復(fù)合材料與航空

報告人：李延灝2012.9

復(fù)合材料與航空內(nèi)容碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料復(fù)合材料的加工復(fù)合材料概述一二三一復(fù)合材料概述1

復(fù)合材料簡介

先進(jìn)復(fù)合材料(AdvancedCompositeMaterials,ACM)

ACM的特點(diǎn)：

比強(qiáng)度、比模量高

可設(shè)計(jì)性強(qiáng)

抗疲勞性能好

耐腐蝕性能優(yōu)越

便于大面積整體成型等

2

復(fù)合材料的分類ACMBECDA陶瓷基樹脂基金屬基碳基其它3纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（1）碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CarbonFiberReinforcedPlastic,CFRP）（2）玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GlassFiberReinforcedPlastic,GFRP），主要由SiO2

玻璃熔體制成，某些性能接近于鋼，可代替鋼使用，故又稱“玻璃鋼”（3）硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BoronFiberReinforcedPlastic,BFRP），應(yīng)用起步稍晚，性能與CFRP接近?；w為樹脂。（4）芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（KevlarFiberReinforcedPlastic,KFRP）

在航空、航天等工業(yè)中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用得較多，主要有：4復(fù)合材料的性質(zhì)復(fù)合材料密度ρ/(g·cm-3)抗拉強(qiáng)度σb/GPa比強(qiáng)度/（m2·s-2）GFRP2.01.04520CFRP1.61.5937KFRP2.01.75875BFRP1.41.4100040CrNiMoA鋼7.81.41181硬鋁2.80.49175常用增強(qiáng)材料的性能纖維或顆粒名稱密度ρ/(g·cm-3)抗拉強(qiáng)度σb/GPa彈性模量E/GPa玻璃纖維（高模量）2.5-2.63.8-4.693-108碳纖維（高模量）1.75-1.952.3-2.9275-304芳綸纖維1.43-1.465.0134硼纖維2.52.8-3.1383-392Al2O3纖維3.972.1167SiC纖維3.183.4412SiC晶須3.193-14490Al2O3顆粒3.950.76400SiC顆粒3.211.53655

復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀軍用飛機(jī)用復(fù)合材料現(xiàn)狀機(jī)種Aircraft國家Country用量/%Content應(yīng)用部位CompositestructureRafale法國40機(jī)翼、垂尾、機(jī)身、副翼、方向舵等JAS-39瑞典30機(jī)翼、垂尾、前機(jī)身、副翼、方向舵、各種口蓋等F-22美國25機(jī)翼壁板、垂尾、機(jī)身蒙皮、方向舵、各種口蓋等V-22美國45機(jī)翼、機(jī)身、發(fā)動機(jī)懸掛接頭、葉片緊固裝置等EF-2000歐洲四國50機(jī)翼、垂尾、機(jī)身、副翼、方向舵等S-37俄羅斯機(jī)翼、進(jìn)氣道、機(jī)身、保形外掛架等F-35美國30機(jī)翼、垂尾、機(jī)身蒙皮、方向舵、各種口蓋等RAH-66美國51機(jī)身蒙皮、艙門、中央龍骨大梁、整流罩、旋翼等JXⅡ中國2機(jī)翼壁板、外翼壁板、主起落護(hù)板JXⅢ中國1.7前機(jī)身、垂尾JX中國6垂尾、副翼、方向舵、鴨翼、腹鰭Z9中國25旋翼、涵道垂尾、尾槳葉、機(jī)身等民用客機(jī)復(fù)合材料的用量機(jī)型（Aircraft）最大起飛質(zhì)量/t結(jié)構(gòu)質(zhì)量/t復(fù)合材料用量/t圖204(150-186座)93.529.43.2伊爾96(187-250座)230654.02B-757(200座)1151.4B-767(200-300座)1871.5B-777(350座以上)2309.9A-300（251-350）165516.2A-310（187-250座）15044.76.2A-320(150-186座)7220.84.5A-340(251-350座)2357611A-380(550-990座)56027560.5二碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料

1碳纖維簡介

日本東麗

三菱人造絲

東邦耐克絲

德國西格里（SGL）

美國赫氏（Hexcel）

氰特（Cytec）

卓爾泰克（Zoltek）全球七大碳纖維生產(chǎn)商：70%70年代PAN基T300高強(qiáng)T系列高模M系列MJ系列公司總產(chǎn)量的80%以上是T3002

碳纖維牌號碳纖維牌號拉伸強(qiáng)度MPa拉伸模量GPa斷裂伸長%密度g/cm3廠家T30035302301.51.76TORAYCAT400H44102501.81.80T700S49102302.11.80T800H54902941.91.81T1000G63702942.11.80T100070602942.41.82M35J47003431.41.75M40J44103771.21.77M46J42104361.01.84M50J39204750.81.88M55J39205400.71.93M60J39205880.71.94AS620712351.651.8HERCULESIM651402761.731.7IM753472761.81.8IM853133041.611.8IM963432901.01.792

碳纖維牌號碳纖維牌號拉伸強(qiáng)度MPa拉伸模量GPa斷裂伸長%密度g/cm3廠家T30035302301.51.76TORAYCAT400H44102501.81.80T700S49102302.11.80T800H54902941.91.81T1000G63702942.11.80T100070602942.41.82M35J47003431.41.75M40J44103771.21.77M46J42104361.01.84M50J39204750.81.88M55J39205400.71.93M60J39205880.71.94AS620712351.651.8HERCULESIM651402761.731.7IM753472761.81.8IM853133041.611.8IM963432901.01.792

