新型材料在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用---4.25最新

1、天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空航天與汽車學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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 新型復(fù)合材料在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用 學(xué) 院 _航空航天與汽車學(xué)院_ 專 業(yè) _ 飛機(jī)制造技術(shù)_班 級(jí) 10級(jí)飛機(jī)制造技術(shù)2班_姓 名 _ 指導(dǎo)教師 _ 目 錄第一章 新型航空材料的基礎(chǔ)知識(shí)31. 航空材料的研究與發(fā)展3 2. 新型航空材料的特點(diǎn)5第二章. 新型航空材料的性能分析61.鋁鋰合金1.1 Al-Li合金的特點(diǎn)61.2 Al-Li合金的強(qiáng)韌化機(jī)制71.3 Al-li合金的熱處理82復(fù)合材料2.1復(fù)合材料的構(gòu)成82.2復(fù)合材料的分類及特點(diǎn)92.3復(fù)合材料的缺點(diǎn)10第三章. 新型航空材料

2、的實(shí)際應(yīng)用12 1.Al-Li合金的應(yīng)用12 2. 復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用12 3. 復(fù)合材料在機(jī)翼上的應(yīng)用12 4. 復(fù)合材料在機(jī)身上的應(yīng)用 14第四章. 展望未來(lái)發(fā)展前景17 1.金屬系復(fù)合材料17 2.取向凝固結(jié)晶17 3.陶瓷系材料17參考文獻(xiàn)18第一章 新型航空材料的基礎(chǔ)知識(shí)航空材料與航空技術(shù)的關(guān)系極為密切，航空航天材料在航空產(chǎn)品發(fā)展中具有極其重要的地位和作用：航空材料既是研制生產(chǎn)航空產(chǎn)品的物質(zhì)保障，又是推動(dòng)航空產(chǎn)品更新?lián)Q代的技術(shù)基礎(chǔ)。1.1航空材料的研究與發(fā)展航空材料的分類航空材料有不同的分類方式：按成份可分為四大類：l 金屬材料：鋁合金、鎂合金、鈦合金、鋼、高溫合金、粉末冶

3、金合金等。l 無(wú)機(jī)非金屬材料：玻璃、陶瓷等l 高分子材料：透明材料、膠粘劑、橡膠及密封劑、涂料、工程塑料等。l 先進(jìn)復(fù)合材料：聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料等。按使用功能可分為兩大類：l 結(jié)構(gòu)材料.功能材料所謂結(jié)構(gòu)，是指由板、桿等承力單元件構(gòu)成的承力系統(tǒng)，在載荷作用下，該系統(tǒng)只產(chǎn)生小的彈性形變，即系統(tǒng)應(yīng)具有幾何不變性。如承力系統(tǒng)是幾何可變的，則承力系統(tǒng)不是結(jié)構(gòu)，而是機(jī)構(gòu)。以飛機(jī)為例，航空產(chǎn)品中典型的結(jié)構(gòu)包括：機(jī)身、機(jī)翼、垂直尾翼、水平尾翼、各種操縱面、起落架（除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之外的部分）等。用于加工制造這些結(jié)構(gòu)的單元件的材料都屬于結(jié)構(gòu)材料。1. 鋁合金鋁合金因

4、其技術(shù)成熟、成本低、使用經(jīng)驗(yàn)豐富等優(yōu)勢(shì)，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，仍將是亞音速飛機(jī)和低超音速飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)用材之一。2. 結(jié)構(gòu)鋼一些新型超高強(qiáng)度鋼在今后仍然還會(huì)是起落架、主要接頭、隔框等一些主要承力構(gòu)件的備選材料。3. 鈦合金鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材中所占的重要地位已確定無(wú)疑，但是鈦合金的較貴的價(jià)格和較差的工藝性，是影響使用的很大因素。4. 先進(jìn)復(fù)合材料由于先進(jìn)復(fù)合材料具有比鋼、鋁、鈦高得多的比強(qiáng)度、比模量和耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)高性能的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中，先進(jìn)復(fù)合材料將會(huì)占據(jù)越來(lái)越重要的地位，甚至完全有可能出現(xiàn)全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的飛機(jī)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)用材的演變?cè)缙诘幕钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)材料以普通碳素鋼為主。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)

