复合材料航空航天

航空航天用复合材料的研究现状、制备方法、原理和运用

摘要：本文主要从复合材料的特点出发，针对在航空工业应用广泛的预形件成形和结构成形各项技术进行了全面系统的介绍。并对其在航空航天中的应用情况以及发展难点和研发现状作了简要概述。

关键词：复合材料、航空制造、航空运用

0.前言：复合材料（Advabced Composite Materirals ACM)成功地用于航空航天领域

仅有20多年的历史，它具有比强度比模量高，可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能优越以及便于大面积整体成型等显著优点，显示出比传统钢、铝合金结构材料更优越的综合性能，在飞机上已获得大量应用，可实现飞机结构相应减重25%～30%，作为21世纪的主导材料，先进复合材料的用量已成为飞机先进性，乃至航空航天领域先进性的一个重要标志，是世界强国竞相发展的核心技术，也是我国的重点发展领域。

一．复合材料的概述

1.1概念

复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。

1.2性能

复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧

蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。

1.3成型方法

复合材料的成型方法按基体材料不同各异。树脂基复合材料的成型方法较多，有手糊成型、喷射成型、纤维缠绕成型、模压成型、拉挤成型、RTM成型、热压罐成型、隔膜成型、迁移成型、反应注射成型、软膜膨胀成型、冲压成型等。金属基复合材料成型方法分为固相成型法和液相成型法。前者是在低于基体熔点温度下，通过施加压力实现成型，包括扩散焊接、粉末冶金、热轧、热拔、热等静压和爆炸焊接等。后者是将基体熔化后，充填到增强体材料中，包括传统铸造、真空吸铸、真空反压铸造、挤压铸造及喷铸等、陶瓷基复合材料的成型方法主要有固相烧结、化学气相浸渗成型、化学气相沉积成型等。

二．航空复合材料制造技术

2.1零件成形技术

复合材料零件成形技术是在满足零件外形的情况下，不损伤纤维并确保它们合理地分布在基体中而不产生重大空隙的工艺方法。目前在飞机机体上采用的复合材料零件成形技术主要有以下几种。

1）树脂转移模塑成形技术（RTM）

树脂转移模塑成形技术是一种低成本复合材料制造方法，最初主要用于飞机次承力结构件，如舱门和检查口盖。1996年美国防务预研局开展了高强度主承力构件的低成本RTM制造技术研究，从而使中小型复合材料RTM零件获得了较广泛的应用，而大型RTM件也在F-35的垂尾上应用成功。

2）树脂浸渍技术（RFI）

RFI工艺是一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的一种低成本复合材料成形技术。该技术由于只采用传统的真空袋压成形方法，免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具的加工，在制造出优异的制品的同时大大降低了制品的成本，目前主要应用于飞机雷达天线罩。该工艺虽然不采用热压罐固化零件，但还需要真空袋系统进行固化，而且工艺温度要求高，所以要求核心材料和工装能够承受高温。RFI适用于大平面或不太复杂的曲面。A380的机翼后缘和后压力隔框，波音787机身的大部分隔框，GEnx的风扇机匣都是采用RFI技术制造。RFI的关键工艺技术包括：预形件成形（三维编织及缝合等技术）、树脂流动模拟及控制、编织及缝合设备研究。3）纤维缠绕（Filament Winding）

该工艺主要用于空心、圆形及椭圆零件，如管路及油箱。纤维束通过一个树脂池浸渍后缠绕到芯轴上，缠绕方向和速度由纤维进给装置控制。这是一项已经发展较为成熟的技术，无论是在自动化、速度、厚度变化、质量和纤维方向上都得到了巨大改进。它是筒形件的低成本快速制造方法。在GEnx风扇包容机匣预形件的制造中，采用了一种编织带缠绕技术，即将编织好的石墨纤维带通过滚筒在芯轴上缠绕数十层，制成预形件。

4）自动铺带技术（ATL）

ATL采用有隔离衬纸的单向预浸带，剪裁、定位、铺叠、辊压均采用数控技术自动完成，由自动铺带机实现。按所铺放构件的几何特征，自动铺带机可分为平面铺带和曲面铺带，系统由台架系统和铺带头组成。

5）自动铺丝技术（AFP）

自动铺丝技术相对较新并在近年格外受到关注。它兼顾了自动铺叠与纤维缠绕的优点。能够制造复杂形状结构件，对纤维角度不限制。而且具有极大减少生产成本的潜力。

2.预形件制造技术

复合材料预形件制造技术主要是增强二维复合材料叠层结构在厚度方向的强度，以提高层间和断裂强度。

1）缝合技术(stitching)

缝合织物增强复合材料是采用高性能纤维和工业用缝合机将多层二维纤维织物缝合在一起，经复合固化而成的纺织复合材料。它通过引用贯穿厚度方向的纤维来提高抗分层能力，提高层间强度、模量、抗剪切能力、抗冲击能力、抗疲劳能力等力学性能，从而满足结构件的性能需求。

2）纵向加强技术（Z-pinning）

这是复合材料结构三维加强的一种简单方法，在多个方面优于缝合技术，但不能用于制造预形件。该工艺是利用薄的销棒以正确的角度在固化前或固化时插入二维的碳纤维环氧复合材料层板中，从而获得三维增强复合材料结构。

3) 三维异形整体机织（weave）

该工艺目前已经广泛用于复合材料工业，作为复合材料的增强体，主要用于生产单层、宽幅织物。三维异型整体机织技术是国外20世纪80年代发展起来的高新复合材料纺织技术，它创造了一类新的复合材料结构形式。采用三维异型整体机织技术制造的复合材料制件具有整体性和力学的合理性两大特点，是一种高级纺织复合材料。

4) 编织(braiding)

编织是一种基本的纺织工艺，能够使两条以上纱线在斜向或纵向互相交织形成整体结构的预形件。这种工艺通常能够制造出复杂形状的预形件，但其尺寸受设备和纱线尺寸的限制。

5)针织(kintting)

针织用于复合材料的增强结构，始于上世纪90年代。由于它的强度、冲击抗力较机织复合材料好，且针织物的线圈结构有很大的可伸长性，易于制造非承力的复杂形状构件。

6) 经编(non-crimp fabric)

采用经向针织技术与纤维铺放概念相结合制造的多轴多层经向针织织物一般称为经编织物。这种材料由于不弯曲，因此纤维能以最佳形式排列。采用经编技术可以制成厚的多层织物且按照期望选择纤维方向，由于不需要铺放更多的层数，极大地提高了经济效益。

