第1章 復(fù)合材料概論

復(fù)合材料力學(xué)復(fù)合材料概論1課程說明工程力學(xué)/固體力學(xué)專業(yè)課時(shí)：32學(xué)時(shí)任課教師：董紀(jì)偉聯(lián)系方式手機(jī)/p>

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54031450郵箱：dongjiwei_21@163.com

公郵用戶名:composite2011密碼：gclx2011參考教材R.M.瓊斯：復(fù)合材料力學(xué)（中、英文）沈觀林、胡更開：復(fù)合材料力學(xué)，清華大學(xué)出版社王震鳴：復(fù)合材料力學(xué)與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)StephenW.Tasi：復(fù)合材料設(shè)計(jì)李順林：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法講義文獻(xiàn)（圖書館和互聯(lián)網(wǎng)）學(xué)習(xí)方法和要求概念清晰，基礎(chǔ)扎實(shí)力學(xué)與材料相結(jié)合宏觀和細(xì)觀相結(jié)合試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合從實(shí)踐中來，回到實(shí)踐中去考核：平時(shí)20%+大作業(yè)30%+考試（開卷）50%復(fù)合材料力學(xué)的相關(guān)課程材料力學(xué)復(fù)合材料學(xué)復(fù)合材料力學(xué)彈性力學(xué)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法復(fù)合材料動(dòng)力學(xué)非線性復(fù)合材料力學(xué)柔性復(fù)合材料力學(xué)編織復(fù)合材料力學(xué)固體力學(xué)范疇1.1復(fù)合材料及其種類

定義：由兩種或多種不同性質(zhì)的材料用物理和化學(xué)方法在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料。一般一種材料作為基體，其他材料作為增強(qiáng)體一般復(fù)合材料的性能優(yōu)于其組分材料的性能，且有些性能是原來組分材料所沒有的

宏觀尺度上的組合，存在著明顯的界面（微觀尺度上的組合—合金）自然界中普遍存在著天然復(fù)合材料樹木、骨骼、草莖與泥土復(fù)合等天然材料幾乎都是復(fù)合材料，采取復(fù)合的形式是自然的規(guī)律六千年以前，陜西西安半坡村的仰韶文化住房遺址說明我國(guó)古人已經(jīng)開始用草混在泥土中筑墻和鋪地，這種草泥就是最原始的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，它與現(xiàn)代高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料非常相似人的能動(dòng)性復(fù)合材料實(shí)例CelluloseStrandsLigninPolymer天然復(fù)合材料復(fù)合材料包括三要素：基體材料、增強(qiáng)相及復(fù)合方式（界面結(jié)合形式）按增強(qiáng)相形狀不同，可分為顆粒、連續(xù)纖維、短纖維、彌散晶須、層狀、骨架或網(wǎng)狀、編織體增強(qiáng)復(fù)合材料等按照基體材料的不同，復(fù)合材料包括聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料等按使用功能不同，可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料等按結(jié)構(gòu)特征不同，可分為層合復(fù)合材料、點(diǎn)陣復(fù)合材料、紡織復(fù)合材料（編織、機(jī)織、縫合等）復(fù)合材料的要素和分類常用纖維及基本性能玻璃纖維（E型玻璃，S型玻璃）

強(qiáng)度高、延伸率大；彈性模量低碳纖維（高強(qiáng)，高模，極高模）

比強(qiáng)度、比模量高；延伸率低（脆性）硼纖維

直徑大，不能作成織物芳綸纖維

不導(dǎo)電，抗剪性高、延性好陶瓷纖維（碳化硅或氧化鋁）抗氧化、耐腐蝕、耐高溫、與金屬相容性好常用基體及基本性能樹脂基體（熱固性、熱塑性）

應(yīng)用最廣泛，浸潤(rùn)性好，固化成型方便

熱固性：環(huán)氧、酚醛、聚酯、聚酰亞胺熱塑性：尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯金屬基體（Al、Mg、Cu、Ni、Ti、合金等）