5、機(jī)（包括渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪槳葉發(fā)動(dòng)機(jī)）的性能水平很大程度上依賴于高溫材料的發(fā)展。其中尤以渦輪部件材料最為關(guān)鍵：1. 渦輪葉片材料在二十世紀(jì)四十年代，盡管噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的原理早已提出，但由于沒(méi)有合適的高溫材料用于制造渦輪，所以發(fā)展遲緩。到五十年代初，英國(guó)的White公司開發(fā)出了鎳基高溫合金。到六十年代，開始使用真空熔煉方法制造高溫合金，合金的純度得到提高，性能更好。七十年代，開發(fā)出定向凝固、單晶鑄造等高溫部件制造工藝，使葉片的最高工作溫度和耐疲勞性能進(jìn)一步提高。2. 渦輪盤材料二十世紀(jì)四十年代的渦輪進(jìn)口溫度約為800900，采用了16-25-6鐵基合金。五十年代，隨著渦輪進(jìn)口溫度提高到950，出

6、現(xiàn)了沉淀硬化合金，應(yīng)用沉淀強(qiáng)化原理使合金具有更高的高溫強(qiáng)度。到七十年代，進(jìn)口溫度提高到了1240，出現(xiàn)了Rene 95合金和粉末冶金高溫合金。對(duì)航空產(chǎn)品性能的要求日益攀升，要求使用推重比更高、經(jīng)濟(jì)性更好的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比已經(jīng)達(dá)到10，如美國(guó)的F119發(fā)動(dòng)機(jī)已裝備了F22戰(zhàn)斗機(jī)。大推力渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)如GE90、PW4073/4084、Trent800等早已為B777、A330等大型寬體客機(jī)所選用。在這些先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫材料仍屬于核心技術(shù)。如軍用發(fā)動(dòng)機(jī)中的高溫鈦合金（壓氣機(jī)盤和葉片）、高溫合金板材（燃燒室）和粉末冶金材料和單晶葉片材料（渦輪）等，民用發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的單晶葉片材料和

7、粉末高溫合金渦輪盤材料。1.2新型航空材料的特點(diǎn)航空產(chǎn)品特殊的工作環(huán)境對(duì)航空材料的性能要求集中表現(xiàn)在“輕質(zhì)高強(qiáng)、高溫耐蝕”。所謂“輕質(zhì)高強(qiáng)”是指，要求材料的比強(qiáng)度高，即要求材料不但強(qiáng)度（靜強(qiáng)度高、能承受大過(guò)載、疲勞強(qiáng)度高）高而且密度小。航空工業(yè)有一句口號(hào)叫做“為每一克減重而奮斗”，反映了減重對(duì)于航空產(chǎn)品的重大經(jīng)濟(jì)意義。而且材料減重對(duì)飛機(jī)減重的貢獻(xiàn)也越來(lái)越大，所以輕質(zhì)高強(qiáng)是航空材料必須滿足的首要性能要求。 “高溫耐蝕”的“高溫”是指航空材料要能耐受較高的工作溫度。對(duì)機(jī)身材料，氣動(dòng)力加熱效應(yīng)使表面溫度升高，需要結(jié)構(gòu)材料具有好的高溫強(qiáng)度；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)材料，要求渦輪盤和渦輪葉片材料要有好的高溫強(qiáng)度和耐高溫

8、腐蝕性能?！澳臀g”是指航空材料要有優(yōu)良的抗腐蝕，特別是抗應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞的能力。當(dāng)然，除以上性能外，對(duì)某些材料還要求有其他方面的性能，如：非金屬材料要具有良好的耐老化性能和耐氣候性能；透明材料要具有良好的光學(xué)性能；電工材料具有良好的電學(xué)性能；以及防火安全性能等。航空產(chǎn)品的高可靠性、多樣性對(duì)航空材料提出了更高的質(zhì)量要求。航空器是技術(shù)密集、高集成度的復(fù)雜產(chǎn)品，只有采用質(zhì)地優(yōu)良的航空材料才能制造出安全可靠、性能優(yōu)良的飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)。航空產(chǎn)品的多樣性和小批量生產(chǎn)，導(dǎo)致了航空材料研制和生產(chǎn)上的多品種、多規(guī)格、小批量、技術(shù)質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。航空產(chǎn)品降低成本的需求導(dǎo)致要發(fā)展低成本航空材料。新型號(hào)的先進(jìn)飛機(jī)價(jià)