3. 层板及蜂窝结构制造技术

纤维增强金属层板（FRML）是由金属薄板和纤维树脂预浸料交替铺放胶合而成的混杂复合材料。改变金属类型和厚度、纤维树脂预浸料系统、铺贴顺序、纤维方向、金属表面处理和后拉伸度等可改变FRML的性能，以用于不同用途。现在的FRML主要使用铝合金薄板。三．复合材料在航空工业上的应用

随着碳纤维和基体树脂性能的不断提高,碳纤维增强树脂基复合材料的耐湿热性和断裂延伸率得到显著改善和提高。在飞机上的应用已由次承力结构材料发展到主承力结构材料,拓宽了在飞机工业中的应用。

3.1 隐身材料

新型隐身材料对于飞机和导弹屏蔽或衰减雷达波或红外特征，提高自身生存和突防能力，具有至关重要的作用。在雷达波隐身材料方面，除涂层外，复合材料作为结构隐身材料正日益引起人们的关注，主要为碳纤维增强热固性树脂基复合材料（如C/EP、C/PI或C/BMI）和热塑性树脂基复合材料（如C/PEEK，C/PPS），目前已经得到了某些应用。

3.2 民用大飞机复合材料

复合材料在航空制造业的应用趋于广泛,世界上大型飞机如波音787,空客380等机型的结构件复合材料的用量占到了40-50%,先进直升机结构件复合材料用量甚至占到了80%以上，可以说复合材料就是构成空中飞行器的“血肉”。

日本Yokohama橡胶公司[58]开发了一种用于空中客车A380的复合材料部件的环境友好的无粘接剂预浸料。该预浸料用于飞机机翼整流罩,由碳纤维增韧环氧树脂制成。A380的机翼构造为蜂窝状内层夹在纤维增韧塑料板材中间。该预浸料省去了需要使用环境友好,无味的溶剂融解预渍料以便模塑的工艺,应用时只须加热即可融解模塑,同样,只须加热即可固定蜂窝内层,无需粘接剂,这减少了整流罩安装的一个步骤,提高了生产效率。该公司也成为首家获得为空中客车供应这类材料许可的日本公司。

Nordam Group Inc[59]获得了波音公司的许可,为其供应787大型客机复合材料窗框。该窗框将采用HexcelCorp的HexMC-一种专门设计用于压缩模塑的高填充环氧片状模塑料,该材料具有高

强度,低密度,结实,富于刚性的特点。该窗框与原先的铝质窗框相比,重量减轻了50%,具有高耐破坏性,这是首次将复合材料窗框用于商业大型客机,也是飞机机身构造的一次创新。首批产品巳交付波音公司机身合作制造商。

LH-10 Ellipse[60]是一种纵排双座运动型飞机，该飞机全部采用碳纤维/环氧树脂复合材料制成，目前已成套出售。其飞行速度可达到370km/h, 比其他同类飞机快100-150 km/h。其特色为在飞机后部装有带螺旋桨推进器的中型发动机和碳纤维主轴。

3.3 国内大飞机复合材料现状

当然与军机相比，民机还可以采用国际采购的方式来弥补技术上的差距，如飞机发动机、部分机载设备、零部件和材料都可以采用这种方式。但是民机制造中仍有许多东西是用钱买不来的，如飞机的总体设计能力，尤其是集成能力得靠经验上的累积。又如电传操作，这是核心技术，空客在这个方面已比较成熟，波音777也采用了电传操作技术，其中有些还是光传技术，这种技术人家是不会卖给我们的，只有靠自己研发。

据了解，现在国产化的T300飞机复合材料正在研制之中，可望不久能投入批量生产，以替代目前进口的T300。在复合材料的制造工艺上，国内的一些主要飞机厂也正在加快更新设备。如西飞，其应用飞机复合材料的主要设备热压罐原来的最大直径为3.5米，现在准备上直径六米的热压罐。国内航空产品制造业中少数能够依托自主研发, 引进、消化国际先进技术,实现产品国际取证和销售的生产企业。哈飞股份与空中客车公司共同在组建合资制造中心, 生产A350XWB宽体飞机项目的复合材料零部件, 正式切入全球飞机制造产业链中.并向空中客车公司成功交付第一架份复合材料机体结构件, 此举不但标志着哈飞股份已成为空中客车公司合格供应商之一，重要的是，在中国自主研发制造的大飞机中，哈飞股份的复合材料必将得到更大规模的运用，公司的复合材料制造面临飞跃，从而使公司的发展空间更加广阔。

航空制造业战略机遇空前。飞机制造业是巨大的系统工程，是基础科学和制造业企业通力合作的结果，哈飞股份拥有除军机的军械加装和试飞以外的较完整的业务链.几十年生产军、民用直升机，轻型及支线固定翼飞机研制,参与国际航空的转包产品生产都为公司参与到大飞机项目中做好了一定的技术储备。除生产和销售直9系列, HC120,EC120机身,运12等产品外,另外3个长期投资单位涉及的方向则是民用支线飞机以及中型民航客机的研制生产, 其中安博威公司主要生产销售50座级涡扇ERJ145支线飞机, 该机型采用当代先进的涡轮风扇发动机和集成化航空电子设备, 其安全性,舒适性和各项性能指标不亚于大型干线飞机,目前该系列飞机全球销售量已超过700架, 2006年所签大单生产任务排到2010年。公司在原有的制造直升机和中型飞机(ERJ145支线飞机)所取得的技术储备和经验是使公司在参与到大飞机项目时更具优势。

3.4 国产大飞机的软肋还是技术问题

技术问题一直是我国发展大型客机的最基本问题。近年来虽然有些关键技术获得了突破，但是大型客机的整机研制能力与世界先进水平相比仍是全方位的差距，尤其是波音、空客新的机型大规模采用复合材料后，大型客机的研制能力又一次与世界先进水平拉开了距离。民机技

术储备极少由于历史的原因，我国民机在技术上投入非常少，民机的技术储备更少。原上航集团党委书记潘继武说，尤其是我国的民机在实践上停滞了很多年后，飞机设计的参数、定值积累极少，民机设计能力相对较弱，在技术上突破需要花费很多力量。

西安飞机工业(集团)有限责任公司(简称西飞)、第一飞机设计研究院、中国飞行试验设计研究院三家曾共同完成了一份资料，对本世纪初我国飞机的研制能力做出了一个详细的评估。这份资料称，我国飞机设计水平与国际水平相比差距约20年。在超音速巡航技术、喷管矢量技术、高推重比技术及无人驾驶控制技术等方面都有一定差距，综合设计能力也低，设计实践经验欠缺，设计规范落后。在飞机制造技术方面，与世界飞机制造加工基地相差10至20年，如数控效率只有波音的1/8。

