復合材料及應(yīng)用-本科生-上傳

1、先進復合材料及其在飛行器中應(yīng)用一、前 言二、復合材料三、復合材料在飛行器中的應(yīng)用四、自潤滑復合材料主 要 匯 報 內(nèi) 容前 言 輕量化、高效能、長壽命、高可靠、低成本是飛行器結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要目標。 先進復合材料具有質(zhì)輕、高強、可設(shè)計、抗疲勞、易于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化等優(yōu)點，因此，在航空航天領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，成為繼鋁、鈦、鋼之后的四大結(jié)構(gòu)材料之一，復合材料用量已成為飛行器先進性的一個重要標志。 世界各國都非常重視并制定系列計劃推進先進復合材料在航空航天領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。 1. 飛行器與復合材料前 言 先進復合材料于上世紀60年代中期一問世，即首先用于飛行器結(jié)構(gòu)上，以航空用樹脂基復合材料為例，近40

2、年來復合材料在飛機結(jié)構(gòu)上應(yīng)用走過了一條由小到大、由次到主、由局部到整體、由結(jié)構(gòu)到功能的發(fā)展道路。就復合材料用量而言，先進的F-22、F-35、B-2等軍機其復合材料用量均達到25%以上，民機也是如此，新研制的A380復合材料用量達25%，而B787和A350分別高達50%和52%，直升機、無人機用量更高，達到90%以上。 前 言 復合材料是實現(xiàn)飛機現(xiàn)代化的必由之路，飛機結(jié)構(gòu)復合材料化也是大勢所趨。未來飛機為了進一步達到結(jié)構(gòu)減重與降低綜合成本，復合材料用量將不斷繼續(xù)增長。美國一報告中指出：到2020年，只有復合材料才有潛力使飛機獲得20%25%的性能提升，復合材料將成為飛機的基本材料，用量將達到

3、65。 材料是人類社會進步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導，是人類進步的里程碑。歷史上，人們將當時的主導材料作為時代發(fā)展的標志， 石器時代、陶器時代、青銅器時代、鐵器時代、鋼鐵時代、合成材料時代、復合材料時代 發(fā)展得越來越快 前 言2. 材料的發(fā)展 材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。 簡單地說，材料是人類可用來制造有用器件的物質(zhì)。 當前材料、能源、信息和生物技術(shù)是現(xiàn)代文明的四大支柱，材料又是其他技術(shù)的基礎(chǔ)。材料技術(shù)的每一次重大突破，往往可引起其他產(chǎn)業(yè)技術(shù)的革命，甚至引起人們生活的極大改善，如鋼鐵材料和鋁鎂等輕金屬材料的出現(xiàn)，大大推動能源、汽車、航空及其他工業(yè)的飛速發(fā)展；半導體

4、材料和微電子材料的出現(xiàn)又為信息技術(shù)的建立和發(fā)展打下了牢固的基礎(chǔ)。近些年來，生物材料的出現(xiàn)，可為生物技術(shù)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、食品等帶來新的革命。前 言新材料金屬材料非金屬材料高分子材料復合材料金屬結(jié)構(gòu)材料金屬功能材料樹脂基復合材料特種玻璃集成電路材料磁記錄材料人工單晶材料新陶瓷材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料超導材料貯氫合金形狀記憶合金光學性能玻璃導電性能玻璃優(yōu)異機械性能玻璃敏感元件陶瓷超硬陶瓷電氣陶瓷黑色金屬有色金屬生物醫(yī)學材料前 言 現(xiàn)代高科技的發(fā)展更緊密地依賴于新材料的發(fā)展；同時也對材料提出了更高、更苛刻的要求。 高溫、高壓、高強度、低密度、耐磨、抗腐蝕、柔韌性。傳統(tǒng)材料：金屬、無機非金屬、有機

5、高分子材料各有千秋。各自固有的局限性而不能滿足現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的需要。前 言復合材料 復合材料：揚長避短、協(xié)同效應(yīng)克服單一材料的缺點，產(chǎn)生新性能。 用經(jīng)過選擇的、含一定數(shù)量比的兩種或兩種以上的組分（或組元），通過人工復合而成 的，具有特殊性能的多相固體材料-復合材料。 各組分保持各自固有特性的同時可最大限度地發(fā)揮各種組分的優(yōu)點，賦予單一材料所不具備的優(yōu)良特殊性能。復合材料傳統(tǒng)復合材料：6000年前人類就已經(jīng)會用稻草加粘土作為建筑復合材料。 復合材料水泥復合材料已廣泛地應(yīng)用于高樓大廈和河堤大壩等的建筑，發(fā)揮著極為重要的作用。近代：玻璃纖維增強塑料（1940年1960年）；先進復合材料（1960年

