樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

1、2016樹(shù)脂基復(fù)合材料樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用在航空航天中的應(yīng)用 田露 2016.03.09主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1、引言 2、樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用 3、結(jié)語(yǔ)7.82.84.521.451.61.42.12.650246810鋼鋁合金鈦合金玻璃纖維復(fù)合材料高模碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料高模石墨纖維/環(huán)氧復(fù)合材料有機(jī)纖維/環(huán)氧復(fù)合材料硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料硼纖維/鋁復(fù)合材料密度密度復(fù)復(fù)合合材材料料的的性性能能比比較較31、引言00.20.40.60.811.21.41.61鋼鋁合金鈦合金玻璃纖維復(fù)合材料高模碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料高模石墨纖維/環(huán)氧復(fù)合材料有機(jī)纖維/環(huán)氧復(fù)合材料硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料硼纖維

2、/鋁復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度401231鋼鋁合金鈦合金玻璃纖維復(fù)合材料高模碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料高模石墨纖維/環(huán)氧復(fù)合材料有機(jī)纖維/環(huán)氧復(fù)合材料硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料硼纖維/鋁復(fù)合材料彈性模量彈性模量500.511.5212鋼鋁合金鈦合金玻璃纖維復(fù)合材料高模碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料高模石墨纖維/環(huán)氧復(fù)合材料有機(jī)纖維/環(huán)氧復(fù)合材料硼纖維/環(huán)氧復(fù)合材料硼纖維/鋁復(fù)合材料比強(qiáng)度比強(qiáng)度比模量比模量6 高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料以其典型的高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料以其典型的輕量輕量特性，特性，卓越的卓越的比強(qiáng)度比強(qiáng)度、比模量比模量，獨(dú)特的，獨(dú)特的耐燒蝕和隱蔽性耐燒蝕和隱蔽性、材料性能的材料性能的可設(shè)計(jì)性可設(shè)計(jì)性、制備的、制

3、備的靈活性和易加工性靈活性和易加工性等等受到世界各國(guó)的青睞。受到世界各國(guó)的青睞。 采用復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)的輕量化，從而采用復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)的輕量化，從而提高快速反應(yīng)能力，并在高威力、大射程、精確打提高快速反應(yīng)能力，并在高威力、大射程、精確打擊等方面起到巨大作用，尤其在以航空為主的國(guó)防擊等方面起到巨大作用，尤其在以航空為主的國(guó)防工業(yè)已得到普遍應(yīng)用。目前采用復(fù)合材料制造的零、工業(yè)已得到普遍應(yīng)用。目前采用復(fù)合材料制造的零、部件現(xiàn)已成為航空、航天、兵器、船舶等國(guó)防產(chǎn)品部件現(xiàn)已成為航空、航天、兵器、船舶等國(guó)防產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要組成部分。結(jié)構(gòu)的主要組成部分。2、樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用 在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

4、 在民機(jī)上的應(yīng)用 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用 在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用量飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用量是飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志是飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志F22 25%F35 35%EF2000 40%F16 2%2.1在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用Tiger 80%V-22 50% 全球全球鷹（鷹（Global HawkGlobal Hawk） 捕食者捕食者( (P Predatorredator） 暗星（暗星（Dark StarDark Star） 先鋒（先鋒（P Pioneerioneer） 搜索者（搜索者（SearcherSearcher）X-45C 90%P Predatorredator 為滿足新一代戰(zhàn)斗機(jī)

5、高機(jī)動(dòng)性、超音速巡航及隱身的要求，進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，美國(guó)戰(zhàn)機(jī)無(wú)一例外的大量采用了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，用量一般都在20%以上，有的甚至達(dá)到35%，結(jié)構(gòu)減重效率達(dá)30%。復(fù)合材料應(yīng)用部件幾乎遍布飛機(jī)的基體，包括垂直尾翼、水平尾翼、機(jī)身蒙皮以及機(jī)翼的壁板和蒙皮等。圖1給出了戰(zhàn)斗機(jī)典型的復(fù)合材料部件。圖1 戰(zhàn)斗機(jī)上典型的復(fù)合材料部件F-18戰(zhàn)斗機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)15F-18是一種艦載戰(zhàn)斗機(jī)，綽號(hào) “大黃蜂”162.2 在民機(jī)上的應(yīng)用 因?yàn)椴牧系倪x擇將直接影響到飛機(jī)的購(gòu)買費(fèi)用（原材料費(fèi)用和加工成本）、燃油費(fèi)用（飛機(jī)重量）和維護(hù)費(fèi)用（檢查和維修），所以在民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)材料的選擇非常關(guān)鍵。圖2 給出了典型的