9、格不斷攀升，各航空技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家和地區(qū)都先后對(duì)航空產(chǎn)品提出了“買得起”的要求。而材料在航空產(chǎn)品的成本和價(jià)格構(gòu)成中占有相當(dāng)份額，所以科學(xué)地選材和努力發(fā)展低成本材料技術(shù)是航空材料發(fā)展的重要方向。第二章新型航空材料的性能分析2.1.鋁鋰合金 新材料是航空航天的重要技術(shù)基礎(chǔ)，航空航天技術(shù)的發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)，航空航天技術(shù)的發(fā)展又不斷對(duì)材料科學(xué)提出新的問(wèn)題和要求。鋁鋰合金是近十幾年來(lái)航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個(gè)領(lǐng)域。2.1.1 Al-Li合金的特點(diǎn) 鋰是世界上最輕的金屬元素，密度僅為0. 534gcm3，為鋁的1/5，鐵的1/15。鋰元素為地球存在較多的金屬，同時(shí)海水中還有相當(dāng)大的含量。把金屬鋰作為

10、合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金。加入金屬鋰之后，可以降低合金的密度，增加剛度，同時(shí)仍然保持較高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。因?yàn)檫@些特性，這種新型合金受到了航空、航天以及航海業(yè)的廣泛關(guān)注。正是由于這種合金的許多優(yōu)點(diǎn)，吸引著許多科學(xué)家對(duì)它進(jìn)行研究。鋰在鋁中的溶解度隨溫度變化而改變。當(dāng)鋰含量大于3%時(shí)，Al-Li合金的韌性明顯下降，脆性增大。因此，其合金中的鋰含量為2% -3%。Al-Li系合金具有密度小，比強(qiáng)度高，比剛度大，疲勞性能良好，耐蝕性及耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)（在一定熱處理?xiàng)l件下）。但Al-Li系合金的塑性和韌性差，缺口敏感性大，材料加工及產(chǎn)品生產(chǎn)困難。用Al-Li合

11、金制作可使飛機(jī)減重10%-20%，可提高飛機(jī)的飛行速度和承載能力。因此，AI-Li合金是一種在航空、航天領(lǐng)域中很有競(jìng)爭(zhēng)力的一種新型超輕結(jié)構(gòu)材料。Al-Li合金的價(jià)格是硬鋁價(jià)格的23倍，若在海水中萃取鋰的技術(shù)獲得成功，則可得到價(jià)格便宜的鋰材料。 Al-Li合金具有很高的強(qiáng)度和良好的高溫和低溫性能，其室溫力學(xué)性能與一般高強(qiáng)度鋁合金相當(dāng)，而高溫和低溫性能則優(yōu)于一般高強(qiáng)度鋁合金。新A1-Li合金有很好的超塑成型性能，例如Al-Li-Cu-Mg-Zr合金，在低速下的超塑延伸率可達(dá)1800%，添加Zr元素和形變熱處理能提高其超塑性能。Al-Li合金的強(qiáng)度、延伸率和斷裂韌性等力學(xué)性能，均隨溫度降低而顯著提高

12、（下表列出了Al-Li-Cu-Mg-Zr合金(T81型)在不同溫度下的機(jī)械性能），其提高幅度比通常低溫下使用的高強(qiáng)鋁合金高得多。結(jié)合它的密度，使Al-Li合金成為一種發(fā)展?jié)摿艽蟮牡蜏亟Y(jié)構(gòu)材料. 目前在美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和前蘇聯(lián)等國(guó)家己成功研制出Al-Li合金并將其用于實(shí)際生產(chǎn)中，已開發(fā)的Al-Li合金大致有三個(gè)系列：Al-Cu-Li系合金、Al-Mg-Li系合金和AI-Li-Cu-Mg-Zr系合金等溫度（K）b（MPa）v（MPa）（%）E（GPa）KIC（MPa*ml/2）3005655355.078.334777156007.086.957482061517.087.672AlLi合金20

13、90-T81在不同溫度下的機(jī)械性能2.1.2 Al-Li合金的強(qiáng)韌化機(jī)制 (1)強(qiáng)化機(jī)制 Al-Li合金的強(qiáng)化作用主要來(lái)源于析出相強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化和細(xì)化晶粒強(qiáng)化。鋰在鋁中有較高的溶解度，并隨溫度而明顯變化，所以AI-Li合金有明顯的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)，屬于可熱處理強(qiáng)化型的鋁合金。Al-Li合金在時(shí)效過(guò)程中以彌散質(zhì)點(diǎn)形式析出的亞穩(wěn)球形相8，(A13Li)為有序超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，與基體完全共格，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有強(qiáng)烈的阻礙作用，是合金中主要的強(qiáng)化相。(2)影響Al-Li合金塑性和韌性的因素 Al-Li二元合金塑性和韌性低，主要與以下因素有關(guān)： 1)前己述及強(qiáng)化相的析出雖有強(qiáng)化作用，但由于強(qiáng)化相的存在，將導(dǎo)致位錯(cuò)在晶