3.5 复合材料之惑

更让人焦虑的是，随着近年来复合材料在飞机上的大量应用，我国民机研制的能力有进一步与世界先进水平拉开的危险。

飞机上的复合材料主要是指碳纤维的复合材料。以前国际上的大型客机采用的材料都是以先进铝合金为主，飞机的设计、制造都建立在这种材料基础上。以波音777为例，其机体结构中，铝合金占到70%、钢11%、钛7%，复合材料仅占到11%，而且复合材料主要用于飞机辅件。但到波音787时，复合材料的使用出现了质的飞跃，不仅数量激增，而且开始用于飞机的主要受力件，现在波音787的复合材料用量已占到结构重量的50%。

飞机结构件大规模使用复合材料，是现代飞机制造史上的一次革命性变化。它使飞机重量更轻、强度更高、耐疲劳耐腐蚀性更好，而且复合材料中的高强度碳纤维进行大规模工业化生产后，可以使飞机的制造成本更低。同时在计算机技术、激光、C扫描等先进科技的支持下，复合材料制造飞机结构件的质量能够更加可靠地保证飞机的安全性。根据波音和空客公开的研究资料表明，到2020年它们的飞机将全部采用复合材料。

而我国目前仅掌握金属飞机的研制能力，复合材料只能少量地用在飞机辅件上，在主结构上的应用还需要进一步预研。这就好比是空客、波音已经能用钢筋水泥造房子，而我国仅掌握全套的用“秦砖汉瓦”造房子的办法，现在才开始学着使用钢筋水泥。更要命的是，用于飞机的复合材料我国现在还需要进口，尤其是像T800这样广泛应用的飞机复合材料我国还不会生产。艰难的追赶

我国进行大型客机的研制，面临的技术困难是巨大的。在日趋激烈的航空市场上，没有技术领先、具有竞争力的飞机，即使生产出来了，也无法占据市场。在波音和空客用复合材料飞机替代金属飞机的大背景下，我国要研制大型客机，只有迎头赶上，生产出与之抗衡的飞机才行，这需要广大技术人员付出更多的努力。

目前国内的飞机专家都已认识到了这个问题，一批专家已提前进行飞机的预研。据中国航空工业第一集团公司科技委副主任冯培德透露，现在已有上亿元的经费投入到预研中，其中就包括材料。“冰冻三尺，非一日之寒”，我国民机技术全方位地落后于欧美国家，是由于多方面

的因素造成的，其中主要有三个：一是由于我国民机的型号研制频度太低，无法有效积累大量数据；二是由于民机生产至今还没有相关的研究所，民机直到现在还没有转向研究开发型；三是我国科技转化生产力水平较低，与欧美航空工业相比，我国航空企业还没有成为真正的科技转化生产力的主体，科技转化生产力体制机制的最佳模式还没形成。

3.6 结语

我国现在开始抓飞机复合材料的预研，当然有利于缩小与世界先进水平的差距。但是从长远来看，要从根本上解决我国民机技术上的差距，还得从解决我国民机技术长期落后的三个原因做起，即要加大民机研制的频度、成立专门的民机研究所、建立科技转化生产力体制机制的航空工业最佳模式。高性能树脂基体及其改性是我门树脂行业的责任和义务。努力做好这方面的研发和产业化才能使我们从一个生产消费大国变成真正的生产消费强国。

参考文献：

冯小明，张崇才.复合材料.重庆大学出版社.2007.09

任晓华.航空复合材料制造技术发展.中国航空工业发展研究中心.2010.04 吴良义.航空航天先进复合材料现状.天津市合成材料工业研究所.2009

航空航天复合材料技术发展现状

航空航天复合材料技术发展现状 2008-11-25 中国复合材料在线［收藏该文章］ 材料的水平决定着一个领域乃至一个国家的科技发展的整体水平；航空、航天、空天三大领域都 对材料提出了极高的要求；材料科技制约着宇航事业的发展。 固体火箭发动机以其结构简单，机动、可靠、易于维护等一系列优点，广泛应用于武器系统及航 天领域。而先进复合材料的应用情况是衡量固体火箭发动机总体水平的重要指标之 一。在固体发动机研制及生产中尽量使用高性能复合材料已成为世界各国的重要发展目标， 目前已拓展到液体动力领域。科技发达国家在新材料研制中坚持需求牵引和技术创新相结合，做到了需求牵引带动材料技术发展，同时材料技术创新又推动了发动机水平提高的良性发展。 目前，航天动力领域先进复合材料技术总的发展方向是高性能、多功能、高可靠及低成本。 作为我国固体动力技术领域专业材料研究所，四十三所在固体火箭发动机各类结构、功能复合材料研究及成型技术方面具有雄厚的技术实力和研究水平，突破了我国固体火箭发动 机用复合材料壳体和喷管等部件研制生产中大量的应用基础技术和工艺技术难关，为我国的 固体火箭发动机事业作出了重要的贡献，同时牵引我国相关复合材料与工程专业总体水平的 提高。建所以来，先后承担并完成了通讯卫星东方红二号远地点发动机，气象卫星风云二号 远地点发动机，多种战略、战术导弹复合材料部件的研制及生产任务。目前，四十三所正在 研制多种航天动力先进复合材料部件，研制和生产了载人航天工程的逃逸系统发动机部件。 二、国内外技术发展现状分析 1、国外技术发展现状分析 1.1结构复合材料 国外发动机壳体材料采用先进的复合材料，主要方向是采用炭纤维缠绕壳体，使发动机质量比有较大提高。如美国“侏儒”小型地地洲际弹道导弹三级发动机（SICBM-1 、-2、- 3 ）燃烧室壳体由IM-7炭纤维/HBRF-55A 环氧树脂缠绕制作，IM-7炭纤维拉伸强度为 5 300MPa , HBRF-55A 环氧树脂拉伸强度为84.6MPa，壳体容器特性系数（PV/Wc ）＞3 9KM ;美国的潜射导弹“三叉戟II （D5 ）”第一级采用炭纤维壳体，质量比达0.944，壳 体特性系数43KM，其性能较凯芙拉/环氧提高30% 国外炭纤维的开发自八十年代以来，品种、性能有了较大幅度改观，主要体现在以下两个方 面：①性能不断提高，七、八十年代主要以3000MPa的炭纤维为主，九十年代初普遍使用 的IM7、IM8纤维强度达到5300MPa,九十年代末T1000纤维强度达到7000MPa,并已开始工程应用；②品种不断增多，以东丽公司为例，1983年产的炭纤维品种只有4种，至U 1995 年炭纤维品种达21种之多。不同种类、不同性能的炭纤维满足了不同的需要，为炭纤维复合材料的广泛应用提供了坚实的基础。 芳纶纤维是芳族有机纤维的总称，典型的有美国的Kevlar、俄罗斯的APMOC,均已在多 个型号上得到应用，如前苏联的SS24、SS25洲际导弹。俄罗斯的APMOC纤维生产及其应 用技术相当成熟，APMOC纤维强度比Kevlar高38%、模量高20%，纤维强度转化率已达到75%以上。PBO纤维是美国空军1970年开始作为飞机结构材料而着手研究的产品，具有刚