6、民用飛機(jī)直接運(yùn)營(yíng)成本的分解情況，從圖中可以看出，民機(jī)的選材將直接影響民機(jī)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。師姐表明，用樹(shù)脂基復(fù)合材料制造飛機(jī)部件比傳統(tǒng)航空材料通常減重20%-30%,使用和維護(hù)成本比金屬材料低15%-25%。圖2 飛機(jī)運(yùn)營(yíng)成本分解圖 除了費(fèi)用以外，安全因素也是民用飛機(jī)設(shè)計(jì)選材時(shí)必須考慮的重要因素，任何一種新材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用都是漫長(zhǎng)的（常為5-10年）和昂貴的（為常用材料的1-5倍）。但是，航空安全對(duì)材料性能的苛刻要求又促使先進(jìn)材料的發(fā)展，迫使工業(yè)界采取最先進(jìn)的制造技術(shù)來(lái)提高材料的性能和降低成本。 民用飛機(jī)中復(fù)合材料部件的使用率一直在不斷增加。u民機(jī)應(yīng)用 復(fù)合材料22% Glare 3% 鋁61

7、% 鈦和鋼 10% 其他5% 2122Carbon laminateCarbon sandwichFiberglassAluminumAluminum/steel/titanium pylonsComposites50%Titanium15%Other5%Steel10%Aluminum20%Primary Structure Weight by Material機(jī)機(jī)身身結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)機(jī)機(jī)翼翼結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)Boeing787 Boeing787 第一個(gè)全尺寸復(fù)合材料機(jī)身段，長(zhǎng)第一個(gè)全尺寸復(fù)合材料機(jī)身段，長(zhǎng)7m 7m 寬寬6m6m，減重，減重20%20%機(jī)翼結(jié)構(gòu)中央翼盒中央翼盒 5%Titanium 15%

8、Aluminium 15%Steel 65%Composites 15%Steel 65%Aluminium 15%CompositesTitanium 5%2000年年 2020年（預(yù)測(cè)年（預(yù)測(cè)）飛機(jī)飛機(jī)機(jī)體機(jī)體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)材料材料2.3 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用 隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提高，特別是質(zhì)量不斷減輕，在依靠整體葉盤、整體葉環(huán)、空心葉片和對(duì)轉(zhuǎn)渦輪等新穎結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還將越來(lái)越多的依賴于高比強(qiáng)度、低密度、高剛度和耐高溫能力強(qiáng)的先進(jìn)復(fù)合材料，見(jiàn)圖3。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)積累，航空發(fā)動(dòng)機(jī)上越來(lái)越多的部件采用復(fù)合材料部件，而且各國(guó)紛紛都向這個(gè)方向努力。圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)主體材料用量的變化趨勢(shì)2.4 在衛(wèi)星

9、結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 樹(shù)脂基復(fù)合材料在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的部位一般歸納為4類： 1）衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)，包括衛(wèi)星外殼、中心承力筒、各種儀器安裝結(jié)構(gòu)板； 2）太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu)，包括太陽(yáng)電池基板和連接架； 3）天線結(jié)構(gòu)，包括反射器、支撐結(jié)構(gòu)和饋源結(jié)構(gòu)； 4）桁架結(jié)構(gòu)，包括接頭和桿件等。 上述4類衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部件廣泛應(yīng)用樹(shù)脂基復(fù)合材料，主要有碳/環(huán)氧復(fù)合材料、凱芙拉/環(huán)氧復(fù)合材料和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件等，在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中基本應(yīng)用情況見(jiàn)圖4。圖4 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意圖3、結(jié)語(yǔ) 先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用是技術(shù)推動(dòng)和需求牽引雙重作用下的結(jié)果。一方面隨著材料性能提高、工藝改進(jìn)、成本降低等方面取得重大進(jìn)展，先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用更加廣泛，從而提高了軍民用飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)