耐高溫、表面抗侵蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱、不透氣陶瓷基體（SiC等）

耐超高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好；脆性，耐沖擊性差碳素基體（C/C復(fù)合材料）最有發(fā)展前途的新型耐高溫材料在聚合物基復(fù)合材料（RMC）中，增強(qiáng)材料是決定復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、模量、延伸率的關(guān)鍵組分，增強(qiáng)纖維的種類、機(jī)械性能、物理特征、纖維體積含量及纖維的取向決定了復(fù)合材料的性質(zhì)樹脂基體則是粘接并包容纖維，使纖維免受摩擦損傷，均衡和傳遞構(gòu)件所承受的載荷的主要組分，樹脂基體的種類、物理特性和化學(xué)特性決定了復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度（非纖維方向）、壓縮強(qiáng)度、耐化學(xué)腐蝕等性質(zhì)）聚合物（樹脂）基復(fù)合材料歷史曾用材料來劃分人類的文明時(shí)代的四次重大突破天然材料：新石器時(shí)代人工材料：銅器和鐵器時(shí)代合成材料：塑料（1924）、橡膠（1931）復(fù)合材料：玻璃纖維（1942）玻璃纖維增強(qiáng)塑料（FiberGlassReinforcedPlastics,FRP）：俄文叫“CTeknonJ1Anhk”（玻璃塑料）。當(dāng)時(shí)中文里沒相應(yīng)的詞，想到材料里有玻璃，強(qiáng)度又高，就叫“玻璃鋼”復(fù)合材料的發(fā)展金屬材料的高峰四分天下復(fù)合材料的發(fā)展復(fù)合材料經(jīng)歷了古代、近代和現(xiàn)代三個(gè)階段自古以來，人們就會(huì)使用天然的復(fù)合材料——木材、竹、骨骼等。最原始的人造復(fù)合材料是在粘土泥漿中摻稻草，制成土磚；在灰泥中摻馬鬃或在熟石膏里加紙漿，可制成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料近代復(fù)合材料最早的有玻璃纖維增強(qiáng)樹脂（如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等）——玻璃鋼高性能纖維和其他各種形式的先進(jìn)復(fù)合材料第二次世界大戰(zhàn)后期，為了增加雷達(dá)罩透波率，研制成玻璃鋼，沒料到這類復(fù)合材料后來由于它有高的比強(qiáng)度和比剛度而成為使鋼、鋁、鈦等金屬有時(shí)相形見拙的新型結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料的發(fā)展復(fù)合材料的發(fā)展

