先進(jìn)材料在飛機(jī)上的應(yīng)用

1、天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論文）論文題目：先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用與發(fā)展 系（部）: 航器系 專 業(yè): 飛機(jī)制造（機(jī)電一體化） 班 級(jí)： 13飛機(jī)2班 姓 名： 趙佳偉 學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師： 丁娜仁花 ( 2015 年 4月 )航空航天與汽車學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要本論文主要闡述了先進(jìn)材料在飛機(jī)上的應(yīng)用。首先介紹了先進(jìn)材料的分類及其特點(diǎn)；其次對(duì)先進(jìn)材料在飛機(jī)上的應(yīng)用作了說(shuō)明；在各章節(jié)列舉例子（A380客機(jī)）上的先進(jìn)材料進(jìn)行了了具體分析。關(guān)鍵詞：先進(jìn)材料的分類、先進(jìn)材料在飛機(jī)上的應(yīng)用（新型且先進(jìn)的金屬材料、復(fù)合材料）、先進(jìn)材料的加工技術(shù)（GLARE 技術(shù)、

2、激光焊技術(shù)）、舉例A380客機(jī)上的新型材料分析。AbstractThis paper mainly expounds the advanced materials in the plane of the application. Firstly introduces the classification of advanced materials and its characteristics, Second of advanced materials in the plane of the application are explained; In every chapter enumera

3、ted example (A380) of the advanced materials how concrete analysis.Key words:Advanced materials classification, advanced materials in the plane of the application (new and advanced metal materials, composite materials), advanced materials processing technology (sure technology, laser welding technol

4、ogy), for example A380 of new material analysis.目錄第一章 .先進(jìn)材料在上的應(yīng)用. . . . . . . . . . . . . . . . .5 1.1先進(jìn)材料的概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1.2傳統(tǒng)飛機(jī)的材料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 1.3現(xiàn)代飛機(jī)上的新型材料. . . . . . . . . . . . . . . . . 6第二章.新型且先進(jìn)的金屬材料. . . . . . . . . . . . . . . . . .

5、72.1高溫合金. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2鋁合金 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3鈦合金. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102.4.超高強(qiáng)度鋼. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112.5新型且先進(jìn)的金屬材料在飛機(jī)上的應(yīng)用. . . . . . . . . .12第三章.復(fù)合材料. . . . . . . . . . . . . . .

6、 . . . . . . . . .123.1復(fù)合材料的介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123.2復(fù)合材料的分類. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133.3樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展史. . . . . . . . . . . . . . . . .143.4 先進(jìn)復(fù)合材料工業(yè)上通常使用環(huán)氧樹脂的品種、性能和特性 .153.5復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153.5.1應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料可以顯著提高戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)性

7、能. . . . .153.5.2應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料可以明顯增大軍用運(yùn)輸機(jī)有效載重量. . 16 3.5.3應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料是高超聲速飛行器能否上天的關(guān)鍵因素16 35.4應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料能大幅增加無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)載油量. . . .173.5.5應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料可以極大提升民用飛機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力. . .173.5.6應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料在減重的同時(shí)改善了直升機(jī)抗墜毀性 .173.5.7先進(jìn)復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上也得到成功應(yīng)用. . . . .193.5.8 先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)用復(fù)合材料樹脂基體. . . . . . . . . . .203.5.9飛機(jī)結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件用的高性能環(huán)氧樹脂復(fù)合材料. . . .20 3.

8、5.10民用大飛機(jī)復(fù)合材料. . . . . . . . . . . . . . . .21 3.5。11國(guó)內(nèi)大飛機(jī)復(fù)合材料現(xiàn)狀. . . . . . . . . . . . . . .233.5.12國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的軟肋還是技術(shù)問(wèn)題. . . . . . . . . . .24第四章.先進(jìn)材料的加工技術(shù) . . . . . . . . . . . . . . . . . .274.1先進(jìn)材料的加工技術(shù)的介紹. . . . . . . . . . . . . . . 274.2先進(jìn)材料的加工技術(shù)的分類. . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2.1GLARE 技術(shù). .

9、 . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 4.2.2.激光焊技術(shù). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29第五章 結(jié)論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31結(jié)束語(yǔ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32謝辭 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33參考文獻(xiàn) . . . . . . . . .

10、 . . . . . . . . . . . . . . . . . .34第一章 先進(jìn)材料在飛機(jī)上的應(yīng)用1.1先進(jìn)材料的概述 飛機(jī)的壽命要達(dá)到40-50年，因此必須選用先進(jìn)且新型材料和工藝技術(shù)，為未來(lái)飛機(jī)搭建技術(shù)平臺(tái)。這些技術(shù)不僅經(jīng)過(guò)了大量全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證而且經(jīng)過(guò)了航空公司維修專家的評(píng)審（符合檢查和維修標(biāo)準(zhǔn)）。 A380結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（圖1）。重復(fù)的拉伸載荷加上載荷的變化將會(huì)在金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生微小的疲勞裂紋。裂紋增長(zhǎng)速度以及殘余強(qiáng)度（當(dāng)裂紋產(chǎn)生時(shí)）將指導(dǎo)選擇何種材料。為了防止結(jié)構(gòu)由外物損傷，需要考慮材料的損傷容限性能。 圖1 A380機(jī)身及尾翼結(jié)構(gòu)的一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則壓力載荷需要考慮采用屈服強(qiáng)度和剛

11、度好的材料，以增加穩(wěn)定性?？垢g能力是選擇材料和工藝的另一個(gè)重要準(zhǔn)則，尤其是在機(jī)身下部。選擇材料和工藝目標(biāo)的一部分是使結(jié)構(gòu)輕量化。因此，復(fù)合材料是很好的選擇，但必須了解設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和維修需要。材料的選擇不僅僅是考慮設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)還要考慮生產(chǎn)成本和采購(gòu)問(wèn)題。 1 .2 傳統(tǒng)的飛機(jī)材料 飛機(jī)材料的范圍較廣，分為機(jī)體材料（包括結(jié)構(gòu)材料和非結(jié)構(gòu)材料）、發(fā)動(dòng)機(jī)材料和涂料，其中最主要的是機(jī)體結(jié)構(gòu)材料和發(fā)動(dòng)機(jī)材料。 非結(jié)構(gòu)材料包括：透明材料，艙內(nèi)設(shè)施和裝飾材料，液壓、空調(diào)等系統(tǒng)用的附件和管道材料，天線罩和電磁材料，輪胎材料等。 非結(jié)構(gòu)材料量少而品種多，有：玻璃、塑料、紡織品、橡膠、鋁合金、鎂合金、銅合金和不銹鋼

