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)提出新的問題和要求。鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發(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、英國、法國和前蘇聯(lián)等國家己成功研制出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相無析出帶更明顯。無析出帶的強(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)效過程中析出的第二相粒子呈均勻、細(xì)小、彌散分布，并減少無沉淀帶寬度，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)，并通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分材料所不具備的性能。通過材料設(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)浸和成型過程中產(chǎn)生的

21、缺陷另一類是機(jī)械加工組裝過程中產(chǎn)生的缺陷。典型制造缺陷有：空隙富膠貧膠外來夾雜不正確的纖維取向和鋪層順序劃傷有缺陷孔和過緊連接等。損傷容限問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，美國就開發(fā)了x2020鋁鋰合金后來用來取代7075用于RA-SC預(yù)警機(jī)。美國一公司將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，在不久的將來將取代鎳、鈦合金，成為未來航空發(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幾十萬到上百萬個(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6萬個(gè)起落每個(gè)起落都足一次疲勞過程。當(dāng)機(jī)身內(nèi)壁氣壓升高時(shí)，就是一次疲勞過程，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)證其制造過程是先把復(fù)合材料長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)身段制造過程 波音787客機(jī)的所有機(jī)身段都是由復(fù)合材料長桁和復(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