天然復(fù)合材料功能復(fù)合材料智能復(fù)合材料仿生復(fù)合材料納米復(fù)合材料生物復(fù)合材料復(fù)合結(jié)構(gòu)先進(jìn)復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料碳/碳復(fù)合材料玻璃鋼先進(jìn)復(fù)合材料（AdvancedCompositeMaterials，簡(jiǎn)稱ACM）是指加進(jìn)了新的高性能纖維的而區(qū)別于低技術(shù)的玻璃纖維增強(qiáng)塑料的復(fù)合材料(美國(guó)麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系教授J.P.Clark，1985)以碳纖維、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、金屬與陶瓷等為基體，制成的具有比玻璃纖維復(fù)合材料更好性能的先進(jìn)復(fù)合材料復(fù)合材料的發(fā)展隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用和人們?cè)谠牧?、?fù)合工藝、界面理論、復(fù)合效應(yīng)等方面實(shí)踐和理論研究的深入，使人們對(duì)復(fù)合材料有了更全面地認(rèn)識(shí)現(xiàn)在人們可以更能動(dòng)地選擇不同的增強(qiáng)材料（顆粒、片狀物、纖維及其織物等）和基體進(jìn)行合理的性能（功能和力學(xué)）設(shè)計(jì)（如宏觀的鋪層設(shè)計(jì)、微細(xì)觀界面設(shè)計(jì)等）采用多種特殊工藝使其復(fù)合或交叉結(jié)合，從而制造出高于原先單一材料的性能或開發(fā)出單一材料所不具備的性質(zhì)和使用性能，如優(yōu)異的力學(xué)性能、物理-化學(xué)多功能（電、熱、磁、光、耐燒蝕等）或生物效應(yīng)的各類高級(jí)復(fù)合材料。因此“復(fù)合”涵蓋的范圍也越來越廣復(fù)合材料的發(fā)展與其他高技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展緊密結(jié)合，復(fù)合材料的內(nèi)涵不斷拓展從宏觀尺度的復(fù)合到納米尺度的復(fù)合從結(jié)構(gòu)材料到結(jié)構(gòu)功能一體化材料和多功能復(fù)合材料從簡(jiǎn)單復(fù)合到非線性復(fù)合效應(yīng)的復(fù)合從復(fù)合材料到復(fù)合結(jié)構(gòu)從機(jī)械設(shè)計(jì)到仿生設(shè)計(jì)復(fù)合材料的發(fā)展1.2復(fù)合材料的構(gòu)造及制法纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)造形式1.單層復(fù)合材料（單層板）2.疊層復(fù)合材料（層合板）3.短纖維復(fù)合材料復(fù)合材料的制造方法1.手糊成型法——玻璃纖維樹脂復(fù)合材料2.壓力成型法——碳纖維樹脂基復(fù)合材料3.纏繞成型法——樹脂基復(fù)合材料（回轉(zhuǎn)體）4.樹脂傳遞模型塑造（RTM）制造纖維預(yù)制體（編織、機(jī)織、針織）RTM成型工藝裝置示意圖1.3復(fù)合材料的力學(xué)分析方法宏觀力學(xué)——?jiǎng)偠?、?qiáng)度等宏觀特性分析假設(shè)材料是均質(zhì)的，只從復(fù)合材料的平均表觀性質(zhì)來檢驗(yàn)組份材料的作用細(xì)觀力學(xué)——探究破壞機(jī)理，提高性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從細(xì)觀角度分析組份材料（纖維、基體）之間的相互作用研究復(fù)合材料的物理力學(xué)性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)從更粗略的角度（疊層材料）來分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，疊層復(fù)合材料的力學(xué)性能由宏觀力學(xué)方法或?qū)嶒?yàn)方法求出用于復(fù)合材料板、殼等結(jié)構(gòu)件的彎曲、屈曲、振動(dòng)、疲勞、斷裂、損傷等問題的研究1.4復(fù)合材料的力學(xué)性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要力學(xué)性能1.比強(qiáng)度——縱向拉伸強(qiáng)度和相對(duì)密度的比值2.比模量——縱向拉伸模量和相對(duì)密度的比值比強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比比模量數(shù)據(jù)對(duì)比復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)1.比強(qiáng)度高2.比模量高3.可設(shè)計(jì)性好——控制鋪層方式及參數(shù)4.制造工藝簡(jiǎn)單，成本較低5.某些復(fù)合材料熱穩(wěn)定好（碳纖維、芳綸纖維等）6.耐高溫性能好（陶瓷基、碳/碳復(fù)合材料等）復(fù)合材料的缺點(diǎn)1.各向異性嚴(yán)重2.材料性能分散度比較大3.材料成本較高4.有些復(fù)合材料韌性較差，機(jī)械連接困難1.5復(fù)合材料的應(yīng)用1.5復(fù)合材料的應(yīng)用主要應(yīng)用于國(guó)防、航空、航天等尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域民用領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大型建筑、橋墩、水壩、橋梁等石油工業(yè)原油輸送、生產(chǎn)、貯存、致冷設(shè)備、氣缸、海上平臺(tái)等交通運(yùn)輸業(yè)汽車結(jié)構(gòu)件、纖維增強(qiáng)高速公路路面及配套設(shè)備、鐵路牽引機(jī)車和車輛、艦船殼體和輔助構(gòu)件、高性能自行車等能源工業(yè)火力發(fā)電的通風(fēng)、管道、冷卻系統(tǒng)，水力發(fā)電的電站、壩體和隧道建設(shè)以及風