12、等。1.3 現(xiàn)代飛機(jī)上的新型材料機(jī)翼是飛機(jī)的主要部件，早期的低速飛機(jī)的機(jī)翼為木結(jié)構(gòu)，用布作蒙皮。這種機(jī)翼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，氣動(dòng)效率差，早已被金屬機(jī)翼所取代。機(jī)翼內(nèi)部的梁是機(jī)翼的主要受力件，一般采用超硬鋁和鋼或鈦合金；翼梁與機(jī)身的接頭部分采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。機(jī)翼蒙皮因上下翼面的受力情況不同，分別采用抗壓性能好的超硬鋁及抗拉和疲勞性能好的硬鋁。為了減輕重量，機(jī)翼的前后緣常采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料（玻璃鋼）或鋁蜂窩夾層（芯）結(jié)構(gòu)。尾翼結(jié)構(gòu)材料一般采用超硬鋁。有時(shí)殲擊機(jī)選用硼或碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料，以減輕尾部重量，提高作戰(zhàn)性能。尾翼上的方向舵和升降舵采用硬鋁。 飛機(jī)在高空飛行時(shí)，機(jī)身增壓座艙承受內(nèi)壓力，需要采用抗

13、拉強(qiáng)度高、耐疲勞的硬鋁作蒙皮材料。機(jī)身隔框一般采用超硬鋁，承受較大載荷的加強(qiáng)框采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼或鈦合金。很多飛機(jī)的機(jī)載雷達(dá)裝在機(jī)身頭部，一般采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料做成的頭錐將它罩住以便能透過(guò)電磁波。駕駛艙的座艙蓋和風(fēng)擋玻璃采用丙烯酸酯透明塑料（有機(jī)玻璃）。飛機(jī)在著陸時(shí)主起落架要在一瞬間承受幾百千牛乃至幾兆牛（幾十噸力至幾百噸力）的撞擊力，因此必須采用沖擊韌性好的超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。前起落架受力較小，通常采用普通合金鋼或超硬鋁。從60年代末期開始，在飛機(jī)上使用的復(fù)合材料，已由當(dāng)初只應(yīng)用于口蓋和艙門等非承力構(gòu)件，逐步擴(kuò)大應(yīng)用到減速板和尾翼等次承力構(gòu)件，而且正向用于機(jī)翼甚至前機(jī)身等主承力構(gòu)件的方向發(fā)展。另

14、外，為提高突防攻擊能力、不被敵方雷達(dá)捕獲，已在飛機(jī)上采用吸波材料.第二章 新型且先進(jìn)的金屬材料金屬材料基本概念2.1.高溫合金 高溫合金是為了滿足噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的苛刻要求而研制的，至今已成為軍用和民用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。目前，在先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫合金用量所占比例已高達(dá)50%以上。高溫合金的發(fā)展與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步密切相關(guān)，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件渦輪盤、渦輪葉片材料和制造工藝是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要標(biāo)志。由于對(duì)材料的耐高溫性能和應(yīng)力承受能力提出很高要求，早期英國(guó)研制了Ni3(Al、Ti)強(qiáng)化的Nimonic80合金，用作渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片材料，同時(shí)，又相繼發(fā)展了

15、Nimonic系列合金。美國(guó)開發(fā)了含鋁、鈦的彌散強(qiáng)化型鎳基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金屬公司分別開發(fā)出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。在高溫合金發(fā)展過(guò)程中，制造工藝對(duì)合金的發(fā)展起著極大的推進(jìn)作用。由于真空熔煉技術(shù)的出現(xiàn)，合金中有害雜質(zhì)和氣體的去除，特別是合金成分的精確控制，使高溫合金性能不斷提高。隨后，定向凝固、單晶生長(zhǎng)、粉末冶金、機(jī)械合金化、陶瓷型芯、陶瓷過(guò)濾、等溫鍛造等新型工藝的研究成功，推動(dòng)了高溫合金的迅猛發(fā)展。其中定向凝固技術(shù)最為突出，采用定向凝固工藝制出的定向、單晶合金，其使用溫度接近初熔點(diǎn)的90%。因此，目前各國(guó)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片都采用定向、單晶合金制造

16、渦輪葉片。從國(guó)際范圍來(lái)看，鎳基鑄造高溫合金已形成等軸晶、定向凝固柱晶和單晶合金體系。粉末高溫合金也由第一代650發(fā)展到750、850粉末渦輪盤和雙性能粉末盤，用于先進(jìn)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)。我國(guó)高溫合金隨航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展研制和生產(chǎn)需求而發(fā)展。我國(guó)高溫合金的創(chuàng)業(yè)和起步于20世紀(jì)70年代前，由于我國(guó)第一、二代發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，我國(guó)研制和發(fā)展了GH系列的變形高溫合金以及K 系列的鑄造高溫合金，同時(shí)發(fā)展了許多新的制造技術(shù)，如真空熔煉和鑄造、空心葉片鑄造、等溫鍛造等。70年代后，在高溫合金的研制中，我國(guó)引進(jìn)了歐美技術(shù)，按國(guó)外的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研制和生產(chǎn)，對(duì)材料的純潔度和綜合性能提出了更高要求，研制了高性能變形高溫合金、鑄

17、造高溫合金。尤其是 DZ系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的單晶合金的研究與發(fā)展，使我國(guó)高溫合金在生產(chǎn)工藝技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量控制上了一個(gè)新臺(tái)階。近幾年來(lái)，根據(jù)新型飛機(jī)的研制發(fā)展需求，我國(guó)高溫合金研發(fā)又進(jìn)入新階段。通過(guò)新材料、新工藝的發(fā)展和應(yīng)用，我國(guó)研制和生產(chǎn)了一系列高性能新合金。2.2.鋁合金 鋁合金的比強(qiáng)度和比剛度與鋼相似，但由于其密度較低，在同樣的強(qiáng)度水平下可提供截面更厚的材料，在受壓時(shí)的抗屈曲能力更佳，因此鋁合金成了經(jīng)典的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料。20世紀(jì)80年代末至90 年代中期，精密熱處理技術(shù)及合金成分精確控制等關(guān)鍵技術(shù)取得突破，第四代耐損傷鋁合金2524-T3和7150-T77研制成功，這是航空鋁合