碳纖維牌號碳纖維牌號拉伸強(qiáng)度MPa拉伸模量GPa斷裂伸長%密度g/cm3廠家T30035302301.51.76TORAYCAT400H44102501.81.80T700S49102302.11.80T800H54902941.91.81T1000G63702942.11.80T100070602942.41.82M35J47003431.41.75M40J44103771.21.77M46J42104361.01.84M50J39204750.81.88M55J39205400.71.93M60J39205880.71.94AS620712351.651.8HERCULESIM651402761.731.7IM753472761.81.8IM853133041.611.8IM963432901.01.79抗拉強(qiáng)度最大3常用的樹脂基性質(zhì)3常用的樹脂基性質(zhì)A380：復(fù)合材料占25%，其中環(huán)氧基纖維復(fù)合材料占22%

4

幾種高性能環(huán)氧樹脂復(fù)合材料（1）T-300/4211體系（2）T-300/5208體系（3）T-300/LWR-1體系（4）T-300/914C體系

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。4211環(huán)氧基體由648酚醛環(huán)氧樹脂和BF3·MEA組成。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，對濕熱敏感。T-300/4211復(fù)合材料可在120℃以下使用。已用于飛機(jī)的垂直安定面，飛機(jī)進(jìn)氣道外側(cè)壁板等。（1）T-300/4211體系（2）T-300/5208體系美國Narmco公司1972年研制成功。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。性能好，能在177℃下使用，美國絕大多數(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。（3）T-300/LWR-1體系北京航空工藝研究所和黑龍江石化所1989年研制成功。LWR-1基體由E-54，DDS及促進(jìn)劑組成，它可中溫(120～130℃)固化。具有良好的耐濕熱性能。可在80℃以下使用。已用于前機(jī)身。

（4）T-300/914C體系目前歐洲空中客車飛機(jī)和海豚直升機(jī)等廣泛使用的高性能環(huán)氧復(fù)合材料。914C是一種改性環(huán)氧樹脂。T-300/914C預(yù)浸料由Ciba公司生產(chǎn)。T-300/914C復(fù)合材料與T-300/5208復(fù)合材料性能相當(dāng)?？稍?50～180℃使用。三復(fù)合材料的加工1復(fù)合材料的切削加工

復(fù)合材料用量越來越大，但一般近凈成形，尚未用于配合尺寸，一般不需要車、銑、磨等加工，機(jī)械加工包括制孔、切邊等。復(fù)合材料種類加工難度樹脂基較易金屬基稍難陶瓷基更難纖維增強(qiáng)較易顆粒增強(qiáng)很難2

復(fù)合材料的制孔專用刀具和工具名稱規(guī)格mm轉(zhuǎn)速r/minY330硬質(zhì)合金麻花鉆Φ2.5-Φ6Y330硬質(zhì)合金鉸刀Φ4-Φ6Y330硬質(zhì)合金锪窩鉆Φ3.5-Φ6×90°Φ3.5-Φ6×100°Φ3.5-Φ6×120°金剛石锪窩鉆Φ4-Φ6×90°Φ4-Φ6×100°Φ4-Φ6×120°鑲片硬質(zhì)合金麻花鉆Φ8-Φ13Y330硬質(zhì)合金三尖兩刃鉆Φ2.5-Φ6四直槽鉆鉸復(fù)合鉆頭Φ4-Φ6Y330硬質(zhì)合金雙刃定心鉆Φ5-Φ8可控進(jìn)給鉆Z5K4000高速手風(fēng)鉆Z6-2/317500鉆孔注意事項(xiàng)A鉆2.5-8mm的通孔，轉(zhuǎn)速為800r/min-2800r/min，進(jìn)給量為0.01mm/r-0.06mm/rB硬質(zhì)合金麻花鉆頭推薦的幾何參數(shù)C在CFRP、GFRP構(gòu)件上鉆孔時，應(yīng)在出口面加墊板加緊，盡量將鉆孔出口面放于锪窩面D對KFRP應(yīng)兩面加墊板加緊。轉(zhuǎn)速為2400r/min-4100r/min，進(jìn)給量為0.01mm/r-0.03mm/rE主軸全跳動不大于0.05mmF工具聲強(qiáng)不大于90dB鋒角后角橫刃寬mm螺旋角100°-120°10°-25°（0.1-0.3）d25°-30°注：d為鉆頭直徑3

鉸孔與擴(kuò)孔復(fù)合材料所用工具轉(zhuǎn)速CFRP硬質(zhì)合金鉸刀500r/minGFRP普通鉸刀KFRP雙刃定心鉆4

復(fù)合材料的锪窩

一般應(yīng)使用硬質(zhì)合金锪窩鉆或金剛石锪窩鉆，對GFRP可用普通锪窩鉆；硬質(zhì)合金锪窩鉆锪窩，轉(zhuǎn)速為500r/min-800r/min，金剛石锪窩鉆锪窩時轉(zhuǎn)速為800r/min-1400r/min，锪窩鉆必須在旋轉(zhuǎn)以后接觸工件。

5復(fù)合材料的鉚接常用的壓鉚設(shè)備：手提壓鉚機(jī)和固定壓鉚機(jī)。鉚接