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源方面體育、娛樂產(chǎn)業(yè)高性能體育器械：網(wǎng)球、棒球、高爾夫、賽車、滑雪、魚桿等生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域電子、信息產(chǎn)業(yè)國(guó)防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用國(guó)防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料是國(guó)防、航空航天領(lǐng)域不可替代的關(guān)鍵材料之一，其水平和用量是國(guó)防、航空航天產(chǎn)品先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一將先進(jìn)復(fù)合材料用于航空航天結(jié)構(gòu)上可相應(yīng)減重20~30%，這是其他先進(jìn)技術(shù)無法達(dá)到的效果，因此其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，繼鋁、鋼、鈦之后，已迅速發(fā)展成四大航空航天結(jié)構(gòu)材料之一航空航天工業(yè)的發(fā)展為先進(jìn)復(fù)合材料提出了需求和經(jīng)費(fèi)支持，先進(jìn)復(fù)合材料的成功應(yīng)用促進(jìn)了航空航天的進(jìn)步。對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的需求不斷增加，體現(xiàn)了國(guó)防航空航天領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)復(fù)合材料研發(fā)的巨大牽引國(guó)防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用導(dǎo)彈、戰(zhàn)機(jī)的航程、速度和機(jī)動(dòng)性不斷提高，要求實(shí)現(xiàn)武器裝備的輕質(zhì)化和小型化，從而要求采用高比強(qiáng)度、高比模量的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。航空航天復(fù)合材料從最初的木材、帆布、發(fā)展到鋁合金、鈦合金，再發(fā)展到復(fù)合材料，反映了航空航天技術(shù)的發(fā)展歷史一直伴隨著結(jié)構(gòu)材料比強(qiáng)度、比模量不斷提高的過程現(xiàn)在國(guó)外復(fù)合材料在武器裝備上的應(yīng)用有兩個(gè)明顯的技術(shù)特征，即范圍越來越大和性能越來越好輕質(zhì)化——國(guó)防、航空航天的永恒主題降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量提高結(jié)構(gòu)效率增加有效載荷增加射程和續(xù)航能力減小能耗、降低成本機(jī)動(dòng)性能和生存能力國(guó)防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用以碳/碳、碳/酚醛等為代表的多向編織防熱復(fù)合材料是洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)部件無可替代的防熱/結(jié)構(gòu)材料，要承受超高溫、高壓和多相粒子流的高速?zèng)_刷等極為惡劣的服役環(huán)境，對(duì)其使用規(guī)范、可靠性能否做出準(zhǔn)確估算將取決于對(duì)該過程力學(xué)現(xiàn)象的理解深度國(guó)防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用國(guó)防、航空航天領(lǐng)域追求性能第一的特點(diǎn)，使得其成為先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)率先實(shí)驗(yàn)和轉(zhuǎn)化的戰(zhàn)場(chǎng)彈箭主體結(jié)構(gòu)、彈頭、整流罩、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等各個(gè)部位衛(wèi)星承力結(jié)構(gòu)、天線、太陽電池帆板等坦克裝甲、避彈產(chǎn)品等最大限度地追求復(fù)合材料化國(guó)防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭減少1Kg結(jié)構(gòu)重量，增加射程20Km戰(zhàn)略導(dǎo)彈三級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)減少1Kg結(jié)構(gòu)重量，增加射程16Km某第三級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用碳/環(huán)氧復(fù)合材料后，結(jié)構(gòu)質(zhì)量由原來的116千克降為46千克，僅此就將導(dǎo)彈射程提高1000Km以上國(guó)防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用國(guó)防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用國(guó)防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用國(guó)防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用輕質(zhì)化——國(guó)防、航空航天的永恒主題ReusablelaunchVehicle（RLV）SpaceOperationsVehicle(SOV)HypersonicCruiseVehicle(HCV)CommonAeroVehicle(CAV)EnhancedCAV(ECAV)ExpendableLaunchVehicles（ELV）SmallLaunchVehicle(SLV)輕質(zhì)化——國(guó)防、航空航天的永恒主題X-43“Stratellite”飛艇HCV太空船1號(hào)