18、金研究跨時(shí)代的進(jìn)步。傳統(tǒng)鋁合金因此完成了向高性能鋁合金的里程碑式大發(fā)展。在第四代鋁合金技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，鋁鋰合金也被運(yùn)用在先進(jìn)的特大型民用飛機(jī)上。空客A380選用鋁鋰合金制造地板梁，空客A350選用鋁鋰合金制造機(jī)身蒙皮和地板結(jié)構(gòu)等，其用量預(yù)計(jì)高達(dá)總結(jié)構(gòu)重量的23%。第四代鋁合金技術(shù)研制成功之后，國(guó)際上正在進(jìn)行低成本鋁合金的研制開發(fā)工作。下面從A380選材的分布來(lái)看一下（圖2）. 鋁合金占的比重最大，達(dá)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的61%，因此要實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)，必須開發(fā)創(chuàng)新的鋁合金材料和工藝技術(shù)，具體是提高強(qiáng)度和損傷容限，加強(qiáng)穩(wěn)定性并提高抗腐蝕能力。尤其是在A380機(jī)翼部位（機(jī)翼的80%以上是鋁合金材料）要提高性能

19、。A380-800飛機(jī)在鋁合金結(jié)構(gòu)上取得的主要成就包括： 1.在機(jī)身壁板上引用了很寬的鈑金材料，減少了連接件從而減輕了重量在主地板橫梁上采用了先進(jìn)的鋁鋰合金擠壓件，在這一部位的應(yīng)用可與碳纖維增強(qiáng)塑料相媲美。2.在機(jī)翼大梁和翼肋上選擇了新型7085合金，這種合金在很薄的板材和很大鍛件上性能優(yōu)于通常的高強(qiáng)度合金；鈦合金由于具有高強(qiáng)度、低密度，高損傷容限和抗腐蝕能力使其代替鋼而廣泛應(yīng)用，但是它的高價(jià)格使其應(yīng)用受到限制。在A380的結(jié)構(gòu)中，鈦合金用量較空中客車其它機(jī)型有所增加，達(dá)到10%。僅僅掛架和起落架的鈦合金用量就增加了2%。 3.A380掛架的主要結(jié)構(gòu)是空中客車公司第一次采用全鈦設(shè)計(jì)。在A380

20、飛機(jī)上采用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V，在B退火狀態(tài)下最大的斷裂韌性和最小的裂紋增長(zhǎng)速度。 4.在A380上第一次采用了新型鈦合金VST55531，這種新的鈦合金是空中客車公司與俄羅斯制造商共同開發(fā)的，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供良好的斷裂韌性和高強(qiáng)度綜合性能。這種合金目前用于A380飛機(jī)的機(jī)翼和掛架之間的連接件，進(jìn)一步的應(yīng)用還在研究當(dāng)中。2.3.鈦合金 鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好和耐高溫等一系列優(yōu)點(diǎn)，能夠進(jìn)行各種方式的零件成形、焊接和機(jī)械加工，因而在先進(jìn)飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得了廣泛應(yīng)用。當(dāng)今，鈦合金用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的百分比已成為衡量飛機(jī)用材先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一。鈦合金占F-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)重

21、量的39%。鈦合金在國(guó)外民用飛機(jī)上的用量也隨飛機(jī)設(shè)計(jì)和性能水平的提高而不斷增加。鋁合金所能承受的溫度載荷有限，20世紀(jì)70年代，航空材料進(jìn)入鈦合金時(shí)代。由于鈦合金成形及切削加工非常困難、與某些化學(xué)品接觸時(shí)性能會(huì)發(fā)生變化等特點(diǎn)，各飛機(jī)制造公司為鈦合金材料的研制付出巨大努力。首先.飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金材料。高損傷容限性能是新一代戰(zhàn)斗機(jī)(包括高推比發(fā)動(dòng)機(jī))長(zhǎng)壽命、高機(jī)動(dòng)性、低成本和損傷容限設(shè)計(jì)需要的重要材料性能指標(biāo)。美國(guó)率先把破損安全設(shè)計(jì)概念和損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則成功應(yīng)用在先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機(jī)大量采用損傷容限型鈦合金及其大型整體構(gòu)件，以滿足高減重和長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)需求。Ti-6Al-4V ELI在美國(guó)C-

22、17軍用運(yùn)輸機(jī)上的特大型鍛件上得到重要應(yīng)用，高強(qiáng)度鈦合金Ti-6-22-22S也在C-17飛機(jī)上的水平尾翼接頭(轉(zhuǎn)軸)等關(guān)鍵部位上得到應(yīng)用。這兩種鈦合金的使用，使大型運(yùn)輸機(jī)的壽命高達(dá)60000 飛行小時(shí)以上。在歐洲，空客A380是首架全鈦掛架的飛機(jī)，未來(lái)的A350也將采用全鈦掛架。第二.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫鈦合金高溫鈦合金主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片、盤和機(jī)匣等零件，這些零件要求材料在高溫工作條件下(300600)具有較高的比強(qiáng)度、高溫蠕變抗力、疲勞強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，高壓壓氣機(jī)出口溫度升高導(dǎo)致高溫鈦合金葉片和盤的工作溫度不斷升高。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，固溶強(qiáng)化

23、型的高溫鈦合金最高工作溫度由350提高到了600。我國(guó)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的工作溫度在400以下的高溫鈦合金主要有 TC4和TC6，應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度較低的風(fēng)扇葉片和壓氣機(jī)第1、2級(jí)葉片。500左右工作的高溫鈦合金有TC11、TA15和TA7合金，其中 TC11是我國(guó)目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)上用量最大的鈦合金。單純采用固溶強(qiáng)化的鈦合金難以滿足600以上溫度環(huán)境對(duì)蠕變抗力和強(qiáng)度的要求。有序強(qiáng)化的鈦-鋁系金屬間化合物因其高比強(qiáng)度、比剛度、高蠕變抗力、優(yōu)異的抗氧化和阻燃性能，而成為600以上溫度非常有使用潛力的候選材料，其中 Ti3Al基合金長(zhǎng)期工作溫度在650左右，而TiAl基合金工作溫度可達(dá)760800。

24、2.4.超高強(qiáng)度鋼 超高強(qiáng)度鋼作為起落架材料應(yīng)用在飛機(jī)上。第二代飛機(jī)采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A鋼，抗拉強(qiáng)度為1700MPa，這種起落架的壽命較短，約2000飛行小時(shí)。第三代戰(zhàn)機(jī)設(shè)計(jì)要起落架求壽命超過(guò)5000飛行小時(shí)，同時(shí)由于機(jī)載設(shè)備增多，飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)下降，對(duì)起落架選材和制造技術(shù)提出更高要求。美國(guó)和我國(guó)的第三代戰(zhàn)機(jī)均采用300M鋼(抗拉強(qiáng)度1950MPa)起落架制造技術(shù)。應(yīng)該指出的是，材料應(yīng)用技術(shù)水平的提高也在推動(dòng)起落架壽命的進(jìn)一步延長(zhǎng)和適應(yīng)性的擴(kuò)大。如空客A380飛機(jī)起落架采用了超大型整體鍛件鍛造技術(shù)、新型氣氛保護(hù)熱處理技術(shù)和高速火焰噴涂技術(shù)，使得起落架壽命滿足設(shè)計(jì)要求。由