6、）： 碳纖維、Kevlar增強環(huán)氧樹脂，碳纖維增強金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、功能復合材料、智能復合 材料。復合材料我國世界聞名的傳統(tǒng)工藝品漆器，就是由麻纖維和土漆復合而成的，至今已有4000多年的歷史 彩繪變形鳥紋雙耳長盒 西漢復合材料人造義肢炭纖維布加固和修復復合材料昆明世博園玻璃鋼游覽車玻碳纖維自行車架全碳滑雪用品復合材料具有可設(shè)計性；人工制造而非天然形成的；性能取決于各組分性能及協(xié)同效應(yīng)；組元間有明顯界面或呈梯度變化的多相材料。特點復合材料可設(shè)計性： 復合材料的力學、物理性能除了由纖維、樹脂的種類及體積含量而定外，還與纖維的排列方向、鋪層順序和層數(shù)密切相關(guān)。因此，可以根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的

7、載荷分布及使用條件的不同，選取相應(yīng)的材料及鋪層設(shè)計來滿足既定的要求。復合材料的這一特點可以實現(xiàn)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計，做到安全可靠、經(jīng)濟合理。復合材料的基本結(jié)構(gòu)模式 復合材料由基體和增強劑兩個組分構(gòu)成：基體：構(gòu)成復合材料的連續(xù)相； 增強劑（增強相、增強體）：復合材料中獨立的分布在整個基體中的分散相，這種分散相的性能優(yōu)越，會使材料的性能顯著改善和增強。 增強劑（相）一般較基體硬，強度、模量較基體大，或具有其它特性?？梢允抢w維狀、顆粒狀或彌散狀。 增強劑（相）與基體之間存在著明顯界面。復合材料復合材料復合材料的分類 1、按性能分類 ： 普通復合材料：普通玻璃、合成或天然纖維增強普通聚合物復合材料，如玻璃鋼

8、、鋼筋混凝土等。 先進復合材料：高性能增強劑（碳、硼、氧化鋁 SiC 纖維及晶須等）增強高溫聚合物、金屬、陶瓷和碳（石墨）等復合材料。 先進復合材料的比強度和比剛度應(yīng)分別達到 400MPa / (g / cm3) 和40GPa / (g / cm3) 以上。復合材料2、 按基體材料分類： 聚合物復合材料 金屬基復合材料 陶瓷基復合材料 碳碳復合材料3、 按用途分類 結(jié)構(gòu)復合材料 功能復合材料 結(jié)構(gòu) / 功能一體化復合材料 4、按增強劑分類 顆粒增強復合材料 晶須增強復合材料 短纖維增強復合材料 連續(xù)纖維增強復合材料 混雜纖維增強復合材料 三向編織復合材料復合材料復合材料復合材料復合材料復合材料

9、 復合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。 復合材料中以纖維增強材料應(yīng)用最廣、用量最大。其特點是比重小、比強度和比模量大。 復合材料的基本性能（優(yōu)點）： 1、高比強度、高比模量（剛度）： 比強度 = 強度/密度 MPa /（g/cm3）, 比模量 = 模量/密度 GPa /（g/cm3）。復合材料 2、良好的高溫性能： 目前： 聚合物基復合材料的最高耐溫上限為350 C； 金屬基復合材料按不同的基體性能，

10、其使用溫度在350 1100 C范圍內(nèi)變動； 陶瓷基復合材料的使用溫度可達1400C； 碳/碳復合材料的使用溫度最高可達2800C。復合材料3、良好的尺寸穩(wěn)定性： 加入增強體到基體材料中不僅可以提高材料的強度和剛度，而且可以使其熱膨脹系數(shù)明顯下降。通過改變復合材料中增強體的含量，可以調(diào)整復合材料的熱膨脹系數(shù)。復合材料4、良好的化學穩(wěn)定性： 聚合物基復合材料和陶瓷基復合材料。5、良好的抗疲勞、蠕變、 沖擊和斷裂韌性： 陶瓷基復合材料的脆性得到明顯改善6、良好的功能性能典型復合材料性能-聚合物復合材料材 料GFRP玻璃纖維增強熱固性塑料（玻璃鋼）CFRP 碳纖維增強熱固性塑料 鋼鋁鈦密度, g/c

11、m32.01.6 7.82.8 4. 5拉伸強度,GPa1.21.81.4 0.48 1. 0比強度600 1120 180 170210拉伸模量,GPa 42130 210 77110比模量21 81272725熱膨脹系數(shù)(10-6/K)8 0.2 12 23 9.0復合材料復合材料增強相含量VoL%抗拉強度MPa拉伸模量GPa密度g/cm3 AlBF /AlCVD SiCF /AlNicalon SiCF /AlCF /AlFP Al2O3 F/AlAl2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVD SiCF/TiBF / Ti050503540355050182020354548012