航空航天先进复合材料

航空航天先进复合材料现状 2014-08-10 Lb23742 摘要:回顾了树脂基复合材料的发展史;综述了先进复合材料工业上通常使用环氧树脂的品种、性能和特性;复合材料使用的增强纤维;国防、军工及航空航天用树脂基复合材料;用于固体发动机壳体的树脂基体;用于固体发动机喷管的耐热树脂基体;火箭发动机壳体用韧性环氧树脂基体;树脂基结构复合材料;防弹结构复合材料;先进战斗机用复合材料;树脂基体;航天器用外热防护涂层材料;飞机结构受力构件用的高性能环氧树脂复合材料;碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天中的其它应用;民用大飞机复合材料;国产大飞机的软肋还是技术问题;复合材料之惑。 关键词:树脂基体;复合材料;国防;军工;航空航天;结构复合材料 0 前言 复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。今天，一个国家或地区的复合材料工业水平，已成为衡量其科技与经济实力的标志之一。先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。到2020年，只有复合材料才有潜力获得20-25%的性能提升。 环氧树脂是优良的反应固化型性树脂。在纤维增强复合材料领域中，环氧树脂大显身手。它与高性能纤维:PAN基碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维、S或E玻璃纤维复合，便成为不可替代的重要的基体材料和结构材料，广泛运用在电子电力、航天航空、运动器材、建筑补强、压力管雄、化工防腐等六个领域。本文重点论述航空航天先进树脂基体复合材料的国内外现状及中国的技术软肋问题 1 树脂基复合材料的发展史 树脂基复合材料(Resin Matrix Composite)也称纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics)，是技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，在我国不科学地俗称为玻璃钢。 树脂基复合材料于1932年在美国出现，1940年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的雷达罩，其后不久，美国莱特空军发展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的飞机，并于1944年3月在莱特-帕特空军基地试飞成功。1946年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。1949年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁，尺寸、形状准确的复合材料模压件。1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨。60年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。在此期间，玻璃纤维-聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。1961年片状模塑料(Sheet Molding Compound, 简称SMC)在法国问世，利用这种技术可制出大幅面表面光洁，尺寸、形状稳定的制品，如汽车、

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航空复合材料项目立项申请报告目录 第一章申报单位及项目概况 一、项目申报单位概况 二、项目概况 第二章发展规划、产业政策和行业准入分析 一、发展规划分析 二、产业政策分析 三、行业准入分析 第三章资源开发及综合利用分析 一、资源开发方案。 二、资源利用方案 三、资源节约措施 第四章节能方案分析 一、用能标准和节能规范。 二、能耗状况和能耗指标分析 三、节能措施和节能效果分析 第五章建设用地、征地拆迁及移民安置分析 一、项目选址及用地方案

先进复合材料在航空航天领域的应用

龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/b812596861.html, 先进复合材料在航空航天领域的应用 作者：周庆庆 来源：《科技风》2017年第17期 摘要：复合材料是在随着科技发展所衍生出的一种新型材料，尤其是先进复合材料目前 已经被广泛应用到了航空航天领域，并发挥着至关重要的作用价值。本文简要介绍了先进复合材料的特性，而后重点就先进复合材料在航空发动机、无人机等航空领域，以及导弹结构、运载火箭结构、卫星和宇航器结构等航天领域中的具体应用展开了深入的探究工作。 关键词：先进复合材料；航空航天；应用 伴随着当前科技水平的不断提高，尤其是航空航天领域的快速发展，材料的应用环境愈发恶劣，对于材料本身也提出了更为严苛的要求。新型材料的研发是为了更好的满足于高新技术发展的需求，其中复合材料是目前在材料科学领域中的一个主要发展方向，同时也是新材料发展最好的一个分支，随着复合材料的快速发展，其目前已经成为了与高分子材料金属材料、无机非金属材料所并列的四大材料体系之一。 一、复合材料的特性 先进复合材料有着十分明显的优势特性，具体可概括为结构整体化、经济效益最大化、可设计性以及功能多样性，现具体分析如下： （1）结构整体化。先进复合材料能够被加工为整体部件，也就是应用先进复合材料部件来取代金属部件。在一些较为特殊的轮廓及表层比较复杂的部件当中，利用金属制造往往可行性相对较差，而应用先进复合材料往往便可有效满足于实际的工作需求。 （2）经济效益最大化。将先进复合材料应用于航空航天领域内，可实现对产品数量的大幅度精减。因对复杂部件的连接往往无需采取焊接、铆接等方式，因而对于连接部件的需求量也便可以大大减少，进而使得材料的装配成本与时间也能够有效降低，从而实现经济效益的最大化。 （3）可设计性。应用纤维、树脂、复合结构等方式可得到多种性能、形状存在明显差异化的复合材料，选取出适当的材料及铺层次序便可加工出没有膨胀系数的复合材料，同时其尺寸稳定性也要明显优于一般的金属材料。 （4）功能多样性。随着先进复合材料材料的不断发展，其不断融合了许多优异的物理性能、化学性能、生物性能、力学性能等。如先进复合材料所具备的阻燃性能、吸波性能、防热性能、屏蔽性能、半导性能及超导性能，而且各类先进复合材料其本身的构成也不尽相同，在功能方面也会产生出一定的差异性，目前综合性及多功能性现已成为先进复合材料发展的一项主流趋势。

先进复合材料在航空航天的应用综述 (1)