14、界或夾雜物處塞積，產(chǎn)生應(yīng)力集中，結(jié)果在品界或夾雜物處萌生裂紋，因此，8相對(duì)Al-Li合金的塑性和韌性極為不利。隨著鋰量增多，合金強(qiáng)度升高，塑性和韌性下降。 2)晶界附近常形成8，相無(wú)析出帶，特別是晶界處有粗大的平衡相8析出時(shí)，晶界8相無(wú)析出帶更明顯。無(wú)析出帶的強(qiáng)度比品內(nèi)強(qiáng)度低，當(dāng)受到外力作用時(shí)，首先在無(wú)析出帶內(nèi)屈服，發(fā)生局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)變，將導(dǎo)致裂紋萌生。這種裂紋在無(wú)析出帶內(nèi)擴(kuò)展，產(chǎn)生沿晶斷裂。 3)晶界處存在著粗大的平衡相8析出物，常常是裂紋形核的場(chǎng)所，因此，導(dǎo)致合金低韌性。4)形變后的Al-Li合金，在一定溫度下會(huì)發(fā)生再結(jié)晶。一般認(rèn)為發(fā)生完全再結(jié)晶后，合金的織構(gòu)、亞品界消失，出現(xiàn)粗

15、大的再結(jié)晶組織，對(duì)合金的塑性、韌性不利。 5)某些雜質(zhì)元素如鈉、鉀、硫等元素小溶于鋁，在晶界處偏聚，使晶界弱化而影響合金的塑性和韌性。 (3)合金化原理Al-Li二元合金的強(qiáng)度、韌性較低，實(shí)用意義不大。若加入多種合金元素，可對(duì)析出機(jī)制產(chǎn)生影響，改善晶界特性，使Al-Li合金的強(qiáng)韌性得到提高。AILi合金中常加入的合金元素有：銅、鎂、鋯等。21.3 AI-Li合金的熱處理Al-Li合金的熱處理有均勻化退火處理、固溶化處理、時(shí)效及形變熱處理等。合金在加熱時(shí)，為了防止合金的氧化，通常在保護(hù)性氣氛中加熱；采用分級(jí)時(shí)效，可改善合金的韌性，并消除其各向異性；將固溶處理后的合金進(jìn)行預(yù)冷變形，然后再進(jìn)行時(shí)效處

16、理，可使時(shí)效過(guò)程中析出的第二相粒子呈均勻、細(xì)小、彌散分布，并減少無(wú)沉淀帶寬度，從而可提高合金的強(qiáng)韌性。2.2復(fù)合材料復(fù)合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強(qiáng)粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復(fù)合而成。20世紀(jì)40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強(qiáng)塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復(fù)合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強(qiáng)度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強(qiáng)度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復(fù)合，構(gòu)成各具特色的復(fù)合材料。2.2.1復(fù)合材料的構(gòu)成復(fù)合材料是指由兩種或兩種

17、以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上材料獨(dú)立物理相，通過(guò)復(fù)合工藝組合構(gòu)成的新型材料。其中，連續(xù)相稱為基體、分散相稱為增強(qiáng)體，兩相彼此之間有明顯的界面。它既保留原組分材料的主要特點(diǎn)，并通過(guò)復(fù)合效應(yīng)獲得原組分材料所不具備的性能。通過(guò)材料設(shè)計(jì)可以使各組分材料的性能互相補(bǔ)充、彼此聯(lián)系,從而獲得優(yōu)越性能。由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。2.2.2復(fù)合

18、材料的分類及特點(diǎn)先進(jìn)復(fù)合材料是比通用復(fù)合材料有更高綜合性能的新型材料，它包括樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料等，它本身具備了較高的比強(qiáng)度、比剛度，抗疲勞、耐腐蝕、成形工藝性好及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)己成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)中與鋁合金、鈦合金和鋼并駕齊驅(qū)的四大結(jié)構(gòu)材料之一。(1)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料 纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能，制備工藝容易實(shí)現(xiàn)，原料豐富。在航空工業(yè)中，樹脂基復(fù)合材料用于制造飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身、平尾、發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道，也可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的燒蝕防熱材料、飛機(jī)的主次承力結(jié)構(gòu)件和雷達(dá)天線罩。 A380機(jī)型選用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料示意(2)金屬基復(fù)合材料 鋁、