25、此，新材料和制造技術(shù)的進(jìn)步確保了飛機(jī)的更新?lián)Q代。2.5新型且先進(jìn)的金屬材料在飛機(jī)上的應(yīng)用飛機(jī)在耐腐蝕環(huán)境中的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)對(duì)材料提出了更高要求，AerMet100鋼較300M鋼而言，強(qiáng)度級(jí)別相當(dāng)，而耐一般腐蝕性能和耐應(yīng)力腐蝕性能明顯優(yōu)于300M鋼，與之相配套的起落架制造技術(shù)已應(yīng)用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先進(jìn)飛機(jī)上。更高強(qiáng)度的Aermet310鋼斷裂韌性較低，正在研究中。損傷容限超高強(qiáng)度鋼AF1410的裂紋擴(kuò)展速率極慢，用作B-1飛機(jī)機(jī)翼作動(dòng)筒接頭，比Ti-6Al-4V減重10.6%，加工性能提高60%，成本降低 30.3%。俄羅斯米格1.42上高強(qiáng)度不銹鋼用量高達(dá)30%。PH13

26、-8Mo是唯一的高強(qiáng)度馬氏體沉淀硬化不銹鋼，廣泛用作耐蝕構(gòu)件。國(guó)內(nèi)探索超高強(qiáng)度不銹鋼取得初步效果。國(guó)外還發(fā)展了超高強(qiáng)度齒輪(軸承)鋼，如CSS-42L、GearmetC69等，并在發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)和宇航中試用。國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)傳動(dòng)材料技術(shù)十分落后，北京航空材料研究院已自主研究開發(fā)了一種超高強(qiáng)度軸承齒輪鋼。第三章 .復(fù)合材料 復(fù)合材料與金屬、高聚物、陶瓷并稱為四大材料。今天，一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的復(fù)合材料工業(yè)水平，已成為衡量其科技與經(jīng)濟(jì)實(shí)力的標(biāo)志之一。先進(jìn)復(fù)合材料是國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的源泉。到2020年，只有復(fù)合材料才有潛力獲得20-25%的性能提升。環(huán)氧樹脂是優(yōu)良的反應(yīng)固化型性樹脂。在纖

27、維增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域中，環(huán)氧樹脂大顯身手。它與高性能纖維:PAN基碳纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、玄武巖纖維、S或E玻璃纖維復(fù)合，便成為不可替代的重要的基體材料和結(jié)構(gòu)材料，廣泛運(yùn)用在電子電力、航天航空、運(yùn)動(dòng)器材、建筑補(bǔ)強(qiáng)、壓力管雄、化工防腐等六個(gè)領(lǐng)域。本文重點(diǎn)論述航空航天先進(jìn)樹脂基體復(fù)合材料的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及中國(guó)的技術(shù)軟肋問(wèn)題。3.1復(fù)合材料的分類復(fù)合材料是一種混合物。在很多領(lǐng)域都發(fā)揮了很大的作用，代替了很多傳統(tǒng)的材料。復(fù)合材料按其組成分為金屬與金屬?gòu)?fù)合材料、非金屬與金屬?gòu)?fù)合材料、非金屬與非金屬?gòu)?fù)合材料。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又分為：纖維復(fù)合材料。將各種纖維強(qiáng)體置于基體材料內(nèi)復(fù)合而成。如纖維增強(qiáng)塑料、纖維增強(qiáng)金

28、屬等。夾層復(fù)合材料。由性質(zhì)不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強(qiáng)度高、?。恍静馁|(zhì)輕、強(qiáng)度低，但具有一定剛度和厚度。分為實(shí)心夾層和蜂窩夾層兩種。細(xì)粒復(fù)合材料。將硬質(zhì)細(xì)粒均勻分布于基體中，如彌散強(qiáng)化合金、金屬陶瓷等?；祀s復(fù)合材料。由兩種或兩種以上增強(qiáng)相材料混雜于一種基體相材料中構(gòu)成。與普通單增強(qiáng)相復(fù)合材料比，其沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內(nèi)混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內(nèi)層間混雜和超混雜復(fù)合材料。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、碳化硅纖維等）為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度大于4

29、15;106厘米（cm），比模量大于4×108cm。為了與第一代玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(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。按基體材料不同，先進(jìn)復(fù)合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。其使用溫度分別達(dá)250350、3501200和1200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)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)境變化的功能復(fù)合材料）、仿生復(fù)合材料、隱身復(fù)合材料等。表1對(duì)一些材料的性能進(jìn)行了比較。表1 各種纖維材料性能比較 性 能拉伸強(qiáng)度/MPa拉伸模量/GPa密度/

30、(g/cm3)比模量×109/cm比強(qiáng)度×107/cm產(chǎn)地30CrMnSi11002057.80.260.14-S-玻璃纖維3200852.50.341.28-F12有機(jī)纖維43001451.441.002.99俄羅斯IM6碳纖維52002761.71.623.06美 國(guó)IM9碳纖維63432902.01.453.17P30碳纖維40002101.761.192.27日 本T700碳纖維48002301.801.282.67T800碳纖維54902941.801.623.03 由表1可見(jiàn)，僅玻璃纖維就比金屬材料的比強(qiáng)度、比模量分別提高了540%、31%，碳纖維的提高則更為顯

31、著。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，由鍵能和鍵密度計(jì)算得出的單晶石墨理論強(qiáng)度高達(dá)150GPa1。因此碳纖維的進(jìn)一步開發(fā)潛力是十分巨大的。日本東麗公司的近期目標(biāo)是使碳纖維抗拉強(qiáng)度達(dá)到8.5 GPa、模量730 GPa。毋庸置言，碳纖維仍將是今后固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和噴管的主要材料。 開發(fā)碳纖維復(fù)合材料的其他應(yīng)用大有作為，如飛機(jī)及高速列車剎車系統(tǒng)、民用飛機(jī)及汽車復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件、高性能碳纖維軸承、風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型葉片、體育運(yùn)動(dòng)器材(如滑雪板、球拍、漁桿)等。隨著碳纖維生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)成本的逐步下降，在增強(qiáng)混凝土、新型取暖裝置、新型電極材料乃至日常生活用品中的應(yīng)用也必將迅速擴(kuò)大24。我國(guó)為配合北京奧運(yùn)會(huì),擬大力開發(fā)新型C

