐富了設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)、 制造制造和和測(cè)試測(cè)試等方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，加上各類作為等方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，加上各類作為 復(fù)合材料基體的材料的使用和改進(jìn)，使復(fù)合材料基體的材料的使用和改進(jìn)，使 的發(fā)展達(dá)到了更高的水平，即進(jìn)入的發(fā)展達(dá)到了更高的水平，即進(jìn)入 的發(fā)展階段。的發(fā)展階段。 49 復(fù)合材料的復(fù)合材

53、料的可表示為：可表示為： 古代古代近代近代 先進(jìn)復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料 50 自然界中存在許許多多的天然復(fù)合材料。例如，自然界中存在許許多多的天然復(fù)合材料。例如， 和和是是和和的復(fù)合體；的復(fù)合體； 則由則由和和復(fù)合而成。復(fù)合而成。 51 人類很早就人類很早就各種天然復(fù)合材料，并各種天然復(fù)合材料，并自自 然界制作各種各樣的復(fù)合材料。例如然界制作各種各樣的復(fù)合材料。例如 陜西半坡人草梗合泥筑墻，且延用至今；陜西半坡人草梗合泥筑墻，且延用至今； 漆器麻纖維和土漆復(fù)合而成，至今已四千多年；漆器麻纖維和土漆復(fù)合而成，至今已四千多年； 敦煌壁畫(huà)泥胎、宮殿建筑里園木表面的披麻覆漆。敦煌壁畫(huà)泥胎、宮殿建筑里園木

54、表面的披麻覆漆。 52 近代近代，復(fù)合材料的發(fā)展始于，復(fù)合材料的發(fā)展始于20世紀(jì)世紀(jì)40年代，年代， 第二次世界大戰(zhàn)中，第二次世界大戰(zhàn)中，復(fù)合復(fù)合 材料被美國(guó)空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件開(kāi)始算起。材料被美國(guó)空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件開(kāi)始算起。50 年代得到了迅速發(fā)展。年代得到了迅速發(fā)展。 我國(guó)我國(guó)從從1958年開(kāi)始發(fā)展復(fù)合材料年開(kāi)始發(fā)展復(fù)合材料 53 的制作成功則要從的制作成功則要從1942年，第年，第 二次世界大戰(zhàn)中，二次世界大戰(zhàn)中，復(fù)合材復(fù)合材 料被美國(guó)空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件開(kāi)始算起。料被美國(guó)空軍用于制造飛機(jī)構(gòu)件開(kāi)始算起。 材料科學(xué)家們認(rèn)為，就世界范圍而論，從材料科學(xué)家們認(rèn)為，就世界范圍而論，從1940

55、年到年到1960年這年這20年間，是玻璃纖維增強(qiáng)塑料時(shí)代，年間，是玻璃纖維增強(qiáng)塑料時(shí)代， 可以稱為可以稱為。 第一代：第一代：1940年到年到1960年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料；年，玻璃纖維增強(qiáng)塑料； 54 1965年英國(guó)科學(xué)家研制出碳纖維；年英國(guó)科學(xué)家研制出碳纖維； 1971年美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)出年美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)出Kevler-49 （凱芙拉（凱芙拉-49 ）；）； 1975年先進(jìn)復(fù)合材料年先進(jìn)復(fù)合材料“碳纖維增強(qiáng)、及碳纖維增強(qiáng)、及Kevler纖維增纖維增 強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料”已用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。已用于飛機(jī)、火箭的主承力件上。 這一時(shí)期被稱為這一時(shí)期被稱為 第二代：第二

56、代：1960年到年到1980年，先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展時(shí)期年，先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展時(shí)期 55 1980年到年到1990年間，是年間，是 的時(shí)代，其中以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣的時(shí)代，其中以鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣 泛，這一時(shí)期是泛，這一時(shí)期是。 56 1990年以后則被認(rèn)為是年以后則被認(rèn)為是，主要，主要 發(fā)展發(fā)展，如，如和和 。 隨著新型復(fù)合材料的不斷涌現(xiàn)，復(fù)合材料不僅應(yīng)用在隨著新型復(fù)合材料的不斷涌現(xiàn)，復(fù)合材料不僅應(yīng)用在 導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星等尖端工業(yè)中，在航空、汽車、造導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星等尖端工業(yè)中，在航空、汽車、造 船、建筑、電子、橋梁、機(jī)械、醫(yī)療和體育等各個(gè)部門(mén)都船、建筑、電子、橋梁、機(jī)械、