19、鎂、鈦是金屬基復(fù)合材料的主要基體。增強(qiáng)材料一般可分為纖維、顆粒和晶須三類。金屬基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、高的比剛度、良好的高溫性能、低的熱膨脹系數(shù)、好的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性。碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有良好的高溫性能和抗磨損的特點(diǎn)，可用于精密航空電了器件；碳化硅纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料具有良好的耐高溫和抗氧化性能，是高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的理想結(jié)構(gòu)材料，目前己進(jìn)入先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的試車階段。(3)陶瓷基復(fù)合材料瓷基復(fù)合材料是以纖維、晶須或顆粒為增強(qiáng)體，與陶瓷基體通過(guò)一定的復(fù)合工藝結(jié)合在一起組成的材料的總稱。其具有密度低、比強(qiáng)度高、熱機(jī)械性能和抗熱震沖擊性能好的特點(diǎn)，是未來(lái)軍事工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵支撐材料之一

20、。陶瓷基復(fù)合材料豐要用于制作飛機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴閥，它在提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和降低燃料消耗方而具有重要的作用。(4)碳-碳復(fù)材料碳-碳復(fù)合材料是由碳纖維增強(qiáng)劑與碳基體組成的復(fù)合材料。碳-碳復(fù)合利料具有比強(qiáng)度高、抗熱震性好、耐燒蝕性強(qiáng)、性能可設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)。 隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)裝載質(zhì)量不斷增加，飛行著陸速度不斷提高，對(duì)飛機(jī)的緊急制動(dòng)提出更高的要求。碳-碳復(fù)合材料質(zhì)量輕、耐高溫、吸收能量大、摩擦性能好，用它制作剎車片廣泛用于高速軍用飛機(jī)中。2.2.3復(fù)合材料的缺點(diǎn)復(fù)合材料缺陷、損傷復(fù)合材料缺陷與損傷包括制造缺陷、使用損傷和環(huán)境損傷。制造缺陷通常有兩類一類是復(fù)合材料預(yù)浸和成型過(guò)程中產(chǎn)生的

21、缺陷另一類是機(jī)械加工組裝過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷。典型制造缺陷有：空隙富膠貧膠外來(lái)夾雜不正確的纖維取向和鋪層順序劃傷有缺陷孔和過(guò)緊連接等。損傷容限問(wèn)題中主要研究孔沖擊損傷分層3種損傷形式。這3種損傷形式，沖擊損傷形式與沖擊能量水平密切相關(guān)。高能量沖擊，如彈丸沖擊，可以對(duì)層合板造成穿透孔損傷，并帶有一些邊緣附近的局部分層。中等能量沖擊，雖然不產(chǎn)生穿透損傷，但在沖擊范圍內(nèi)造成層合板局部損傷和內(nèi)部分層，以及背面纖維的斷裂。低能量沖擊在層合板表面產(chǎn)生難以目視檢查的損傷（BVID），并在層合板內(nèi)部形成圓錐形的分層區(qū)。不同沖擊能量水平造成的層合板沖擊損傷破壞形式（a）高能量沖擊損作 （b）中等能量沖擊損傷 （c）

22、低能量沖擊損傷 沖擊事件造成的層合板性能突變示圖復(fù)合材料的疲勞各向同性金屬材料在疲勞載荷作用下，可以觀察到明顯的單一主裂紋有規(guī)律的擴(kuò)展。而各向異性復(fù)合材料，大量試驗(yàn)結(jié)果表明，疲勞載荷作用下，表現(xiàn)出非常復(fù)雜的破壞機(jī)理。復(fù)合材料本身存在有基體開裂、分層、界面脫膠和纖維斷裂等多種損傷形式。同時(shí)，復(fù)合材料對(duì)應(yīng)變，特別是壓縮應(yīng)變，尤為敏感。較大的施加應(yīng)變將纖維與基體變形不一致，引起機(jī)體開裂、界面脫膠乃至分層。溫度和濕度是影響聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能的主要環(huán)境因素，不僅使材料固有性能（模量和強(qiáng)度）惡化下降，而且吸濕會(huì)降低聚合物基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。第三章新型航空材料的實(shí)際應(yīng)用3.1 Al-Li合金的應(yīng)用A