32、FRP建材及與環(huán)保，日用消費(fèi)品相關(guān)的高科技CFRP新市場(chǎng)5。 3.3復(fù)合材料的發(fā)展史 樹脂基復(fù)合材料（Resin Matrix Composite）也稱纖維增強(qiáng)塑料（Fiber Reinforced Plastics），是技術(shù)比較成熟且應(yīng)用最為廣泛的一類復(fù)合材料。這種材料是用短切的或連續(xù)纖維及其織物增強(qiáng)熱固性或熱塑性樹脂基體，經(jīng)復(fù)合而成。以玻璃纖維作為增強(qiáng)相的樹脂基復(fù)合材料在世界范圍內(nèi)已形成了產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)不科學(xué)地俗稱為玻璃鋼 。樹脂基復(fù)合材料于1932年在美國(guó)出現(xiàn)，1940年以手糊成型制成了玻璃纖維增強(qiáng)聚酯的軍用飛機(jī)的雷達(dá)罩，其后不久，美國(guó)萊特空軍發(fā)展中心設(shè)計(jì)制造了一架以玻璃纖維增強(qiáng)樹脂為機(jī)身

33、和機(jī)翼的飛機(jī)，并于1944年3月在萊特-帕特空軍基地試飛成功。1946年纖維纏繞成型技術(shù)在美國(guó)出現(xiàn)，為纖維纏繞壓力容器的制造提供了技術(shù)貯備。1949年研究成功玻璃纖維預(yù)混料并制出了表面光潔，尺寸、形狀準(zhǔn)確的復(fù)合材料模壓件。1950年真空袋和壓力袋成型工藝研究成功，并制成直升飛機(jī)的螺旋槳。60年代在美國(guó)利用纖維纏繞技術(shù)，制造出北極星、土星等大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體，為航天技術(shù)開辟了輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)的最佳途徑。在此期間，玻璃纖維-聚酯樹脂噴射成型技術(shù)得到了應(yīng)用，使手糊工藝的質(zhì)量和生產(chǎn)效率大為提高。1961年片狀模塑料（Sheet Molding Compound, 簡(jiǎn)稱SMC）在法國(guó)問(wèn)世，利用這種技術(shù)

34、可制出大幅面表面光潔，尺寸、形狀穩(wěn)定的制品，如汽車、船的殼體以及衛(wèi)生潔具等大型制件，從而更擴(kuò)大了樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。1963年前后在美、法、日等國(guó)先后開發(fā)了高產(chǎn)量、大幅寬、連續(xù)生產(chǎn)的玻璃纖維復(fù)合材料板材生產(chǎn)線，使復(fù)合材料制品形成了規(guī)?；a(chǎn)。拉擠成型工藝的研究始于50年代，60年代中期實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化生產(chǎn)，在70年代拉擠技術(shù)又有了重大的突破。在70年代樹脂反應(yīng)注射成型（Reaction Injection Molding, 簡(jiǎn)稱RIM）和增強(qiáng)樹脂反應(yīng)注射成型（Reinforced Reaction Injection Molding, 簡(jiǎn)稱RRIM）兩種技術(shù)研究成功，現(xiàn)已大量用于衛(wèi)生潔具和汽

35、車的零件生產(chǎn)。1972年美國(guó)PPG公司研究成功熱塑性片狀模型料成型技術(shù)，1975年投入生產(chǎn)。80年代又發(fā)展了離心澆鑄成型法，英國(guó)曾使用這種工藝生產(chǎn)10m長(zhǎng)的復(fù)合材料電線桿、大口徑受外壓的管道等。從上述可知，新生產(chǎn)工藝的不斷出現(xiàn)推動(dòng)著聚合物復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展。樹脂的局面，人們一方面不斷開辟玻纖-樹脂復(fù)合材料的新用途，同時(shí)也開發(fā)了一批如碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能增強(qiáng)材料，并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷為基體，制成先進(jìn)復(fù)合材料（Advanced Composite Materials, 簡(jiǎn)稱ACM）。這種先進(jìn)復(fù)合材料具有比玻璃纖維復(fù)合材料更好的性能，是用

36、于飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。自從先進(jìn)復(fù)合材料投入應(yīng)用以來(lái)，有三件值得一提的成果。第一件是美國(guó)全部用碳纖維復(fù)合材料制成一架八座商用飛機(jī)-里爾芳2100號(hào)，并試飛成功。第二件是采用大量先進(jìn)復(fù)合材料制成的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)，這架航天飛機(jī)用碳纖維/環(huán)氧樹脂制作長(zhǎng)18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂制造各種壓力容器。在這架代表近代最尖端技術(shù)成果的航天收音機(jī)上使用了樹脂、金屬和陶瓷基復(fù)合材料。第三件是使用了先進(jìn)復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)，制造了這架可載80人的波音-767大型客運(yùn)飛機(jī)，不僅減輕了重量，還提高了飛機(jī)的各種飛行性能。復(fù)合材料在這幾個(gè)飛行器上的成功應(yīng)用，表

37、明了復(fù)合材料的良好性能和技術(shù)的成熟，這對(duì)于復(fù)合材料在重要工程結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用是一個(gè)極大的推動(dòng)。3.5復(fù)合材料的應(yīng)用隨著先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料及其加工技術(shù)的快速進(jìn)步，在飛機(jī)制造領(lǐng)域，新型飛機(jī)設(shè)計(jì)開始越來(lái)越多地采用先進(jìn)復(fù)合材料，在纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）成為通用材料的同時(shí)，全鋁材承力結(jié)構(gòu)正漸漸失寵。在高油價(jià)時(shí)代，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)輕巧、維修費(fèi)用低廉的優(yōu)勢(shì)極大地沖擊了鋁材承力結(jié)構(gòu)一統(tǒng)天下的局面。統(tǒng)計(jì)表明，2007年飛機(jī)上復(fù)合材料的用量，在總材料用量中所占比例已經(jīng)高達(dá)57%。預(yù)計(jì)未來(lái)10年這一數(shù)字將上升到69%。這是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比模、耐疲勞、多功能、各向異性和可設(shè)計(jì)性、材料與結(jié)構(gòu)的