12、00-15001300-1500700-900500-800650900500-620400-5101500-17501300-15007720022021023095 11010015022013096 138100210 2302202.82.62.853.02.62.43.32.92.82.83.93.7復合材料典型復合材料性能-金屬基復合材料材料整體陶瓷顆粒增韌晶須增韌金 屬Al203ZrO2/Al203SiC/ Al203鋁鋼斷裂韌性2.74.26.51581033444466復合材料典型復合材料性能-陶瓷基復合材料聚合物基復合材料 復合材料由增強材料和聚合物基體組成。基體的三種主要

13、作用是：把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保護纖維不受環(huán)境影響。在復合材料的成形過程中，基體經(jīng)過一系列物理的、化學的和物理化學的復雜變化過程，與增強纖維復合成具有一定形狀的整體。因此，基體材料的性能直接影響復合材料的性能，而它的工藝性則直接影響復合材料的成形方法與工藝參數(shù)的選擇。復合材料聚合物復合材料的性能（1）高比強、高比模量。（2）設(shè)計性強、成型工藝簡單。 （3）熱膨脹系數(shù)低，尺寸穩(wěn)定。（4）耐腐蝕、抗疲勞性能好。 （5）減震性能好。（6）高溫性能較好。 （7）安全性能好。復合材料復合材料密度復合材料拉伸強度復合材料彈性模量復合材料比強度比模量 聚合物基復合材料的基體材料是樹脂，用作基材的

14、樹脂首先要具有較高的力學性能、介電性能、耐熱性能和耐老化性能，并且要施工簡便，有良好的工藝性能。樹脂大致可分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩類。前者有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等；后者有聚酰胺、聚砜、聚酰亞胺、聚脂等。這兩類基體材料在使用方法上有很大的不同。復合材料聚合物基體復合材料復合材料 增強材料:能和聚合物復合，形成復合材料后其比強度和比模量超過現(xiàn)有金屬的物質(zhì)。增強相：一般具有很高的力學性能（強度、彈性模量），及特殊的功能性。其主要作用是承受載荷或顯示功能。顆粒 均布、各向同性纖維（長、短纖維和晶須） 各向異性或同性 層片 各向異性復合材料碳纖維復合材料碳纖維是由有機纖維經(jīng)高溫固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維狀

15、聚合碳，主要成分為碳的無機纖維。 具有重量輕、強度高、模量高、導電、導熱、膨脹系數(shù)小、自潤滑、耐高溫、化學穩(wěn)定性好，優(yōu)良的X射線透過性，阻止中子透過性等特點。 由于價格高，一般用于要求高強、耐高溫的重要結(jié)構(gòu)件，如航天航空、高檔體育器材中。復合材料碳纖維的分類1.根據(jù)碳纖維的性能分為： 高強、高模、中模和低性能碳纖維T300(3.5GPa)、 T700(4.9GPa)、 T800、 T1000 1k(1000)高性能型碳纖維抗拉強度在2000MPa以上，主要用于航天、航空和軍工等領(lǐng)域；通用型碳纖維抗拉強度在6001200MPa左右，主要用于機械制造、建筑和體育用品，如剎車片、軸承、密封材料等。其

16、它：活性碳纖維、氣相生長碳纖維、納米碳纖維等復合材料2.根據(jù)原絲類型分類 聚丙烯腈基纖維 人造絲基(粘膠)纖維 瀝青基纖維 木質(zhì)素纖維基碳纖維 其它有機纖維(多環(huán)結(jié)構(gòu)的天然纖維，再生纖維等) 復合材料制備方法碳化法 生產(chǎn)長纖維拉絲： 制有機長纖維牽伸： 規(guī)整環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使其平行于軸向，提高結(jié)晶度。 氧化穩(wěn)定：低溫，400 ，防止熱塑化。碳化： 10002000，保護性氣氛下，脫氫、交聯(lián)、環(huán)化， 得亂層環(huán)狀石墨。石墨化： 20003000，亂層環(huán)結(jié)構(gòu)向三維石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，形成 聚合碳結(jié)晶，并平行于軸向。密度、強度、彈性模量增 高，熱膨脹系數(shù)下降。但溫度過高強度反而下降。氣相法 生產(chǎn)短纖維 惰性氣氛，