HAAHeliosX-33復(fù)合材料液氫貯箱貯箱結(jié)構(gòu)形式為二層薄輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料層板，中間為浸樹脂Kevlar紙蜂窩，環(huán)氧樹脂膠粘接關(guān)鍵技術(shù)為耐低溫樹脂的研發(fā)及其固化工藝實(shí)驗(yàn)未能成功：其破壞的直接原因是由于低溫導(dǎo)致樹脂基體開裂，氫氣泄漏，升溫后裂紋愈合，將氣體包裹在里面臨近空間發(fā)展的飛行器復(fù)合多層結(jié)構(gòu)（TPS、熱結(jié)構(gòu)、機(jī)體結(jié)構(gòu)）巨型框架和支撐結(jié)構(gòu)（幾百米的量級(jí)）先進(jìn)復(fù)合材料/充氣承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/材料/連接/動(dòng)作殲擊機(jī)更新?lián)Q代及其相關(guān)的關(guān)鍵材料殲擊機(jī)代表機(jī)型技術(shù)特征關(guān)鍵材料第一代F-100超聲速鋼、鋁合金（一代）第二代F-4全天候鋁合金（二代）高溫合金（一代）第三代F-15高機(jī)動(dòng)性高性能鈦合金、定向凝固高溫合金（二代）先進(jìn)復(fù)合材料（一代）第四代F-22超聲速巡航、非常規(guī)機(jī)動(dòng)、隱身先進(jìn)復(fù)合材料（二代）單晶高溫合金（三代）軍用先進(jìn)材料技術(shù)在