第31卷第2 期高科技纤维与应用Vol.31 No.2 2006 年 4 月Hi-Tech Fiber & Application Apr. 2006 先进复合材料在航空航天的应用综述 何东晓 （哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036） 摘要:讨论了先进复合材料在航天飞机、航空发动机、机用雷达天线罩、航天隔热材料、航天卫星和宇航器、固体火箭发动机壳体、战略导弹等方面的应用情况。结合航空航天应用阐明了先进复合材料未来的发展趋势，重点是提高耐热性，抗冲击韧性和发展低成本制造技术。 关键词:先进复合材料；航空；航天；应用；发展趋势 中图分类号:V258文献标识码:A文章编号:1007-9815（2006）02-0009-03 Review of the Application of Advanced Composite in Aviation and Aerospace HE Dong-xiao (Harbin FRP Institute,Harbin150036China) Abstract: In this paper, the application of advanced composite in space shuttle, aviation engine, radar antenna mask, aviation hot insulation material, space satellite solid rocket engine and strategic missile are discussed. The development trends of advanced composite in aviation and aerospace are introduced, the key point is improving the thermal stability, impact resistance and developing low-cost manufacturing technique. Key words: advanced composite;aviation;aerospace;application;development trends 前言到航空航天等军事领域中，是制造飞机、火箭、 航天飞行器等军事武器的理想材料。 近年来，随着科学技术的不断进步，材料技 术得到飞速发展，其中尤以先进复合材料的发展 1 国内外应用概况 最为突出。 先进复合材料（Advanced Composites ACM） 1.1 在航空飞机上的应用 专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚飞机用ACM经过近40 a的发展，已经从最度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤件，可获得减轻质量20 %～30 %的显著效果。目 维、芳纶等增强的复合材料。ACM在航空航天前已进入成熟应用期，对提高飞机战术技术水平的 等军事上的应用价值特别大。比如，军用飞机和贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑，其设 卫星，要又轻又结实；军用舰船，要又耐高压又计、制造和使用经验已日趋丰富。 耐腐蚀。这些苛刻的要求，只有借助新材料技术迄今为止，战斗机使用的ACM占所用材料 才能解决。ACM具有质量轻，较高的比强度、总量的30 %左右，新一代战斗机将达到40 %； 比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、直升机和小型飞机ACM用量将达到70 %～隔音、减振、耐高（低）温，独特的耐烧蚀性、80 % 左右，甚至出现全 ACM 飞机。“科曼奇”透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、直升机的机身有70 %是由ACM制成的，但仍计制备的灵活性和易加工性等特点，被大量地应用划通过减轻机身前下部质量，以及将ACM扩大

复合材料在飞机上的应用

复合材料在飞机航空中的应用与发展 学校：西安航空职业技术学院 专业：金属材料与热处理技术 姓名：郭远 摘要 复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一；复合材料构件的整体成型、共固化技术不断进展，复杂曲面构件不断扩大应用；复合材料的数字化设计，设计、制造一体化，以及基于三维模型铺层展开的专用设计／制造软件等技术的开发是先进复合材料发展的基本技术保障. 复合材料在飞机航空中的应用与发展 复合材料大量用于航空航天工业和汽车工业，特别是先进碳纤维复合材料用于飞机尤为值得注意。不久前，碳纤维复合材料只能在军用飞机用作主结构，但是，由于技术发展的进步，先进复合材料已开始在民航客机止也应用作主结构，如机身、机翼等。 一．飞机结构用复合材料的优势 现今新一代飞机的发展目标是“轻质化、长寿命、高可靠、高效能、高隐身、低成本”。而复合材料正具备了上面的几个条件，成为实现新一代飞机发展目标的重要途径。

复合材料具有质轻、高强、可设计、抗疲劳、易于实现结构/功能一体化等优点，因此，继铝、钛、钢之后迅速发展成为四大飞机结构材料之一。 复合材料在飞机结构上的应用首先带来的是显着的减重效益，复合材料尤其是碳纤维复合材料其密度仅为cm3左右，如等量代替铝合金，理论上可有42%的减重效果。 近年来随着复合材料技术的深入研究和应用实践的积累，人们清楚地认识到：复合材料在飞机结构上应用效益绝不仅仅是减重，而且给设计带来创新舞台，通过合理设计，还可提供诸如抗疲劳、抗振、耐腐蚀、耐久性和吸透波等其它传统材料无法实现的优异功能特性，可极大地提高其使用效能，降低维护成本，增加未来发展的潜力和空间。尤其与铝合金等传统材料相比，可明显减少使用维护要求，降低寿命周期成本，特别是当飞机进入老龄化阶段后效果更明显，据说B787较之B767机体维修成本会降低30％，这在很大程度上应归功于复合材料的大量应用。同时，大部分复合材料飞机构件可以整体成型，大幅度减少零件数目，减少紧固件数目，减轻结构质量，降低连接和装配成本，从而有效地降低了总成本，如F/A-18E/F零件数减少42%，减重158kg。复合材料整体成型技术还可消除缝隙、台阶和紧固件，无疑对提高军机的隐身性能也具有非常重要的贡献。 二．飞机结构用复合材料的发展过程 先进复合材料于上世纪60年代中期一问世，即首先用于飞行器结构上。30多年来先进复合材料在飞机结构上应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整体、由结构到功能、由军机应用扩展到民机应用的发展道路。 1.复合材料在军用飞机上的发展过程

航空航天复合材料设计要求比较

航空航天复合材料结构设计要求的比较 复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料,它既能保留原有组分材料的主要特色,又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同,从而获得原组分材料无法比拟的优越性能, 复合化是当代材料技术发展的重要趋势之一，而大量采用高性能复合材料是航空航天飞行器发展的重要方向。航空航天追求性能第一的特点,使其成为先进复合材料技术的率先实验和转化的战场,航空航天工业的发展和需求推动了先进复合材料的发展,而先进复合材料的发展和应用又促进了航空航天的进步。先进复合材料继铝、钢、钛之后,迅速发展成四大结构材料之一,其用量成为航空航天结构的先进性标志之一。将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20%~30%,这是其他先进技术很难达到的效果。美国NASA的Langley 研究中心在航空航天用先进复合材料发展报告中指出,各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51%的减重(相对于起飞重量)效益,其中,气动设计与优化技术减重4·6%,复合材料机翼机身和气动剪裁技术减重24·3%,发动机系统和热结构设计减重13.1%,先进导航与飞行控制系统减重9%,说明了先进复合材料的应用减重最明显。这不仅带来相当大的经济效益,而且可以增加装备的机动性,还可以提高其抗疲劳、耐腐蚀性能。 由于航天与航空的使用环境和应用范围存在区别，因而造成复合