17、高溫分解小分子有機物（烴類），氣相沉積纖維結(jié)晶。復合材料復合材料碳纖維編織布碳纖維板碳纖維碳纖維編織環(huán)碳管復合材料碳纖維高爾夫球桿碳纖維結(jié)構(gòu)件碳纖維自行車碳纖維齒輪C/C軸承止推環(huán)芳綸纖維: 芳綸學名叫芳香族聚酰胺纖維，是以含苯環(huán)的二氨基化合物與含苯環(huán)的二羧基化合物為原料制成的，屬于聚酰胺纖維。芳綸所用原料不同有多種牌號，如尼龍6T、芳綸1414、芳綸14、芳綸1313等。其中以芳綸1414、芳綸1313最為成熟，產(chǎn)量最大，使用最多。復合材料復合材料 芳綸發(fā)明于20世紀60年代，由美國和蘇聯(lián)等首先研制成功，并于70年代投入工業(yè)化生產(chǎn)。目前美、德、日、俄等國已生產(chǎn)芳綸1414，總生產(chǎn)能力為4.1

18、萬噸/年。美、日、俄等國生產(chǎn)芳綸1313，總生產(chǎn)能力為2.4噸/年。 我國于20世紀70年代開始研究芳綸，已基本上掌握了其生產(chǎn)技術(shù)及工藝條件，但這種產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程復雜，對技術(shù)與設(shè)備的條件要求很高，目前只有小規(guī)模生產(chǎn)。 芳綸1414的商品名叫凱芙拉（Kevlar），所用原料是對苯二甲酰氯和對苯二胺。 Kevlar被稱作高強度、高模量纖維，其強度是普通錦綸或滌綸纖維的4倍，為鋼絲的5倍、鋁絲的10倍。沖擊強度可比金屬高6倍。模量為錦綸的20倍，比玻璃纖維和碳纖維的模量都高。使用壽命比玻璃纖維長310倍。長期使用溫度為240，在400 以上才開始燒焦。缺點是橫向強度低，壓縮和剪切性能差。 復合材

19、料密度1.44，比各種金屬都要輕得多?；瘜W性能很穩(wěn)定。主要用于航空航天和國防軍工領(lǐng)域，主要用于制作各種復合材料，用于空間飛行器、飛機、直升飛機等的內(nèi)部及表面，還可用于宇宙飛船、火箭發(fā)動機外殼、導彈發(fā)射系統(tǒng)?？捎糜谥谱鞣缽椧?、防彈頭盔、輪胎簾子線和抗沖擊織物。復合材料復合材料復合材料芳綸編織布芳綸復合防彈衣芳綸纖維防彈頭盔自行車鏈輪航空、航天器玻璃纖維: 最早用于聚合物基復合材料的一種增強材料。美國于1893年即研究成功玻璃纖維，1938年工業(yè)化并作為商品出售，40年代初即應(yīng)用于航空工業(yè)。復合材料 玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等。

20、它是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝。最后形成各類產(chǎn)品，玻璃纖維單絲的直徑從幾微米到二十幾微米，相當于一根頭發(fā)絲的 1/20-1/5 ，每束纖維原絲都有數(shù)百根甚至上千根單絲組成，通常作為復合材料中的增強材料。 復合材料 玻璃纖維具有很高的拉伸強度，不僅超過了各種天然纖維和合成纖維，同時也超過一般鋼材的強度。玻璃纖維的強度與直徑和長度的大小有關(guān)，一般來說直徑越細，拉伸強度越高；拉伸試件越長，強度越小。玻璃纖維的彈性模量不高，與純鋁的模量接近，只有普通鋼的1/3。彈性模量低是其主要缺點。玻璃纖維受力時，其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性基本上是一條直線，沒有塑性變形階段，屬于具有脆性特

21、征的彈性材料。它的扭轉(zhuǎn)強度、剪切強度均較其它纖維低。復合材料復合材料 玻璃纖維還具有耐熱、耐腐蝕、優(yōu)良的電絕緣性能與光學性能。玻璃纖維外觀為光滑的圓柱體，斷面為圓形。由于其表面光滑，與樹脂結(jié)合力小，需加偶聯(lián)劑才能與樹脂結(jié)合。 玻璃纖維生產(chǎn)用的最廣泛的方法是坩堝法拉絲和池窯漏板法拉絲兩種。玻璃纖維制品主要有纖維布、纖維氈和纖維帶等。玻璃纖維布可分為平紋布、斜紋布、無捻粗紗布（方格布）、單向布、無紡布等。玻璃纖維氈又分為短切纖維氈、表面氈及連續(xù)纖維氈等。復合材料復合材料制玻璃球鉑金坩堝熔融小漏孔拉絲 （102、204、408孔）涂浸潤劑并股成紗紡織成布、氈或帶。 坩堝爐復合材料復合材料 池窯拉絲是