57、醫(yī)療和體育等各個(gè)部門(mén)都 得到應(yīng)用。得到應(yīng)用。 57 縱觀復(fù)合材料的發(fā)展過(guò)程，可以看到：縱觀復(fù)合材料的發(fā)展過(guò)程，可以看到： 早期發(fā)展出現(xiàn)的復(fù)合材料，由于性能相對(duì)比較低，生產(chǎn)早期發(fā)展出現(xiàn)的復(fù)合材料，由于性能相對(duì)比較低，生產(chǎn) 量大，使用面廣，可稱之為量大，使用面廣，可稱之為。 后來(lái)隨著高技術(shù)發(fā)展的需要，在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出性能后來(lái)隨著高技術(shù)發(fā)展的需要，在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出性能 高的高的。 58 60年代，為滿足航空航天等尖端技術(shù)所用材料的需要，先后研制年代，為滿足航空航天等尖端技術(shù)所用材料的需要，先后研制 和生產(chǎn)了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維和生產(chǎn)了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維

58、、芳綸纖維、碳化硅纖維 等）為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度大于等）為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度大于4106厘米（厘米（cm），比模），比模 量大于量大于108cm。為了與第一代玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料相區(qū)別，。為了與第一代玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料相區(qū)別， 將這種復(fù)合材料稱為先進(jìn)復(fù)合材料。將這種復(fù)合材料稱為先進(jìn)復(fù)合材料。 按基體材料不同，先進(jìn)復(fù)合材料分為樹(shù)脂基、金屬基和陶瓷基復(fù)按基體材料不同，先進(jìn)復(fù)合材料分為樹(shù)脂基、金屬基和陶瓷基復(fù) 合材料。其使用溫度分別達(dá)合材料。其使用溫度分別達(dá)250350、3501200和和1200以上。以上。 先進(jìn)復(fù)合材料除作為結(jié)構(gòu)材料外，還可用作功能材料，如梯度復(fù)合材

59、先進(jìn)復(fù)合材料除作為結(jié)構(gòu)材料外，還可用作功能材料，如梯度復(fù)合材 料料(材料的化學(xué)和結(jié)晶學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、空隙等在空間連續(xù)梯變的功能復(fù)材料的化學(xué)和結(jié)晶學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、空隙等在空間連續(xù)梯變的功能復(fù) 合材料合材料)、機(jī)敏復(fù)合材料（具有感覺(jué)、處理和執(zhí)行功能，能適應(yīng)環(huán)境變、機(jī)敏復(fù)合材料（具有感覺(jué)、處理和執(zhí)行功能，能適應(yīng)環(huán)境變 化的功能復(fù)合材料）、仿生復(fù)合材料、隱身復(fù)合材料等?；墓δ軓?fù)合材料）、仿生復(fù)合材料、隱身復(fù)合材料等。 先進(jìn)復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料 59 中國(guó)新型遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈使中國(guó)新型遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈使 用先進(jìn)復(fù)合材料用先進(jìn)復(fù)合材料 正六邊形的天然蜂窩是蜂正六邊形的天然蜂窩是蜂 族的杰作，以蜂窩結(jié)構(gòu)作族的杰作，以

60、蜂窩結(jié)構(gòu)作 為夾層結(jié)構(gòu)的芯材是人類為夾層結(jié)構(gòu)的芯材是人類 仿生學(xué)應(yīng)用的一大成果。仿生學(xué)應(yīng)用的一大成果。 隱身飛機(jī)隱身飛機(jī) 60 前蘇聯(lián)暴風(fēng)雨號(hào)前蘇聯(lián)暴風(fēng)雨號(hào)美挑戰(zhàn)者號(hào)美挑戰(zhàn)者號(hào) 美國(guó)美國(guó)正式使用的第二架正式使用的第二架航天飛機(jī)航天飛機(jī)。 并于并于1983年年4月月4日日正式進(jìn)行任務(wù)首航。正式進(jìn)行任務(wù)首航。 然而很不幸的，挑戰(zhàn)者號(hào)在然而很不幸的，挑戰(zhàn)者號(hào)在1986年年1月月 28日進(jìn)行代號(hào)日進(jìn)行代號(hào)STS-51-L的第的第10次太空次太空 任務(wù)時(shí)，因?yàn)橛覀?cè)固態(tài)火箭推進(jìn)器上任務(wù)時(shí)，因?yàn)橛覀?cè)固態(tài)火箭推進(jìn)器上 面的一個(gè)面的一個(gè)O形環(huán)失效，導(dǎo)致一連串的形環(huán)失效，導(dǎo)致一連串的 連鎖反應(yīng)連鎖反應(yīng)，并且在升空