材料在航空飞行器与航天飞行器上使用的设计要求也有很多不同之处。而且由于任务目标和使用环境差异，飞机结构的要求不能直接作为空间飞行器的结构设计要求。空间飞行器的飞行环境和承受的载荷很特殊，并且几乎没有可能再去检查和维修航天器的结构或在其任务条件下验证其结构的性能。因此，空间飞行器复合结构设计必须比飞机复合材料结构设计更加稳定可靠。虽然如此，飞机行业的复合材料结构设计方面的经验仍然可以为航天器的复合材料结构设计提供一定的参考和借鉴。 航空和航天复合材料结构设计要求具体在哪些方面存在差异呢？ 第一点是两者的生成规模差别很大。航空产品通常进行大规模生产，不仅整机生产数量多，而且因为需要维修等等，这样更换损坏的零件同样数量巨大；而航天产品则大多生产较少。因此在结构设计时，航空产品对结构设计时需要对加工工艺等配套设施进行细致的考虑，以达到成本、周期。效益的均衡，而航天结构设计则大多不需要考虑。同时生产数量的差异也使后续的设计工作产生了很大不同。 第二点是初始设计要求。飞机工业需要通过测试数量庞大的样本总结设计出一套模块建立的方法。但航天器的生产数量很有限，因此用于航空专业的样本采集到模块建立的方法，要想应用于航天器，从成本和进度的角度来看，是不切实际的。 第三点是强度要求。在航空和航天器中，对于强度的要求二者是一致的，但因工作环境不同存在一定的区别。航空和航天器复合材料

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用林德春潘鼎高健陈尚开 （上海市复合材料学会）（东华大学）（连云港鹰游纺机集团公司） 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。具有十分优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强度和最高比模量。特别是在2000℃以上高温惰性环境中，是唯一强度不下降的物质。此外，其还兼具其他多种得天独厚的优良性能：低密度、高升华热、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、低热膨胀系数、导电导热性、电磁屏蔽性,纺织加工性均优良等。因此，碳纤维复合材料也同样具有其它复合材料无法比拟的优良性能,被应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天领域的光辉业绩，尤为世人所瞩目。 可以明显看出，在航空航天领域碳纤维的用量有大幅度增加，2006年比2001年增长约40%，2008年增长约76%，2010年和2001年相比增长超过100%。 本文将介绍碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在航空航天领域应用的新进展。 1 航空领域应用的新进展 T300 碳纤维/树脂基复合材料已经在飞行器上广泛作为结构材料使用，目前应用较多的 为拉伸强度达到5.5GPa，断裂应变高出T300 碳纤维的30％的高强度中模量碳纤维T800H 纤维。 （1）军品 碳纤维增强树脂基复合材料是生产武器装备的重要材料。在战斗机和直升机上，碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能，数据显示采用复合材料结构的前机身段，可比金属结构减轻质量31.5%，减少零件61.5%，减少紧固件61.3%；复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标——结构重量系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到27～28%。未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材。 美国在歼击机和战斗机上大量使用复合材料：F-22的结构重量系数为27.8%，先进复合材料的用量已达到25%以上，军用直升机用量达到50%以上。八十年代初美国生产的单人

复合材料在航天航空领域的应用现状与展望

复合材料在航天航空领域的应用现状与展望 摘要现代飞机和卫星的制造材料应具有质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特性，先进复合材料的独有性能使它成为制造卫星和飞机的理想材料。本文重点介绍了我国航天用符合材料的研究情况，并展望了今后的发展趋势。 关键词复合材料；航空航天；应用现状；发展趋势 Prospect and Application of Composites in Aviation and Aerospace Abstract Nowadays, the material of producing planes and satellites should be light, strong and should resist high temperature, corrosion and so on. Because of the unique peculiarities, advanced composites become the ideal material of producing planes and satellites. In this paper, the present status and prospect of applied research on composite materials for aero-space application in China are given. Key words composites; aviation and aerospace ; application and development; development trends