22、國際上普遍采用的玻璃纖維生產(chǎn)新工藝，該技術(shù)特點是，采用重油或燃氣加熱單元窯，粉料直接熔化成玻璃，經(jīng)燃氣加熱的成型通路，由多臺（數(shù)十到上百臺）漏板同時拉制各種規(guī)格的玻璃纖維原絲。具有生產(chǎn)規(guī)模大、效率高、能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點，能適應(yīng)800至4000孔大漏板拉絲成型的要求，是生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本玻璃纖維材料的最佳方法。復合材料玻璃池窯池窯拉絲復合材料濕法氈生產(chǎn)線復合材料復合材料玻璃鋼采光板玻璃鋼汽車保險杠玻璃鋼型材透光型玻璃鋼體育館采光賽艇、帆船殼體復合材料的組成基體Matrix增強體Reinforcement界面Interface復合材料復合材料一、典型界面結(jié)合：物理結(jié)合是一種比較弱的結(jié)合方式。

23、1.物理結(jié)合 （機械咬合 + 次價鍵結(jié)合）液態(tài)基體滲入纖維表面微孔，固化后形成咬合界面。粗糙界面、低的表面能和低粘度，有利于物理結(jié)合。極性樹脂：酚醛、聚酰胺、環(huán)氧等，與極性纖維具有良好的潤濕性，并可形成次價鍵結(jié)合。非極性樹脂：聚乙烯、聚丙烯。聚四氟乙烯等，結(jié)合力弱，復合效果差。CF表面極性差，經(jīng)氧化后可提高結(jié)合力。復合材料2.擴散融合 兩相成分不同，經(jīng)擴散或熔融形成過渡層，性質(zhì)介于兩相之間，結(jié)合力較強。 金屬與陶瓷基復合溫度較高，小分子和原子易于擴散，較常見。 3.化學結(jié)合 化學鍵結(jié)合力強。但當兩相親合力過強，可能發(fā)生化學反應(yīng)，界面形成較厚的脆性化合物時，性能反而下降。a是玻纖增強PP的沖擊試

24、樣的斷口掃描電鏡照片，（a）是加入MPP相容劑的玻纖增強體系，( a）中玻璃纖維與基體的結(jié)合較好，纖維拔出較少.復合材料（b）是未加相容劑的玻纖增強體系。（b）中有大量的玻纖從基體中拔出，證明與基體的粘接性較差，因而體系的力學性能不高。復合材料 先進復合材料技術(shù)的實際應(yīng)用，在飛行器設(shè)計與制造中具有重要的地位。這是因為復合材料的許多優(yōu)異性能，如比強度和比模量高、優(yōu)良的抗疲勞性能、獨特的材料可設(shè)計性、以及成型加工性能優(yōu)良等，都是飛行器結(jié)構(gòu)盼望的理想性能。復合材料在飛行器中應(yīng)用比強度和比模量高 比強度和比模量這兩個參量是衡量材料承載能力的重要指標。比強度和比模量較高說明材料重量輕，而強度和剛度大。這

25、是結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是航空、航天結(jié)構(gòu)設(shè)計對材料的重要要求?，F(xiàn)代飛機、導彈和衛(wèi)星等機體結(jié)構(gòu)正逐漸擴大使用纖維增強復合材料的比例。復合材料在飛行器中應(yīng)用 減輕結(jié)構(gòu)的重量可大大節(jié)約飛機的使用成本，據(jù)國外有關(guān)資料報告，先進戰(zhàn)斗機每減重1kg，就可節(jié)約1760美元。西方國家在很短的時間內(nèi)就實現(xiàn)了從非受力件和次受力件到主受力件應(yīng)用的過渡，無論是用量還是技術(shù)覆蓋面都有了很大的發(fā)展。目前正在研制的戰(zhàn)斗機中所使用的復合材料可占飛機結(jié)構(gòu)總重量的50%以上。復合材料在飛行器中應(yīng)用 高性能飛行器結(jié)構(gòu)重量輕，還可以減少燃料消耗，延長留空時間，飛得更高更快或具有更好的機動性；也可以安裝更多的設(shè)備，提高飛行器的綜合性能。 飛機

26、隱身技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，進一步擴大了對復合材料技術(shù)的需求。在繼民用飛機中出現(xiàn)全復合材料飛機之后又出現(xiàn)了全復合材料機身的隱身轟炸機。復合材料在飛行器中應(yīng)用耐疲勞性能好 一般金屬的疲勞強度為抗拉強度的4050%，而某些復合材料可高達7080%。復合材料的疲勞斷裂是從基體開始，逐漸擴展到纖維和基體的界面上，沒有突發(fā)性的變化。因此，復合材料在破壞前有預兆，可以檢查和補救。纖維復合材料還具有較好的抗聲振疲勞性能。用復合材料制成的直升飛機旋翼，其疲勞壽命比用金屬的長數(shù)倍。復合材料在飛行器中應(yīng)用減振性能良好 纖維復合材料的纖維和基體界面的阻尼較大，因此具有較好的減振性能。用同形狀和同大小的兩種粱分別作振動試驗