軍機(jī)結(jié)構(gòu)減重中的重要性及發(fā)展趨勢(shì)010203040501960195019701980199020002010主動(dòng)載荷控制及顫振控制自動(dòng)化設(shè)計(jì)先進(jìn)結(jié)構(gòu)概念新材料及改進(jìn)型材料年代結(jié)構(gòu)減重（％）材料技術(shù)對(duì)軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重的貢獻(xiàn)率達(dá)到70%航空航空領(lǐng)域的材料體系更加強(qiáng)調(diào)性能和可靠性的綜合，只有應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料才能實(shí)現(xiàn)減重20%以上尾翼（垂尾和平尾）復(fù)合材料化：占結(jié)構(gòu)重量達(dá)到5-7%機(jī)翼復(fù)合材料化：占結(jié)構(gòu)重量達(dá)到12-15%前機(jī)身和中機(jī)身復(fù)合材料化：占結(jié)構(gòu)重量>25%航空三十多年來走過了一條由小到大，由弱到強(qiáng)、由少到多、由結(jié)構(gòu)到功能的發(fā)展道路，大致分為三個(gè)階段第一階段：用于艙門、口蓋、整流罩以及襟、副翼、方向舵等操縱面上，受力較小、規(guī)模較小，于60年代末~70年代初完成第二階段：用于垂尾、平尾等受力較大、規(guī)模較大的尾翼一級(jí)部件，自70年代初始，至今仍在延續(xù)，現(xiàn)軍機(jī)尾翼一級(jí)部件已均為復(fù)合材料的了。其中F-14的硼/環(huán)氧復(fù)合材料平尾于1971年前后研制成功，是復(fù)合材料發(fā)展史上一個(gè)重要里程碑，此后則有F-15、F-16、F-18、B1-B、幻影2000和幻影4000等，此時(shí)復(fù)合材料用量一般不超過結(jié)構(gòu)總重的5%航空第三階段：用于機(jī)翼、機(jī)身等主要受力結(jié)構(gòu)上、受力很大、規(guī)模很大。其中美國(guó)麥道飛機(jī)公司于1976年率先研制F-18的復(fù)合材料機(jī)翼，并于1982年進(jìn)入服役，把復(fù)合材料用量提高到了13%，此后該公司又將復(fù)合材料用于AV-8B的機(jī)翼和前機(jī)身上，其用量為26%，使復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用跨入了第三個(gè)階段，自80年代初始至今此后世界各國(guó)較新研制的性能先進(jìn)的軍機(jī)機(jī)翼一級(jí)的部件已幾乎無一例外地都是復(fù)合材料的了，機(jī)身也程度不同的采用了復(fù)合材料：如美國(guó)的B-2、F-22、F-35（JSF），法國(guó)的“陣風(fēng)”（Rafale）、瑞典的JAS39、歐洲英、德、意、西四國(guó)的“臺(tái)風(fēng)”（EF2000），日本的F2、印度的LCA、俄羅斯的C-37等目前軍機(jī)上復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)總重的20~50%左右不等航空四十年代的原子彈、五十年代的北極星導(dǎo)彈，高度機(jī)密機(jī)型復(fù)合材料用量(%)應(yīng)用部位F-140.8平尾蒙皮、水平安定面抗扭盒F-151.6垂直安定面、方向舵、水平安定面蒙皮、減速板F-163.4垂直安定面抗扭盒、安定面前緣、方向舵幻影20008.4垂尾安定面抗扭盒蒙皮、方向舵、升降副翼、電子艙口蓋、起落架艙門幻影400010.7垂直安定面、方向舵、升降副翼、鴨翼F-1812.1垂尾、平尾、操縱面、減速板、前緣、口蓋、機(jī)翼翼面蒙皮AV-8B26.3翼身整流罩、發(fā)動(dòng)機(jī)艙門、副翼、襟翼、升降舵方向舵、前機(jī)身、機(jī)翼抗扭盒蒙皮和結(jié)構(gòu)Rafale24操縱面、起落架艙門、檢修門、鴨翼、機(jī)翼、機(jī)身（50%）EF200030垂尾、鴨翼、前機(jī)身、起落架艙門、進(jìn)氣道、機(jī)翼、機(jī)身JAS3930垂尾、鴨翼、前機(jī)身、起落架艙門、進(jìn)氣道、機(jī)翼F-2226垂尾、平尾、升降副翼、襟翼、口蓋、起落架艙門、機(jī)翼、前機(jī)身、中機(jī)身B-250迄今最大的52米翼展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)X-29-前掠翼X-31A17前機(jī)身蒙皮、進(jìn)氣道、前翼、垂尾、方向舵、機(jī)翼蒙皮V-2251機(jī)翼整體壁板、梁、肋、前后緣機(jī)翼、尾翼航空航空J(rèn)10J11B先進(jìn)復(fù)合材料占機(jī)體重量百分比四代機(jī)我國(guó)J10的復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的6%，正在研發(fā)的J11B用量提高到了9%，戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料用量?jī)?chǔ)備達(dá)到了20%以上航空結(jié)構(gòu)功能一體化美國(guó)于1988年相繼公布了“F-117A”隱身戰(zhàn)斗機(jī)和“B-2”隱身轟炸機(jī)研制成功的信息；1990年披露了“AGM-129A”先進(jìn)隱身巡航導(dǎo)彈已經(jīng)進(jìn)行試飛；1993年公布了“海影號(hào)”隱身戰(zhàn)艦試航的消息；同時(shí)指出：“對(duì)各軍兵種來說，擁有一種隱身武器，可能與五十年代擁有一種和能力具有同樣的重要性”美國(guó)第四代先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)“F-22”已經(jīng)裝備部隊(duì)，該機(jī)實(shí)現(xiàn)了隱身、速度和機(jī)動(dòng)性的高度統(tǒng)一，其雷達(dá)散射截面僅為0.05m2，比“F-15”下降了100倍以上航空在這些隱身飛行器上無一例外地大量采用了復(fù)合材料。