航空航天领域先进复合材料制造技术进展

专题研究 Feature 72 纺织导报 China Textile Leader · 2018 产业用纺织品专刊 参考文献 [1] 李俊宁，胡子君，孙陈诚，等. 高超声速飞行器隔热材料技术 研究进展[J]. 宇航材料工艺，2011，41（6）：10－13. [2] GRITSEVICH I V, DOMBROVSKII L A, NENAROKOMOV A V. Heat transfer by radiation in vacuum shield insulation of spacecrafts [J]. Thermal Processes in Engineering, 2013, 5（1）: 12－21. [3] 沈学霖，朱光明，杨鹏飞. 航空航天用隔热材料的研究进展[J]. 高分子材料科学与工程，2016，32（10）：164－169. [4] KIM J, LEE J H, SONG T H. Vacuum insulation properties of phe-nolic foam[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55（19－20）: 5343－5349. [5] BHEEKHUN N, ABU TALIB A R, HASSAN M R. Aerogels in aerospace: An overview[J]. Advances in Materials Science and En-gineering, 2013, 406065. [6] WANG X, DING B, SUN G, et al. Electro-spinning/netting: A stra-tegy for the fabrication of three-dimensional polymer nano-fiber/nets[J]. Progress in Materials Science, 2013, 58（8）: 1173－1243.[7] SI Y, YU J, TANG X, et al. Ultralight nanofibre-assembled cellular aerogels with superelasticity and multifunctionality[J]. Nature Com-munications, 2014, 5: 5802. [8] GBEWONYO S, CARPENTER A W, GAUSE C B, et al. Low th-ermal conductivity carbon fibrous composite nanomaterial enab-led by multi-scale porous structure[J]. Materials & Design, 2017, 134: 218－225. [9] ZHENG H, SHAN H, BAI Y, et al. Assembly of silica aerogels wi-thin silica nanofibers: Towards a super-insulating flexible hybrid aerogel membrane[J]. RSC Advances, 2015, 5（111）: 91813－91820. [10] SHAN H, WANG X, SHI F, et al. Hierarchical porous structured SiO 2/SnO 2 nanofibrous membrane with superb flexibility for mole-cular filtration[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2017, 9（22）: 18966－18976. [11] KOBAYASHI Y, SAITO T, ISOGAI A. Aerogels with 3D ordered nanofiber skeletons of liquid-crystalline nanocellulose derivatives as tough and transparent insulators[J]. Angew Chem-Int Edit, 2014, 53（39）: 10394－10397. [12] SI Y, WANG X, DOU L, et al. Ultralight and fire-resistant ceramic nanofibrous aerogels with temperature-invariant superelasticity[J]. Science Advances, 2018, 4（4）: eaas8925. 机梯度隔热、舱室隔热保暖等领域。 纳米纤维材料虽然具有良好的隔热性能和弹性，但其拉伸、剪切性能仍需大幅提升以满足实际应用需求。同时，现有纳米纤维气凝胶的孔径较大，导致其热对流效应明显，特别是在高温环境下，因此需在保证其力学性能未大幅下降的前提下进一步减小纳米纤维气凝胶的孔径，提升材料的隔热性能，最终实现其在航空航天热防护领域的特效应用。 图 1 民用飞机结构复合材料用量的变化 1970年 1980年 1990年 2000年 2010年 空客A350：52% 波音787：50%空客A380：25%空客A340：13%波音777：11%波音757：4%波音767：4% 复合材料用量/% 尾翼应用复合材料 外翼、机身应用复合材料 A350 A380 A340中央翼应用复合材料 次承力结构应用复合材料 50403020100 波音787 波音777 波音757/767 复合材料自20世纪60年代问世以来迅速发展，由于具有高比刚度、高比强度、性能可设计、抗疲劳性和耐腐蚀性等优点，越来越广泛地应用于各类航空航天飞行器，大大地促进了飞行器的轻量化、高性能化、结构功能一体化。同时，复合材料的应用部位已由飞机的非承力部件及次承力部件发展到主承力部件，并向大型化、整体化方向发展，先进复合材料的用量成为航空器先进性的重要标志。本文重点阐述航空航天领域最为广泛应用的碳纤维增强树脂基先进复合材料的应用概况、制造技术及未来发展方向。 1 先进复合材料在航空航天领域的应用概况 先进复合材料在航空航天领域的应用始于军用飞 机，是为满足其对高机动性、超音速巡航及隐身等要求而不惜成本开始采用的。近年来由于结构轻量化的要求，民用飞机在复合材料用量方面也呈现增长的趋势。图 1 为商用飞机中复合材料用量占结构重量比例的增加趋势。以1990年研制的波音777为例，在其机体结构中，复合材料仅占11%，而且主要用于飞机辅件，如尾翼和操纵面等。到了2009年波音787首飞时，复合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的50%（图 2），而空客A350的复合材料用量更是达到了52%（图 3），不仅复合材料占比激增，而且复合材料大量应用于 碳纤维复合材料层压板碳纤维夹芯复合材料玻璃纤维复合材料铝 铝/钢/钛复合材料 其他5% 钢10% 钛15%铝20% 复合材料50% 图 2 波音787的复合材料用量

2016先进复合材料在航空航天领域的应用_汤旭

- 39 - 2016年第13期（总第364期） NO.13.2016 ( Cumulativety NO.364 ) 串口，与通信网关机进行IEC101规约通讯，通信网关机 通过B接入网与调度主站进行IEC104规约通讯。 图12 其方案描述如下：（1）综自系统通过原与地调通信的串口以IEC101规约向通信网关机发送地调点表数据，综自系统通过新增串口以IEC101规约向通信网关机发送省调点表数据；（2）通信网关机首先与综自A机尝试串口IEC101规约通讯，若与综自A机通讯失败，则尝试与综自B机通讯，但同一时间只与一台综自主机进行串口IEC101规约通讯；（3）通信网关机通过B接入网与调度主站系统进行IEC104规约通讯；（4）综自系统通过A接入网与调度主站系统进行IEC104规约通讯，即保持原来的通讯方式不变。 改造后网络拓扑图如图11所示。其逻辑连接关系如图12所示。 该方式的优点：主站通过A接入网与综自系统直接通讯，通过B接入网与通信网关机通讯，两路通讯互备，真正达到“双主模式”的要求。 该方式的缺点：需在综自系统上增加一路串口传输设置，不过几乎所有综自系统通信机上都具备至少2路以上串口传输能力，因此仅需软件设置，不需要做硬件扩充。 4　结语 本文结合工程实际和现实技术手段，探讨网络双平面传输改造技术，并在实际改造经验基础上对各种改造技术方案加以比较和总结，从安全经济的角度出发，研究比较了5种基于规约转换方式的实现变电站自动化系统通信机双机“双主模式”，通过调度数据网双平面同时与调度主站系统进行IEC104规约通讯。综合比较5种方式的优劣，方式五是一个最简单易行且比较经济的技术方法。本文为有类似双平面传输改造者以及不久后即将开始的低电压等级（35kV）变电站自动化系统网络双平面传输改造提供技术借鉴。 作者简介：高夏生（1963-），男，安徽省电力公司高级工程师，研究方向：电网调度自动化。 （责任编辑：蒋建华） 1　概述 现阶段，我国航空航天事业得到前所未有的发展，航空航天领域对材料的要求不断提升，为了满足航空航天领域对材料性能的要求，应该研发新型、高性能的材料，先进复合材料应运而生，其具有多功能性、经济效益最大化、结构整体性以及可设计性等众多特点。将先进复合材料应用在航空航天领域，能够有效地提高现代航空航天器的性能，减轻其质量。和传统钢、铝材料相比，先进复合材料的应用，能够减轻航天航空器结构重量的30%左右，在提高航空航天器性能的同时，还能降低制造和发射成本。现阶段，先进复合材料已经成为飞船、卫星、火箭、飞机等现代航空航天器的理想材料，同时，先进复合材料已经和高分子材料、无机非金属材料及金属材料并列为四大材料。因此，文章针对先进复合材料在航空航天领域应用的研究具有重要的现实意义。 2　我国先进复合材料发展现状 自20世纪70年代开始，我国就开始了对复合材料的研究工作，经过40多年的研究与发展，我国先进复合材料的技术水平不断提高，并且取得了可喜的进步。现阶段，我国先进复合材料在航空航天领域中的应用，逐渐实现了从次承力构件向主承力构件的转变，被广泛地推广和应用在军机、民机、航空发动机、新型验证机和无先进复合材料在航空航天领域的应用 汤　旭　李　征　孙程阳 （哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001） 摘要：先进复合材料由于具有多功能性、经济效益最大化、结构整体性、可设计性等众多特点，在各个领域被广泛推广和利用，特别是在航空航天领域。文章分析了我国先进复合材料的发展现状，对先进复合材料进行了简介，分别针对先进复合材料在航空领域、航天领域的应用进行了综述，最后探析了复合材料在航空航天领域的发展前景。 关键词：先进复合材料；航空航天领域；飞船；卫星；火箭；飞机 文献标识码：A 中图分类号：V257 文章编号：1009-2374（2016）13-0039-04 DOI：10.13535/https://www.sodocs.net/doc/b812596861.html,ki.11-4406/n.2016.13.019