38、同一性等優(yōu)異性能，自上世紀(jì)60年代年問(wèn)世以來(lái)，先進(jìn)復(fù)合材料很快獲得廣泛應(yīng)用，成為航空航天四大材料之一。下面就讓我們對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用情況和其優(yōu)異性能做一簡(jiǎn)要介紹。3.5.1應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料可以顯著提高戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)性能。 為滿足新一代戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)高機(jī)動(dòng)性、超音速巡航及隱身的要求，進(jìn)入90年代后，西方的戰(zhàn)斗機(jī)無(wú)一例外的大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，用量一般都在25以上，有的甚至達(dá)到35，結(jié)構(gòu)減重效率達(dá)30。應(yīng)用部位幾乎遍布飛機(jī)的機(jī)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。如美國(guó)第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22復(fù)合材料用量已達(dá)到24%，而EF2000更高達(dá)43，EF2000除鴨翼外，機(jī)身、機(jī)翼、腹鰭、方向

39、舵都采用復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)的“濕潤(rùn)”表面的70為復(fù)合材料，陣風(fēng)也是如此，70的“濕潤(rùn)”表面為復(fù)合材料，約947kg之重。F-35的復(fù)合材料幾乎覆蓋了整個(gè)飛機(jī)外表面。3.5.2應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料可以明顯增大軍用運(yùn)輸機(jī)有效載重量。 C-17是上世紀(jì)先進(jìn)大型軍用運(yùn)輸機(jī)的典型代表，C-17是1986年設(shè)計(jì)的，限于當(dāng)時(shí)的水平，復(fù)合材料主要用于次要結(jié)構(gòu)，如雷達(dá)罩、整流罩、操縱面、口蓋、翼梢小翼蒙皮等，復(fù)合材料重約7258k，占該機(jī)結(jié)構(gòu)重量8.1%。樹脂基復(fù)合材料從非承力結(jié)構(gòu)發(fā)展到次承力構(gòu)件。在復(fù)合材料中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料約占結(jié)構(gòu)重量6%，玻璃纖維塑料、Kevlar纖維增強(qiáng)材料占2%。而歐洲EADS正在研究的A4

40、00M屬于新一代大型軍用運(yùn)輸機(jī)，在材料應(yīng)用技術(shù)上有了一個(gè)新的飛躍，主要表現(xiàn)為先進(jìn)復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的35%40%。與C-17不同的是，在A400M上，碳纖維復(fù)合材料用于一些主承力結(jié)構(gòu)，而C-17的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量比僅為8%，且主要用于操縱面及次要結(jié)構(gòu)。A400M的機(jī)身仍由傳統(tǒng)的鋁合金制成，但卻開創(chuàng)了采用碳纖維復(fù)合材料制造大型運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼的先河，機(jī)翼長(zhǎng)達(dá)19米，令業(yè)界頗為矚目。3.5.3應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料是高超聲速飛行器能否上天的關(guān)鍵因素。 高超聲速技術(shù)主要指研制高超聲速（Ma>5）飛行器所需的相關(guān)技術(shù)。近中期將采用的材料將包括陶瓷纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料、陶瓷及碳碳復(fù)合材料以及輕質(zhì)隔熱材料。

41、此外，發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)身將需要導(dǎo)熱率高的材料，如碳碳復(fù)合材料。更遠(yuǎn)的將來(lái)，將需要先進(jìn)型的材料，如鈹基復(fù)合材料之類的超輕材料以及纖維增強(qiáng)陶瓷之類超高溫材料。以NASA開發(fā)的第二代可重復(fù)使用航天飛機(jī)為例，油箱內(nèi)襯為復(fù)合材料。在推進(jìn)系統(tǒng)中將采用陶瓷基復(fù)合材料發(fā)射斜軌、金屬基復(fù)合材料機(jī)匣以及樹脂基復(fù)合材料涵道。此外還將采用復(fù)合材料電子設(shè)備艙。第三代可重復(fù)使用航天飛機(jī)將為一智能結(jié)構(gòu)，具有自適應(yīng)熱防護(hù)系統(tǒng)及智能化無(wú)損檢測(cè)裝置，自愈合的飛機(jī)結(jié)構(gòu)及表面。發(fā)動(dòng)機(jī)材料將可能使用經(jīng)冷卻的復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料加力燃燒室殼體、超高溫復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)材料將包括超高溫樹脂基復(fù)合材料、低成本耐腐蝕熱防護(hù)系統(tǒng)復(fù)合材料液氧油箱。美國(guó)

42、高超聲速飛行器X-43是由超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力裝置的驗(yàn)證機(jī)。其油箱/機(jī)身由石墨/環(huán)氧框架及蒙皮組成。蒙皮外再覆以熱防護(hù)系統(tǒng)。飛機(jī)上翼面熱防護(hù)層為可剪裁的先進(jìn)絕緣氈，下翼面為內(nèi)多層屏蔽絕緣物。后者是正處于開發(fā)中的防熱材料，由C/SiC外面板，中介陶瓷屏以及先進(jìn)聚酰亞胺泡沫內(nèi)襯。中介陶瓷屏覆以貴金屬以降低其熱輻射。機(jī)翼及垂尾由鈦基復(fù)合材料制成，并有一個(gè)由二硼化鋯制成的前緣。3.5.4應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料能大幅增加無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)載油量。 國(guó)外目前研制的無(wú)人機(jī)以復(fù)合材料和傳統(tǒng)鋁合金的混合結(jié)構(gòu)為主。如“捕食者”“全球鷹”等均是如此。其中“全球鷹”的機(jī)翼和尾翼由石墨/環(huán)氧復(fù)合材料制造，而機(jī)身仍采用傳統(tǒng)鋁合金，復(fù)合

43、材料占結(jié)構(gòu)重量的65%。 無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)是未來(lái)航空武器的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。為滿足采購(gòu)政策、隱身性能、機(jī)動(dòng)性、生存力對(duì)材料的特殊需求，為盡可能地降低結(jié)構(gòu)重量、提高燃油裝載量，無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是大量應(yīng)用復(fù)合材料。以波音公司的X-45A為例，除機(jī)身的龍骨、梁和隔框采用高速切削鋁合金外，其余的機(jī)體結(jié)構(gòu)都是由復(fù)合材料制成。諾斯羅普格魯門公司的X-47A的機(jī)體除一些接頭采用鋁合金外，整個(gè)機(jī)體幾乎全部采用了復(fù)合材料。3.5.5應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料可以極大提升民用飛機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 民用飛機(jī)方面，復(fù)合材料的使用對(duì)于增大客艙濕度進(jìn)而改善乘客的舒適度、降低油耗、易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)/艙內(nèi)材料的一體化、減少零部件數(shù)量、