如“B-2”機(jī)身結(jié)構(gòu)，除主梁和發(fā)動(dòng)機(jī)采用鈦合金外，其余皆由碳纖維和石墨纖維等復(fù)合材料構(gòu)成；“F-22”前機(jī)身復(fù)合材料用量占50%、中機(jī)身占30%，機(jī)翼占38%，比例相當(dāng)可觀。這是對(duì)飛行器隱身、結(jié)構(gòu)重量、特殊外形的制造等各方面要求綜合考慮的結(jié)果。值得注意的是，在“B-2”和“F-22”飛機(jī)上采用了結(jié)構(gòu)新型吸波材料。它由具有不同電磁特性和力學(xué)性能的樹脂基體、增強(qiáng)纖維、吸收劑和特種蜂窩芯材所組成。該結(jié)構(gòu)的最外層具有良好的透波性能，而底層為全反射層，以阻止雷達(dá)波束進(jìn)入機(jī)（彈）體內(nèi)部，中間層為經(jīng)過阻抗匹配設(shè)計(jì)的吸收損耗層，包括特種蜂窩芯材，在蜂窩空格中可以填充吸波材料，對(duì)雷達(dá)波起到“透”、“吸”、“散”的作用。該結(jié)構(gòu)型吸波材料能夠吸收較寬頻帶的雷達(dá)波，同時(shí)具有良好的力學(xué)性能，是一種多功能材料F-117材料應(yīng)用情況PEEK-聚醚醚酮F-22材料應(yīng)用情況25%（24%為熱固性樹脂復(fù)合材料，1%為熱塑性樹脂復(fù)合材料，幾乎覆蓋了飛機(jī)的全部外表面）B-2材料應(yīng)用情況大型民機(jī)第一階段：受力很小的構(gòu)件：前緣、口蓋、整流罩、擾流板等，該階段約于70年代中期結(jié)束第二階段：受力較小的部件：升降舵、方向舵、襟副翼等。1975年NASA開始執(zhí)行ACEE計(jì)劃（飛機(jī)節(jié)能計(jì)劃）：減重、節(jié)油、增加商載。該階段約于80年代初結(jié)束第三階段：受力較大的部件：平尾、垂尾仍在ACEE計(jì)劃下執(zhí)行，該階段約于85年前后完成第四階段：在生產(chǎn)型飛機(jī)上正式設(shè)計(jì)應(yīng)用大型民機(jī)機(jī)型類別最大起飛重量結(jié)構(gòu)重量復(fù)合材料用量圖204近-中程/150-186座/窄機(jī)身93.529.43.2伊爾96-300中-遠(yuǎn)程/187-250座/寬機(jī)身230654.02A-300-600中-遠(yuǎn)程/251-350座/寬機(jī)身165516.2A-310-300中-遠(yuǎn)程/187-250座/寬機(jī)身15044.76.2A-320近-中程/150-186座/窄機(jī)身7220.84.5A-340中-遠(yuǎn)程/251-350座/寬機(jī)身2357611B-777中-遠(yuǎn)程/350座以上/寬機(jī)身--9.9大型民機(jī)國(guó)外客機(jī)A3105垂直安定面抗扭盒A3205.5垂直安定面、水平安定面、外側(cè)襟翼A3408中央翼盒、襟翼B-7673襟翼、副翼、整流裝置B-77711尾翼等MD-11-副翼、襟翼、外翼蒙皮MD-12-機(jī)翼翼盒的蒙皮及其它次要構(gòu)件大型民機(jī)大型民機(jī)波音：B777：共用復(fù)合材料9.9噸，占結(jié)構(gòu)總重的11%B7E7：（Soniccruiser）：擬采用60%空中客車A320、321、322：15%A380：25%，32噸支線客機(jī)和公務(wù)機(jī)：10-20%大型民機(jī)Boeing-7777E7（Boeing787）7E7客機(jī)將是第一架包括機(jī)翼和機(jī)身在內(nèi)大部分主體結(jié)構(gòu)由復(fù)合材料制成的商用噴氣式客機(jī)項(xiàng)目專家說，改用復(fù)合材料這一飛機(jī)設(shè)計(jì)的重大變革可能會(huì)給全球的鋁工業(yè)帶來沉重打擊波音民機(jī)集團(tuán)副總裁邁克·拜爾（MikeBair):“復(fù)合材料為我們提供了多種優(yōu)勢(shì)，如耐用性更強(qiáng)、維修率更低，而且未來具有極大的研發(fā)潛力，我們相信，隨著人類飛行進(jìn)入第二個(gè)世紀(jì)，這一選擇將幫助波音在采用現(xiàn)代化的材料技術(shù)方面，占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位”大型民機(jī)歐洲Airbus-A380雙層，500-650人，2004首飛，2006交付中央翼盒、部分外翼、機(jī)身上蒙皮壁板、地板梁、后隔板框、垂尾、平尾等使用復(fù)合材料僅碳纖維復(fù)合材料用量可達(dá)32噸左右，加上其他各種復(fù)合材料，估計(jì)總用量在25%左右開創(chuàng)大型民機(jī)大量使用復(fù)合材料的先河超混雜復(fù)合材料Glare大量采用（耐疲勞）熱塑性復(fù)合材料（機(jī)翼前緣）復(fù)合材料焊接技術(shù)大型民機(jī)大型民機(jī)Airbus-A380超混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料Glare是玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層板，與以前發(fā)展的芳綸纖維增強(qiáng)鋁合金層板ARALL相比，除成本較低外，還具有極好的雙軸向承載和適于機(jī)身的疲勞性能大型民機(jī)輕型飛機(jī)、通用航空（70-90%）小型民機(jī)又稱輕型飛機(jī)，一般乘員不超過9人，該類飛機(jī)用復(fù)合材料量最大，有許多全復(fù)合材料飛機(jī)（90%以上），如LearFan2100、AVTEK400、Lancair320、Starship1、Voyager等其中Starship1（星舟1號(hào)）是第一個(gè)獲得FAA合格證的全復(fù)合材料飛機(jī)，Voyager（旅游者號(hào)）于1986年創(chuàng)下了不加油，不著陸連續(xù)環(huán)球飛行9天、40252km的世界紀(jì)錄通用航空是指除軍用航空和民用運(yùn)輸航空以外，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)服務(wù)的所有航空活動(dòng)的總稱，該領(lǐng)域多與輕型飛機(jī)相關(guān)，在我國(guó)具有較大的發(fā)展空間