23、l-Li合金已經(jīng)在軍用飛機(jī)、民用客機(jī)和直升飛機(jī)上使用或試用，主要用于機(jī)身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、進(jìn)氣道唇口、艙門、燃油箱等等。 早在20世紀(jì)50年代，美國(guó)就開發(fā)了x2020鋁鋰合金后來(lái)用來(lái)取代7075用于RA-SC預(yù)警機(jī)。美國(guó)一公司將C-155鋁鋰合金用于波音777和空中客車A330/340飛機(jī)的垂尾和平尾，該合金比普通鋁合金有更好的抗疲勞性能和高的強(qiáng)度。其中A330/340飛機(jī)每架使用Al-Li合金650kg，可使飛機(jī)減重達(dá)4250kg，可以提高有效載荷及降低燃料消耗。 鋁鋰合金的應(yīng)用還存在一些問(wèn)題。首先是價(jià)格，由于金屬鋰比較貴，熔鑄工藝復(fù)雜和廢料回收未解決，目前Al-Li材的價(jià)

24、格為常用鋁材的2-4倍；其次是產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)規(guī)模。Al-Li合金的擠壓件和薄板性能已能滿足標(biāo)準(zhǔn)，而鍛件和厚板的短橫向斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕斷裂還不理想等。因此，世界各大民航機(jī)制造商暫時(shí)只在難關(guān)鍵部位使用鋁鋰合金，對(duì)軍用飛機(jī)而言，高價(jià)格和已有的質(zhì)量狀況都不妨礙該合金的應(yīng)用。3.2 復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用 樹脂基復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵機(jī)匣、靜子葉片、轉(zhuǎn)子葉片、包容機(jī)匣以及發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、反推力裝置等部件上得到大量應(yīng)用；金屬基復(fù)合材料具有優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料的比強(qiáng)度、比剛度、耐高溫和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在不久的將來(lái)將取代鎳、鈦合金，成為未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要材料；金屬間化合物具有密度低、剛度高、高溫強(qiáng)度好和防火能

25、力強(qiáng)等特點(diǎn)3.3 復(fù)合材料在機(jī)翼上的應(yīng)用 機(jī)翼采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率，改善飛機(jī)氣動(dòng)彈性、飛行品質(zhì)、控制特性的重要技術(shù)途徑之一。美歐各國(guó)20世紀(jì)70年代中期以后研制的新型高性能戰(zhàn)斗機(jī)均采用了復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)前掠翼飛機(jī)的的試飛成功和飛翼隱身轟炸機(jī)的服役也充分說(shuō)明了復(fù)合材料機(jī)翼的獨(dú)特效能。復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)與金屬機(jī)翼金屬結(jié)構(gòu)相比，主要特點(diǎn)如下；（1）多墻（梁）結(jié)構(gòu)傳力布局先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的高機(jī)動(dòng)性要求，帶來(lái)載荷指數(shù)增大，蒙皮厚度增加的新特點(diǎn)，采用中厚度蒙皮多墻結(jié)構(gòu)的傳力布局較之梁多助加筋板結(jié)構(gòu)具有高的結(jié)構(gòu)效率。同時(shí)，對(duì)復(fù)合材料機(jī)翼可緩解損傷的影響，而且更適合于氣動(dòng)彈性剪裁設(shè)計(jì)，也有利于主要接頭連

26、接設(shè)計(jì)。因此，目前復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)的傳力路線布局主要采用多墻結(jié)構(gòu)布局。（2）機(jī)翼蒙皮壁板可進(jìn)行氣動(dòng)彈性剪裁設(shè)計(jì)翼面氣動(dòng)彈性剪裁設(shè)計(jì)時(shí)復(fù)合材料機(jī)翼獨(dú)特的設(shè)計(jì)技術(shù)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。美國(guó)X-29前掠翼先進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)（1984.8）和俄羅斯S-37“金雕”前掠翼戰(zhàn)斗機(jī)（1997.9）的機(jī)翼就是按復(fù)合材料氣動(dòng)彈性剪裁設(shè)計(jì)制造的。這項(xiàng)技術(shù)在其他復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮設(shè)計(jì)中都不同程度地得到應(yīng)用。（3）設(shè)計(jì)/制造一體化、共固化整體成型纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)建成形與材料形成同時(shí)完成的工藝特點(diǎn)，要求復(fù)合材料更加強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)/制造一體化，共固化整體成形。對(duì)復(fù)合材料機(jī)翼大型 部件更強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)采用緊固件