27、，碳纖維復合材料粱的振動衰減時間比輕金屬粱要短得多。復合材料在飛行器中應(yīng)用過載安全性好 在纖維增強復合材料的基體中有成千上萬根獨立的纖維。當用這種材料制成的構(gòu)件超載，并有少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個構(gòu)件不至于在短時間內(nèi)喪失承載能力。復合材料在飛行器中應(yīng)用耐熱性能好 在高溫下，用碳或硼纖維增強的金屬其強度和剛度都比原金屬的強度和剛度高很多。普通鋁合金在400時，彈性模量大幅度下降，強度也下降；而在同一溫度下，用碳纖維或硼纖維增強的鋁合金的強度和彈性模量基本不變。復合材料的熱導率一般都小，因而它的瞬時耐超高溫性能比較好。復合材料在飛行器中應(yīng)用全復合材料機身飛機

28、（Lear Fan 2100）復合材料在飛行器中應(yīng)用B2隱形轟炸機復合材料在飛行器中應(yīng)用F-18戰(zhàn)斗機復合材料在飛行器中應(yīng)用波音767客機復合材料在飛行器中應(yīng)用TAG公司推出全復合材料機體無人直升機 復合材料在飛行器中應(yīng)用 如今，復合材料在飛機上的應(yīng)用已非常廣泛，復合材料在總材料中的比例逐步提高，成為衡量飛機結(jié)構(gòu)先進性的重要指標。相對而言，常規(guī)的金屬材料占比越來越小。 與波音777飛機相比，復合材料在波音787中的占比有很大提升，達到50%，遠超過鋁所占的20%。而波音777中復合材料約占12%，鋁占50%。 復合材料在飛行器中應(yīng)用復合材料在飛行器中應(yīng)用波音787復合材料的使用 復合材料在飛行

29、器中應(yīng)用典型桶狀機身：1,500張鋁板共40,00050,000個緊固件。復合材料桶狀機身：緊固件減少了80%。 從國內(nèi)情況看當前國內(nèi)飛機型號應(yīng)用復合材料的比例越來越高，應(yīng)用復合材料的部件越來越大，復合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)也越來越復雜，復合材料構(gòu)件已經(jīng)逐步從次承力構(gòu)件到主承力構(gòu)件轉(zhuǎn)變，復合材料的垂直安定面、水平尾翼、前機身、艙門、整流罩等構(gòu)件已在多種型號飛機上使用并形成了批量生產(chǎn)能力。機翼、旋翼等主承力構(gòu)件也已經(jīng)在小批量生產(chǎn)。復合材料在飛行器中應(yīng)用 目前國內(nèi)復合材料在飛機上應(yīng)用最多的是新研制的中、高空長航時無人機，其機體復合材料的使用量達到70%，機翼翼展18米，為全復合材料結(jié)構(gòu)；其中，機翼整體盒段

30、運用設(shè)計工藝一體化技術(shù)，將機翼的前、后梁，上蒙皮和所有中間肋整體共固化成型，在復合材料應(yīng)用技術(shù)上有所突破。在自行設(shè)計制造的某新型武裝直升機上，大量采用了復合材料，其機身結(jié)構(gòu)、主槳葉、尾槳葉和尾段為全復合材料結(jié)構(gòu)。復合材料在飛行器中應(yīng)用長航時無人機某新型武裝直升機復合材料在飛行器中應(yīng)用復合材料在飛行器中應(yīng)用用作航天系統(tǒng)及武器的復合材料樹脂基復合材料 具有質(zhì)量輕、強度和剛度高、阻尼大的特點，可用于先進載人航天器、空間站和固體發(fā)動機的結(jié)構(gòu)件，是航天領(lǐng)域中用量較多的結(jié)構(gòu)復合材料。與常規(guī)金屬材料相比，可減輕構(gòu)件質(zhì)量20%60%。主要材料有石墨/環(huán)氧、硼/環(huán)氧、石墨/聚酰亞胺和聚醚酮等。國內(nèi)外在防空導彈天

31、線罩的制造中也應(yīng)用或正在開展應(yīng)用工作。復合材料在飛行器中應(yīng)用金屬基復合材料 以金屬或合金為基體、并以纖維、晶須、顆料等為增強體。高比強度、比剛度、良好韌性和塑性、低膨脹系數(shù)、良好的導電和導熱性、抗輻射、抗激光及制造性能好，在太空環(huán)境不放氣，按所用的基體金屬和增強體的不同，工作使用溫度范圍約在3001200。用于先進載人器的起落架等機身輔助結(jié)構(gòu)以及慣性器件和儀表結(jié)構(gòu)等。主要材料有碳化硅/鋁、氧化鋁/鋁、碳化硅/鈦、碳化硅/鈦鋁化合物和石墨/銅等。復合材料在飛行器中應(yīng)用 陶瓷基復合材料 具有使用溫度高、抗氧化性和抗微裂紋性能好、質(zhì)量輕、強度和剛度高特點，可用于航天飛機的機頭錐、機翼前緣熱結(jié)構(gòu)和蓋板