Voyager直升機(jī)（50-80%中國(guó)：50%）包括軍用直升機(jī)、民用直升機(jī)和輕型直升機(jī)，在各種直升機(jī)上先進(jìn)復(fù)合材料的用量均較大，超過軍機(jī)、民機(jī)的用量美國(guó)有ACAP（AdvancedCompositeApplicationPlan）計(jì)劃。在此計(jì)劃下研制了H360，S-75，BK-117、V-22等均大量應(yīng)用了復(fù)合材料典型的V-22，可垂直起落、傾轉(zhuǎn)旋翼后又能高速巡航，用復(fù)合材料3000公斤，占結(jié)構(gòu)總重的50%左右；RAH66（50%）；歐洲的Tiger，虎式武裝直升機(jī)用量更高達(dá)80%直升機(jī)直升機(jī)直升機(jī)臺(tái)灣緯華直升機(jī)公司的ULTRASPORT系列超輕型直升機(jī)為全復(fù)合材料直升機(jī)，雙座的輕達(dá)180kg，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的世界之最無人機(jī)（50-80%，中國(guó)目標(biāo)：80%）各種無人機(jī)，包括無人偵察機(jī)和無人作戰(zhàn)飛機(jī)（UCAV-UninhabitedCombataerialVehicle），作為一種新型航空作戰(zhàn)武器是當(dāng)前發(fā)展研究的一個(gè)熱點(diǎn)無人機(jī)具有低成本、輕結(jié)構(gòu)、高機(jī)動(dòng)、大過載、長(zhǎng)航程、高隱身、低使用壽命、長(zhǎng)儲(chǔ)存壽命的鮮明技術(shù)特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了其對(duì)減重有迫切的需求，從而對(duì)復(fù)合材料有迫切的需求各種無人機(jī)上復(fù)合材料的用量較有人機(jī)的要大，一般在50~80%之間，有的甚至是全復(fù)合材料飛機(jī)無人機(jī)全球鷹（GlobalHawk）、捕食者(Predator）、暗星（DarkStar）等，以色列的先鋒（Pioneer）、搜索者（Searcher）等均為全復(fù)合材料無人機(jī)UCAV中的X-45A，2000年9月27日出廠、2002年5月22日首飛X-45B，將于2005年首飛，批生產(chǎn)時(shí)可能完全由復(fù)合材料制成（90%以上）X-47（為海軍用）于2001年2月出廠，2002年交首飛，基本上為全復(fù)合材料飛機(jī)未來-納米碳纖維復(fù)合材料單壁碳納米管的彈性模量可以達(dá)到1TPa，強(qiáng)度達(dá)到200GPa納米超級(jí)結(jié)構(gòu)材料未來-納米碳纖維復(fù)合材料未來-納米碳纖維復(fù)合材料納米管提高了LOCAAS(美國(guó)低成本自主功攻擊系統(tǒng)）的延伸翼設(shè)計(jì)水平，飛行特性模擬顯示了納米管機(jī)翼的優(yōu)勢(shì)提高空中巡邏時(shí)間：12%提高了機(jī)動(dòng)靈活性(“G”Loading)：24%atMach0.3降低了燃油消耗：13%（飛行25000英尺）民用領(lǐng)域民用領(lǐng)域復(fù)合材料是典型的軍民兩用技術(shù)，民用領(lǐng)域的規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軍用領(lǐng)域，以CFRP為例宇航應(yīng)用：18%體育休閑用品：37%工業(yè)應(yīng)用：45%體育用品這是一個(gè)開發(fā)較早，有穩(wěn)定需求的應(yīng)用領(lǐng)域高爾夫球拍：4000萬只/年，約占總數(shù)的80%以上，“已碳化了”，其他各種球拍（網(wǎng)球拍、羽毛球拍等）500～600萬只/年，幾乎獨(dú)占市場(chǎng)釣魚桿：1200萬只/年，約占總數(shù)的50%以上自行車：12萬輛/年其他：賽艇、賽車、弓箭、滑雪板、桿等等。前4項(xiàng)約占CF耗量的85%左右，其他只占15%左右我國(guó)的臺(tái)灣有“復(fù)合材料體育用品王國(guó)”之稱，但近年來已向大陸轉(zhuǎn)移。臺(tái)灣碳纖維約有3000噸/年的產(chǎn)能體育用品體育用品基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）系指建筑領(lǐng)域的房屋、橋梁、隧道、涵洞、地鐵及其相關(guān)的混凝土工程，其修復(fù)、更新、加固已構(gòu)成復(fù)合材料目前極重要的應(yīng)用領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)合材料在建筑和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中有很大潛力，復(fù)合材料為主體的建筑具有抗震、耐蝕、輕質(zhì)、隔音、隔熱等特點(diǎn)。事實(shí)證明水泥基復(fù)合材料和高性能復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋，在建筑業(yè)是性能優(yōu)異的新材料，特別是在應(yīng)用于橋墩、水壩、大型建筑、橋梁等大型基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)等方面，顯示出有極大的競(jìng)爭(zhēng)性，其優(yōu)越性在日本神戶和美國(guó)洛山磯的地震中得到證實(shí)，施工質(zhì)量好而且費(fèi)用低采用復(fù)合材料研制高速公路橋面臺(tái)板是經(jīng)過大量試驗(yàn)，包括靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度評(píng)定后選擇的，它具有良好的耐候性、韌性和抗惡劣環(huán)境的能力。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，價(jià)格下降給復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。復(fù)合材料在建筑工業(yè)的應(yīng)用中三個(gè)動(dòng)向：復(fù)合材料代替鋼筋、代替木質(zhì)型材、在橋梁或基礎(chǔ)設(shè)施方面的應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施汽車與交通在交通運(yùn)輸工業(yè)方面，復(fù)合材料已經(jīng)成功地應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件、纖維增強(qiáng)高速公路路面及配套設(shè)備、鐵路牽引機(jī)車和車輛、艦船殼體和輔助構(gòu)件、高性能自行車等領(lǐng)域，并且需求量越來越大汽車材料是汽車工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一，材料和汽車的制造成本密切相關(guān)，也對(duì)汽車整體性能的提高有重要的影響，先進(jìn)復(fù)合材料可以大幅度提高汽車性能和節(jié)約能源，在未來5年中先進(jìn)復(fù)合材料汽車將大規(guī)摸占領(lǐng)市場(chǎng)汽車與交通復(fù)合材料可用做傳動(dòng)軸、框架和車身部件、彈簧片、儲(chǔ)能飛輪以及液化石油氣容器。1995年美國(guó)汽車工業(yè)使用的各種復(fù)合材料近4.5萬噸，西方汽車制造業(yè)正日益廣泛地利用復(fù)合材料。增強(qiáng)劑主要是玻璃纖維，其次是碳纖維，而基體材料美國(guó)主要使用熱固性樹脂，而歐洲則多采用熱塑性樹脂。美國(guó)的達(dá)納公司已成功地將碳纖維復(fù)合材料用作傳動(dòng)軸,每年生產(chǎn)50萬根，碳纖維用量約250噸汽車與交通克林頓政府提出的“超級(jí)汽車”要求輕質(zhì)底盤和框架，以便使車輛百公里耗油量減至3升；發(fā)展電動(dòng)汽車也要求輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，先進(jìn)復(fù)合材料可以滿足這些要求通用汽車公司已有多年制造汽車和卡車復(fù)合材料彈簧的經(jīng)驗(yàn)，該公司利用連續(xù)的E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，采用一種改進(jìn)的纏繞工藝制造復(fù)合材料彈簧，每年纖維用量近5000噸。在全電動(dòng)或電動(dòng)/天然氣混合車輛中，用作儲(chǔ)能裝置的超高速飛輪轉(zhuǎn)子需要高比強(qiáng)度纖維,高強(qiáng)度碳纖維是最好的候選材料。天然氣是高效清潔燃料，復(fù)合材料很適合用于制造壓縮天然氣容器HighperformancecarsTheuseofcarbonfibre/polymercompositescanresultinweightsavingsof75~80%comparedtosteel,30~40%comparedtoaluminium,and50%comparedtochoppedfibre-glassreinforcedcomposite.HighperformancecarsHighperformancecars賽車代表了汽車發(fā)展方向和未來將要采用的技術(shù)據(jù)估計(jì)，當(dāng)碳纖維的市場(chǎng)價(jià)格降至11$/kg時(shí)，CFRP將會(huì)在汽車行業(yè)大量使用，目前據(jù)這一目標(biāo)還有近一倍的差距目前又反彈了海洋石油工業(yè)充分發(fā)揮復(fù)合材料高耐腐蝕性的優(yōu)勢(shì)管道系統(tǒng)、油罐、油箱、圍欄、扶手、通道、堅(jiān)井、抽油桿等海洋石油工業(yè)今后十