44、簡(jiǎn)化系統(tǒng)安裝及縮短總裝時(shí)間等方面潛力巨大。波音、空客兩家大型民用客機(jī)制造商均將其視為實(shí)現(xiàn)新飛機(jī)機(jī)體減重及降低直接運(yùn)營(yíng)成本的有效途徑。如在新一代波音787飛機(jī)上，復(fù)合材料用量將達(dá)到50%，創(chuàng)大型客機(jī)復(fù)合材料的應(yīng)用記錄。歐洲空中客車公司在新近研制的A380型寬體客機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身結(jié)構(gòu)上均采用了先進(jìn)復(fù)合材料，用量已占結(jié)構(gòu)重量的25%，其中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料占22%，另采用了3%玻璃纖維增強(qiáng)的鋁合金層板復(fù)合材料Glare。在機(jī)翼前緣等處還采用了聚苯硫醚熱塑性復(fù)合材料。該公司目前正在研制的新一代客機(jī)A350，復(fù)合材料的應(yīng)用比例也將達(dá)到39%。3.5.6應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料在減重的同時(shí)很好地改善了直升機(jī)抗墜毀性

45、。 直升機(jī)采用復(fù)合材料不僅可減重，而且對(duì)于改善直升機(jī)抗墜毀性能意義重大，因而復(fù)合材料在直升機(jī)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用更廣、用量更大，不僅機(jī)身結(jié)構(gòu)，而且由槳葉和槳轂組成的升力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)也大量采用樹脂基復(fù)合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升機(jī)均大量采用了復(fù)合材料，如頃轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)V-22用復(fù)合材料近3000公斤，占結(jié)構(gòu)總重的45左右，法德合作研制的“虎”式武裝直升機(jī)，復(fù)合材料用量更高達(dá)77。為了適應(yīng)航空航天領(lǐng)域日益苛刻的要求，通用環(huán)氧樹脂已不能滿足要求，世界各國(guó)都在致力于開發(fā)各種高性能環(huán)氧樹脂，以便于開發(fā)同高性能增強(qiáng)材料（如芳綸、碳纖維等）相匹配的樹脂體系。性 能1#2#復(fù)合材料重量/Kg

46、5.890.263容積/L43.40.574內(nèi) 襯6061-T6(無(wú)縫)6061-T6(無(wú)縫)碳纖維T1000(R=6350MPa)T-40(R=5656MPa)樹 脂環(huán)氧/酸酐環(huán)氧/胺工作壓強(qiáng)/Mpa28.969爆破壓強(qiáng)/Mpa52.3128.0PV/W值/km38.528.2  表2 碳纖維纏繞壓力容器比較復(fù)合材料應(yīng)用部位材料及其應(yīng)用衛(wèi)星的太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu) 國(guó)際通信衛(wèi)星號(hào)、號(hào)、V號(hào)和號(hào)采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制作的蜂窩結(jié)構(gòu)面板。法國(guó)的電信1號(hào)和直播衛(wèi)星!德國(guó)直播衛(wèi)星、阿拉伯通信衛(wèi)星以及瑞典通信衛(wèi)星等的太陽(yáng)電池陣由3塊電池基板和連接架組成1個(gè)翼，內(nèi)含按±45

47、76;鋪疊、間距為3mm的石墨纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的網(wǎng)格板。飛行器的天線結(jié)構(gòu)美國(guó)的海盜號(hào)飛行器天線采用以碳纖維/環(huán)氧為面板的鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)ANIK-B、Intelsat-V、ERS-1等衛(wèi)星上使用了碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料導(dǎo)波和濾波器件衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)日本ETS-1衛(wèi)星的殼體采用了碳纖維復(fù)合材料國(guó)際空間站的桁架結(jié)構(gòu)美國(guó)為國(guó)際空間站所研制的桁架結(jié)構(gòu)，其管狀桿件為鍍鋁膜的石墨纖維/環(huán)氧復(fù)合材料：選用了三組復(fù)合材料，分別為P75/934Ep、T300Gv/934Ep和P75/Bp907 表3  國(guó)外復(fù)合材料在空間飛行器上的應(yīng)用情況3.5.7先進(jìn)復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上也得到成功應(yīng)用 航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用碳纖

48、維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料取代金屬材料可以有效減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，降低燃料消耗，增加航程。有資料報(bào)導(dǎo)，發(fā)動(dòng)機(jī)減輕1磅重量，從而使飛機(jī)可減輕1020磅重量。從70年代初，復(fù)合材料就成為TF39、F103特別是GE36UDF發(fā)動(dòng)機(jī)研制計(jì)劃的一部分，在這些發(fā)動(dòng)機(jī)上積累了經(jīng)驗(yàn)之后，在GE90的風(fēng)扇葉片上成功使用了高性能韌化環(huán)氧復(fù)合材料。此外，在F119風(fēng)扇機(jī)匣、遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣包容環(huán)及反推力裝置上也廣泛采用了樹脂基復(fù)合材料。近期開發(fā)的波音787的動(dòng)力裝置GEnx的風(fēng)扇機(jī)匣及風(fēng)扇葉片，將由碳纖維/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料制成。除減重外，復(fù)合材料還表現(xiàn)出良好的韌性及耐蝕性。至于陶瓷基復(fù)合材料等超高溫復(fù)合材料，目前已在

49、M88、F119等發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管等靜止件上獲得應(yīng)用。性能處理?xiàng)l件典型值彎曲強(qiáng)度/MPaA575拉伸強(qiáng)度/MPaA468沖擊強(qiáng)度/(kJ/m2)A169擊穿強(qiáng)度/(kV/mm)D-48/50+D-0.5/2040介電常數(shù)C-96/40/934.17介質(zhì)損耗因數(shù)C-96/40/930.0077吸水性/mgE-24/50+D-24/2313.6密 度/(g/cm3)A1.98Tg/(DSC)A257 表4  復(fù)合材料性能隨著飛行器向高空、高速、無(wú)人化、智能化、低成本化方向發(fā)展，復(fù)合材料的地位會(huì)越來(lái)越重要。國(guó)外預(yù)計(jì)，在下一代飛機(jī)上，復(fù)合材料將扮演主角，目前采用全復(fù)合材料飛行器的計(jì)劃正處于醞釀之