32、結(jié)構(gòu)。主要材料有碳/碳化硅、碳化硅/碳化硅、硼化鋯/碳化硅和硼化鉿/碳化硅等，其中硼化物陶瓷基復合材料被認為是抗氧化最強的高溫材料，耐熱溫度達2200。復合材料在飛行器中應(yīng)用碳/碳復合材料 以碳或石墨纖維為增強體。具有良好的抗氧化性、耐高溫和高應(yīng)力，是現(xiàn)有復合材料中工作溫度最高的材料。主要用于載人航天器的熱結(jié)構(gòu)、面板結(jié)構(gòu)和發(fā)動機噴管燒蝕防熱結(jié)構(gòu)等。超輕、超剛性結(jié)構(gòu)用的石墨泡沫材料（SGF）目前正在研究中，它有可能用于包括機翼、無人機及衛(wèi)星在內(nèi)的結(jié)構(gòu)件。復合材料在飛行器中應(yīng)用 一半以上的碳/碳復合材料用于飛機剎車裝置，具有重量輕、耐高溫、比熱容大、壽命長、剎車力矩平穩(wěn)、噪音小等優(yōu)點。 前蘇聯(lián)的“

33、暴風雪”號航天飛機所用的復合材料達5t之多，在機翼前緣和頭錐罩應(yīng)用了碳/碳復合材料充當最重要的隔熱部分，工作溫度1600。 美國“哥倫比亞”號航天飛機在頭錐和機翼前緣也使用了碳/碳復合材料，工作溫度大于1200。美國國防部將研制碳/碳部件和輕質(zhì)航天器材料技術(shù)作為重點高技術(shù)范疇加以保護。 復合材料在飛行器中應(yīng)用復合材料在飛行器中應(yīng)用復合材料在飛行器中應(yīng)用復合材料在飛行器中應(yīng)用復合材料在飛行器中應(yīng)用復合材料在飛行器中應(yīng)用復合材料在飛行器中應(yīng)用復合材料在飛行器中應(yīng)用復合材料在飛行器中應(yīng)用復合材料在飛行器中應(yīng)用復合材料在飛行器中應(yīng)用復合材料在飛行器中應(yīng)用 摩擦學：研究相對運動的相互作用表面及其相關(guān)理論

34、和實踐的一門科學技術(shù),是控制摩擦行為、預防磨損失效、提高工作可靠性所必須掌握的一門基礎(chǔ)知識。摩擦：兩個物體作相對運動時，其接觸界面上存在的切向阻抗現(xiàn)象，稱為（外）摩擦。同一物體（如流體或變形中的固體）各部分作相對運動時，其分子間的阻抗現(xiàn)象稱為內(nèi)摩擦。運動方向FNP物體摩擦時的受力情況自潤滑復合材料摩擦: 是相對運動的物體表面間的相互阻礙作用并消耗 能量的現(xiàn)象；磨損:是運動副之間的摩擦而導致零件表面材料的逐漸 損傷或遷移的現(xiàn)象；潤滑:是減輕摩擦和磨損所應(yīng)采取的措施。 摩擦作為大多數(shù)機械中不希望出現(xiàn)的阻力，消耗著大量的能源,世界上1/31/2的能源消耗在摩擦上，而現(xiàn)代裝備的失效也主要源于三種形式，

35、即磨損、斷裂和腐蝕，其中磨損約占60以上。自潤滑復合材料無潤滑油潤滑自潤滑復合材料 自潤滑是由自潤滑材料本身含有的潤滑介質(zhì)，在工作過程中逐漸向配對副摩擦界面轉(zhuǎn)移，形成低剪切特性的潤滑轉(zhuǎn)移膜實現(xiàn)的；對于許多工況條件處于少油潤滑或無油潤滑的狀態(tài)，自潤滑材料顯示了獨特的優(yōu)越性。 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度和負荷、以及對其使用可靠性的要求不斷提高，促進了具有自潤滑功能的復合材料產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用和新材料的研究開發(fā)。自潤滑復合材料自潤滑復合材料應(yīng)用自潤滑復合材料固體潤滑劑： 固體潤滑劑是指用以分隔摩擦副對偶表面的一層低剪切阻力的固體材料。 在摩擦過程中，自潤滑材料中的固體潤滑劑和周圍介質(zhì)