27、連接裝配工藝與采用共固化成形工藝對(duì)比下表所示。 復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)緊固件連接裝配與共固化成形比較工藝方法復(fù)合材料制造時(shí)間%裝配時(shí)間（%）勞動(dòng)量（%）總成本（%）緊固件連接裝配共固化成形節(jié)約10063.836.2100495110065.434.61007921 復(fù)合材料機(jī)翼翼盒，下翼面蒙皮與輔梁（墻或長(zhǎng)桁）共固化成形、上翼面蒙皮單獨(dú)固化成形，兩者采用機(jī)械連接便于維護(hù)檢查。例如：日本FS-X機(jī)翼翼盒，EF2000機(jī)翼翼盒等采用了這種結(jié)構(gòu)形式。共固化成形下半個(gè)翼盒有利于隱身和對(duì)燃油箱密封。（4）主接頭一般為復(fù)合材料蒙皮壁板與鈦合金翼梁接頭機(jī)械緊固件連接機(jī)翼主要接頭高應(yīng)力區(qū)內(nèi)復(fù)合材料蒙皮壁板和鈦合金翼

28、梁接頭兩種不同性質(zhì)材料機(jī)械緊固件連接，出現(xiàn)不同許用應(yīng)變，不同破壞機(jī)理材料多釘連接設(shè)計(jì)、不同性質(zhì)材料制孔等難題。對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)，復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮壁板、翼梁、肋等零構(gòu)件采用機(jī)械固件連接，大約需要加工5000個(gè)或數(shù)量更多的孔。（5）復(fù)合材料整體油箱需要特殊的密封、防靜電、防雷擊措施和耐燃油以及油箱可修復(fù)性要求（6）一定程度上可實(shí)現(xiàn)隱身要求。大型客機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼 大型客機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼是在復(fù)合材料尾翼安定面設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上研發(fā)的，借鑒了波音737水平安定面NASA航線飛行使用評(píng)估、空中客車A320垂直尾翼，特別是波音777水平安定面的設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn)。復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮了機(jī)翼和機(jī)身連接、發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛固

29、定接頭、油箱和電接地、上蒙皮壁板的沖擊損傷容限等問(wèn)題、以及低成本成形工藝技術(shù)的適用性、帶加強(qiáng)筋桁條大型翼面壁板固化成形技術(shù)、檢測(cè)和修理技術(shù)等。A380機(jī)翼與機(jī)身連接的中央翼盒采用了大型復(fù)合材料壁板組裝的盒形件結(jié)構(gòu)。機(jī)翼外翼蒙皮和翼肋采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、內(nèi)翼采用金屬蒙皮從而避免了根部復(fù)合材料翼面受外來(lái)物沖擊引起的損傷容限難題。大型復(fù)合材料中央翼盒成為A380復(fù)合材料應(yīng)用的典范。A380機(jī)身中央翼盒3.4 復(fù)合材料在機(jī)身上的應(yīng)用多次乘過(guò)飛機(jī)的人都有這樣的體會(huì)當(dāng)?shù)巧巷w機(jī)時(shí)，會(huì)立即感到客艙內(nèi)的環(huán)境令人不適，特別是在飛行過(guò)程中客艙內(nèi)干燥的空氣加上含氧量偏低容易讓人頭疼、頭暈使人疲勞。這是由于當(dāng)前的商用客機(jī)

30、客艙內(nèi)的氣壓相當(dāng)于海拔8 000inch(約2 438 m)高度的大氣壓強(qiáng)。飛機(jī)只能增壓到這種高度的壓強(qiáng)是因?yàn)榭蜋C(jī)的機(jī)身是由鋁合金壁板通過(guò)幾十萬(wàn)到上百萬(wàn)個(gè)鉚釘?shù)染o固件連接組裝而成它在一定壓強(qiáng)作用下，氣密性較差，金屬機(jī)身耐疲勞性能也較差。大型客機(jī)一般要飛行6萬(wàn)個(gè)起落每個(gè)起落都足一次疲勞過(guò)程。當(dāng)機(jī)身內(nèi)壁氣壓升高時(shí)，就是一次疲勞過(guò)程，它會(huì)增加飛機(jī)部件損耗加速金屬老化導(dǎo)致飛機(jī)維護(hù)成本升高這是航空公司不愿看到的另一方面，由于金屬機(jī)身在一定濕度下易受腐蝕所以航空公司把客艙內(nèi)空氣濕度保持在極低水平，約4%左右。這就是人們乘坐飛機(jī)旅行不舒適的主要原因。波音787機(jī)身段（47段）機(jī)身復(fù)合材料應(yīng)用爭(zhēng)議復(fù)合材料有很