50、中。3.5.8 先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)用復(fù)合材料樹脂基體在Namcor公司研制的雙馬來(lái)酰亞胺樹脂系列中，以5250頗受重視。Rigidite 5250-2被美國(guó)YF-22戰(zhàn)斗機(jī)(即F22原型機(jī))所選用。525Q-4正式被F-22戰(zhàn)斗機(jī)型號(hào)接納。占F-22飛機(jī)結(jié)構(gòu)23.5%的先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，包括幾乎所有的外部蒙皮和某些框、梁和骨架，其基體材料是5250-4雙馬來(lái)酞亞胺樹脂，并以5050-4/A S-4體系為主，對(duì)要求高抗損傷的少數(shù)部位則采用5250-4/IM-7體系。Rigidite 5250-4是一種耐濕、抗沖擊、耐高溫的一種優(yōu)質(zhì)基體樹脂，其剛性和濕熱性能均優(yōu)于5245C。與其他樹脂體系一樣，許多復(fù)合材

51、料的力學(xué)性能、沖擊韌性與成型固化條件有關(guān)。按F-22飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料件實(shí)際成型所采用的規(guī)范所測(cè)數(shù)據(jù)均為吸濕后狀態(tài)，吸濕條件是在71水中浸泡2周，并于82下測(cè)定。碳纖維復(fù)合材料系5250-4/IM-7層壓板為由24層準(zhǔn)備向同性取向鋪迭而成，采用6.7kJ/m能量落錘沖擊，隨后壓縮直至破壞，試樣與試驗(yàn)按波音標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,固化條件為F-22復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件實(shí)際采用的固化規(guī)范，相對(duì)應(yīng)的沖擊壓縮強(qiáng)度(CAl)值為165MPa。拉伸強(qiáng)度/MPa拉伸模量/GPa斷裂應(yīng)變/%彎曲強(qiáng)度/MPa 彎曲應(yīng)變/%熱變形溫度/玻璃化轉(zhuǎn)變溫度/GIc/(J/m2)68.93.931.71523.8526032196.3

52、0; 表5  5250-4純樹脂性能5250-4純樹脂性能見(jiàn)表5。表5中樹脂的固化條件是177/6 h和隨后的227/12 h的后固化，從表中可見(jiàn)經(jīng)上述規(guī)范處理的樹脂其彈性模量高，剛性較好，熱變型溫度高、耐溫性好。5250-4復(fù)合材料的高溫性能非常突出。3.5.9 飛機(jī)結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件用的高性能環(huán)氧樹脂復(fù)合材料3.5.9.1 T-300/4211體系它是北京航空材料研究所和北京航空工藝研究所1984年研制成功的。4211環(huán)氧基體由648酚醛環(huán)氧樹脂和BF3·MEA組成。交聯(lián)密度大，彈性模量較高，耐熱性好，其突出優(yōu)點(diǎn)是有良好的工藝性，預(yù)浸料可在室溫下存放。缺點(diǎn)是脆性大，對(duì)濕熱敏感

53、。T-300/4211復(fù)合材料可在120以下使用。已用于幾種型號(hào)飛機(jī)的垂直安定面，飛機(jī)進(jìn)氣道外側(cè)壁板等。3.5.9.2 T-300/5208體系它是美國(guó)Narmco公司1972年研制成功的。5208基體由4，4-二氨基二苯甲烷四縮水甘油胺環(huán)氧樹脂(TGDDM)和4，4-二氨基二苯砜(DDS)組成。該體系的性能好，能在177(下使用，因而美國(guó)絕大多數(shù)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件都采用碳纖維和5208或5208同系樹脂體系制成。5208被稱為第一代樹脂基體。類似的體系還有美國(guó)Fiberite公司的934，美國(guó)Hercules公司的3501，(此二體系中加有BF3·MEA)，我國(guó)北京航空材料研究所的

54、5222，Hexcel公司的F263，日本東麗公司的3601，三菱公司的A401，東邦公司的1101等。所用的TGDDM樹脂有：Ciba公司的MY-720，Reichhold公司的37-106，日本的Epiclon 430，Glyamine 120，YH-343，ELM-434及我國(guó)上海合成樹脂研究所的AG-80等。這些牌號(hào)的TGDDM樹脂的平均相對(duì)分子質(zhì)量和極性不完全相同，因此在性能上也有些差異。T300/5208復(fù)合材料耐熱性及力學(xué)性能好，尤其是層剪性能優(yōu)異?？稍?55177使用。預(yù)浸料的鋪覆性好，使用期長(zhǎng)。其缺點(diǎn)是吸水性大，在濕熱條件下Tg、模量及壓縮強(qiáng)度下降嚴(yán)重；韌性差，復(fù)合材料90。

55、方向的延伸率小，層間剝離強(qiáng)度低，耐沖擊性能差，尤其是沖擊后壓縮強(qiáng)度CAI(Compression after impact)低，對(duì)缺口敏感性大，不能滿足飛機(jī)主受力結(jié)構(gòu)件的要求。T-300/934復(fù)合材料是波音公司廣泛用于民機(jī)上的環(huán)氧結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。為了提高基體的韌性達(dá)到主受力結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的要求，主要從以下幾方面進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)增加交聯(lián)點(diǎn)間的距離來(lái)增加固化物的延伸性，開發(fā)出了一些新型高韌性環(huán)氧樹脂和固化劑。但韌性的增加往往伴隨著耐熱性的降低。另一種方法是用橡膠增韌環(huán)氧樹脂。能顯著提高基體的韌性和CAI。但其耐熱性、耐濕熱性往往會(huì)下降。第三種方法是用熱塑性耐熱樹脂來(lái)增韌環(huán)氧樹脂。不僅能提高基體的韌性、

56、復(fù)合材料層間性能和CAI，同時(shí)其耐熱性不降低，甚至還有所增加。為了提高環(huán)氧樹脂與熱塑性樹脂的界面性能，可選用末端為氨基的聚醚砜和聚醚酮以及末端為環(huán)氧基的聚醚砜等。被稱為第二代樹脂體系。如BASF/Narmco公司的Rigidite X5255-3的CAI高達(dá)345MPa；Toray-Hexcel公司的3900-2/T800H的CAI為368MPa；ICI-Fiberite公司的977-1/IMT的CAI為348MPa；我國(guó)北京航空材料研究院研制的熱塑性樹脂增韌環(huán)氧樹脂復(fù)合材料T-300/5228和T800/5228的CAl分別為190MPa和250MPa，在濕熱條件下的使用溫度為130。 改進(jìn)基體耐濕熱性的途徑是盡量減少基體中的極性基團(tuán)(如羥基等)以及引入脂環(huán)和雜環(huán)結(jié)構(gòu)。3.5.9.3 T-300/LWR-1體系它是北京航空工藝研究所和黑龍江石化所1989年研制成功的。