36、與摩擦表面發(fā)生物理、化學反應(yīng)生成固體潤滑膜，以降低摩擦與磨損。因此固體潤滑劑或固體膜必須滿足： 與金屬底材有良好的附著性； 有低的剪切強度； 有良好的穩(wěn)定性； 有強的承載能力。 自潤滑復合材料 適宜于大氣中潤滑的Gr、BN等；適宜于真空潤滑的MoS2、WS2、PbO等；對于氟化物和金屬氧化物則是在高溫下軟化而具有潤滑性，因此必須根據(jù)外界條件選擇合適的固體潤滑劑才能達到應(yīng)有的減摩潤滑效果。 固體潤滑劑種類：固體潤滑劑的種類很多，常用的固體潤滑劑： 層狀結(jié)構(gòu)材料：石墨（Gr）、MoS2、MoSe2、WSe2、BN等； 質(zhì)地較軟的金屬： Ag、In、Pb、Sn等； 高分子材料：PTFE、尼龍、聚乙烯

37、、聚酰亞胺； 其它無機化合物：如氟化鋰、氟化鈣、氧化鉛、硫化鉛磷酸鹽、鉬酸鹽等）自潤滑復合材料名 稱 密度 莫氏硬度 摩擦系數(shù) 有效溫度 g/cm3 HM oCPTFEPbAgInPbOCaF2GrMoS2BNTalc(滑石)Mica (云母)WS2MoTe2WSe2NbSe2MoSe2 2.13 0.04-0.20 -275 4 300 80 0.9 480-850 3.18 4.0 0.20-0.25 600-8002.09-2.23 0.5-1.0 0.14-0.19 500-600 4.62-4.80 1.0-1.5 0.16-0.20 250-350 2.30-3.30 20 -0.

38、25 -700 2.58-2.83 1.0-2.0 -0.25 -200 2.70-2.80 2.8 -0.25 7.40-7.50 1.0-1.5 0.14-0.18 -430 7. 70 1.0-2.0 0.19 -400 8.00 1.0-2.0 0.10-0.17 -540 6.25 1.0-2.0 0.11-0.17 -350 6.90 1.0-2.0 0.16-0.20 -540表1 常用固體潤滑劑及性能 自潤滑復合材料礦物 電子照片 天然極壓強度氧化溫度耐蝕性環(huán)境28000kgf/cm2350除王水、熱硫酸、熱硝酸外真空MoS2自潤滑復合材料功能氧化溫度耐蝕性環(huán)境成本導電、導熱4

39、50耐酸、堿大氣低晶質(zhì)石墨世界探明儲量2.3億噸，中國1.7億噸。Gr自潤滑復合材料氮化硼：六方氮化硼（HBN）、密排六方氮化硼（WBN）和立方氮化硼（CBN）。 六方氮化硼有白色石墨之稱，類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，有良好的潤滑性，電絕緣性導熱性和耐化學腐蝕性。化學性質(zhì)穩(wěn)定對所有熔融金屬化學呈惰性。 理論密度為2.29克/立方厘米。莫氏硬度2，抗氧溫度900，真空耐高溫2000，在氮和氬中使用熔點為3000。自潤滑復合材料圖1PTFE的分子構(gòu)造PTFE自潤滑復合材料固體潤滑劑的作用形式自潤滑復合材料自潤滑復合材料料。承載基體賦予自潤滑材料強度、硬度、耐高溫等機械性能，以及抗氧化耐腐蝕性能；固體潤滑劑

40、具有自潤滑效果，在摩擦副之間形成固體潤滑轉(zhuǎn)移膜，賦予材料穩(wěn)定的減摩、潤滑性能。 以金屬、陶瓷或非金屬為基體組元，加入固體潤滑劑和一些附加組元，通過一定工藝制備而成的具有一定強度和自潤滑性能的復合材整體固體自潤滑材料自潤滑復合材料常用陶瓷有 Al2O3、SiN、SiC、BC等，耐高溫、耐腐蝕，工作溫度6001200鎳基：耐高溫、耐腐蝕，工作溫度6001200 ；鐵基：價格便宜，工作溫度從室溫500 ；銅基：耐腐蝕、導電導熱性好，工作溫度從室溫400；鋁基：耐腐蝕、重量輕，工作溫度從室溫200。金屬陶瓷高分子材料：尼龍、聚乙烯、聚醚醚酮等，耐腐蝕、 重量輕，工作溫度低。自潤滑復合材料對偶件GN復合材料(a) 摩擦開始階段對偶件GN復合材料對偶件GN復合材料對偶件GN復合材料 (b) 石墨擠出表面 (c) 形成斷續(xù)潤滑膜 (d) 石墨形成連續(xù)潤滑膜 自潤滑復合材料自潤滑復合材料鑲嵌型