31、多眾所周知的優(yōu)點(diǎn)，大西洋兩岸的歐、美飛機(jī)制造公司，對(duì)在機(jī)翼上采用復(fù)合材料似乎沒(méi)有爭(zhēng)議。但出于競(jìng)爭(zhēng)等多種原因，空客公司提出4點(diǎn)理由來(lái)批評(píng)波音公司：其一認(rèn)為波音采用2倍于空客A380上復(fù)合材料用量的做法在技術(shù)上是冒進(jìn)的，過(guò)多采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是一種不明智的選擇，有的甚至說(shuō)這是一種不負(fù)責(zé)任的做法；其二復(fù)合材料技術(shù)現(xiàn)在還不成熟，現(xiàn)有的復(fù)合材料對(duì)于機(jī)體的許多部位不適用，這是由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì)僅在拉伸和疲勞強(qiáng)度方面，它的耐壓性能尚不明朗；其三，在引進(jìn)新材料和新工藝的過(guò)程中應(yīng)采取循序漸進(jìn)的方式，波音公司省略了在使用復(fù)合材料方面的數(shù)小步，企圖跨出一大步這樣會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)；其四，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料確實(shí)具有重量輕

32、的優(yōu)越性.波音超大型復(fù)合材料部件的制造技術(shù)在這場(chǎng)大西洋兩岸的激烈爭(zhēng)論中，波音和空客的用戶-國(guó)際上的主要航空公司很明顯地傾向波音787飛機(jī)的方案。這是因?yàn)?，他們知道波?87的方案雖然跨度大了一些，有一定的風(fēng)險(xiǎn)，但是波音具有長(zhǎng)期在軍機(jī)上應(yīng)用復(fù)合材料的經(jīng)驗(yàn)加上波音787方案也是建立在科學(xué)研究基礎(chǔ)上的。波音充分利用以美國(guó)NASA為首的有關(guān)飛機(jī)復(fù)合材料部件研究的兩個(gè)十年計(jì)劃項(xiàng)目的成果即飛機(jī)能源效率項(xiàng)目(AirCraft Energy Efficiency ACEE)(1975-1986年）和先進(jìn)復(fù)材技術(shù)項(xiàng)目(Ad-vanced Composites Technology.ACT) (1985-1997

33、年)。在這兩個(gè)十年計(jì)劃中NASA已經(jīng)對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料整體部件進(jìn)行深入的研究和驗(yàn)證。波音公司在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步針對(duì)波音 787客機(jī)由復(fù)合材料制成的機(jī)身段做了大量的實(shí)際研究和試驗(yàn)工作。公司首先成立了波音787客機(jī)復(fù)合材料機(jī)身段的研究團(tuán)隊(duì)(The 787 Fuselage Team)，負(fù)責(zé)建造與實(shí)際飛機(jī)一樣大小的完整復(fù)合材料機(jī)身段進(jìn)行完整的試驗(yàn)和驗(yàn)證其制造過(guò)程是先把復(fù)合材料長(zhǎng)桁固定在成形模具上，并涂上膠，再由專用的復(fù)合材料纖維鋪放機(jī)鋪放出機(jī)身外形然后送入熱壓罐固化成形(如下圖所示)。波音787飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)身段制造過(guò)程 波音787客機(jī)的所有機(jī)身段都是由復(fù)合材料長(zhǎng)桁和復(fù)合材料蒙皮膠接裝配并固化成一個(gè)“零件”隨后加工出登機(jī)門和窗戶的外形（如下圖a所示）；然后利用3臺(tái)激光跟蹤儀檢驗(yàn)其外形是否符合設(shè)計(jì)要求（如下圖b所示）。波音787復(fù)合材料機(jī)身段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可從下圖中清晰地看到，其機(jī)身段是由復(fù)合材料長(zhǎng)桁和復(fù)合材料蒙皮膠接。（a） (b)波音787飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)身段及其檢驗(yàn)空客公司復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ) 由于復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高抗疲勞性能、耐腐蝕性能和整體成形性好等許多優(yōu)異特性，將其用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，可比常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)減重25 %30%而且使飛機(jī)隱身氣動(dòng)彈性等綜合性能得到改善和提高. 空客A380的glare和鋁合金壁板應(yīng)用分布情況從空客A380機(jī)體復(fù)合材料的使用情況可知空客對(duì)復(fù)合材料的研究