复合材料在飞机航空中的应用与发展

复合材料在飞机航空中的应用与发展

复合材料在飞机航空中的应用与发展 姓名:李经纬学号：0823020124 复合材料大量用于航空航天工业和汽车工业，特别是先进碳纤维复合材料用于飞机尤为值得注意。不久前，碳纤维复合材料只能在军用飞机用作主结构，但是，由于技术发展的进步，先进复合材料已开始在民航客机止也应用作主结构，如机身、机翼等。 一．飞机结构用复合材料的优势 现今新一代飞机的发展目标是“轻质化、长寿命、高可靠、高效能、高隐身、低成本”。而复合材料正具备了上面的几个条件，成为实现新一代飞机发展目标的重要途径。 复合材料具有质轻、高强、可设计、抗疲劳、易于实现结构/功能一体化等优点，因此，继铝、钛、钢之后迅速发展成为四大飞机结构材料之一。 复合材料在飞机结构上的应用首先带来的是显著的减重效益，复合材料尤其是碳纤维复合材料其密度仅为1.6g/cm3左右，如等量代替铝合金，理论上可有42%的减重效果。

近年来随着复合材料技术的深入研究和应用实践的积累，人们清楚地认识到：复合材料在飞机结构上应用效益绝不仅仅是减重，而且给设计带来创新舞台，通过合理设计，还可提供诸如抗疲劳、抗振、耐腐蚀、耐久性和吸透波等其它传统材料无法实现的优异功能特性，可极大地提高其使用效能，降低维护成本，增加未来发展的潜力和空间。尤其与铝合金等传统材料相比，可明显减少使用维护要求，降低寿命周期成本，特别是当飞机进入老龄化阶段后效果更明显，据说B787较之B767机体维修成本会降低30％，这在很大程度上应归功于复合材料的大量应用。同时，大部分复合材料飞机构件可以整体成型，大幅度减少零件数目，减少紧固件数目，减轻结构质量，降低连接和装配成本，从而有效地降低了总成本，如F/A-18E/F零件数减少42%，减重158kg。复合材料整体成型技术还可消除缝隙、台阶和紧固件，无疑对提高军机的隐身性能也具有非常重要的贡献。 二．飞机结构用复合材料的发展过程 先进复合材料于上世纪60年代中期一问世，

先进复合材料在航空航天领域的应用

- 129 - 新 技 术 开 发 从最初采用泥土和麦秸堆砌房子到现代的钢筋水泥，人们很早就认识到，可以将两种或多种不同性能的材料进行组合，制备得到性能更加优异的材料。如古埃及修建的金字塔，就是采用石灰、火山灰等作为黏合剂，混合砂石作为砌料进行搭建的，这是最早最原始的颗粒增强复合材料。复合材料 （Composite）由两种或两种以上独立物理相通过复合工艺组合而成的新型材料，在宏观和微观上具有不同的结构尺度和层次的多相固体材料。而先进复合材料（Advanced Composites Material，简称ACM）特指由高性能纤维及高性能树脂复合而成的高性能复合材料或具有某种特殊功能（如吸透波、电、热、防弹等）的复合材料。由于先进复合材料具有比强度比模量高等显著特点，并且具有良好的抗疲劳性能、优良的减震性能以及优越的耐腐蚀性能，因此，近年来逐渐广泛应用于航空航天领域。 １　先进复合材料的组成及发展现状 当前，应用于航空航天应用的先进复合材料中，多以碳 纤维作为增强体，热固性树脂作为基体，而环氧树脂又是热固性树脂体系中的应用最为广泛的。从20世纪40年代开始，战斗机、轰炸机上就采用了玻璃纤维增强塑料作雷达罩。到了20世纪50年代，先进复合材料，主要是碳纤维增强树脂基复合材料，开始大量应用于航空航天领域，广阔的应用前景促进了复合材料行业的发展。 １．１　树脂 树脂基体是复合材料的重要组成部分，树脂基体使纤维形成一个整体，因此树脂起着传递载荷和均衡载荷的作用。复合材料的工艺性能、力学性能的压缩程度和断裂韧性及其他方面的物理或化学性能都取决于树脂基体。目前，应用较为广泛的主要有环氧树脂和双马来酰亚胺树脂（简称双马树脂）。１．１．１　环氧树脂 环氧树脂是指含有两个或多个环氧基团的有机物，该类有机化合物是重要的热固性树脂。环氧树脂具有质量轻、强度高、模量高、耐腐蚀性能好、加工简便、生产效率高和材料可设计性强等特点，同时还具有一些特殊的性能，如能够减振、消音、透波、隐身等特性，是国民经济和国防科技发展建设中不可替代的重要材料。但是它也有一定的缺点，从经济角度看，它的价格比较高，另一方面脆性较大，常需加 入增塑剂。１．１．２　双马树脂 双马来酰亚胺树脂（简称BMI）的研究要稍晚一些，但其发展和应用的速度很快。双马来酰亚胺树脂是由聚酰亚胺树脂体系衍生而成的树脂体系，它是由两分子的马来酸酐与一分子的二元胺反应生成双马来酰胺酸，再经过脱水环化生成。BMI 的耐湿性和耐热性均优于环氧树脂，但是固化物呈现较大脆性。通过和多种化合物共聚合采用新型增韧剂增韧改型，目前已经获得了冲击后压缩强度（CAI）值达 296 MPa，最高使用温度达 177 ℃ 的BMI 复合材料。 １．２　纤维 纤维是复合材料中的增强体，具有承担载荷的作用，是复合材料的重要组成部分。目前应用较为广泛的是碳纤维和玻璃纤维。１．２．１　玻璃纤维 玻璃纤维（glass fiber，简称GF）是一种非金属材料，性能优异，种类繁多，具有良好的耐绝缘性和抗腐蚀性，同时具有耐热性强和机械强度高等特点，但脆性和耐磨性较差。除了四氢呋喃（THF）以外对于一般物质则有着较好的耐腐蚀性。对于玻璃纤维复合材料而言，玻璃纤维织物的编织方式极为重要，平纹布只用于简单的零件，缎纹布则适用于成型复杂的组件。１．２．２　碳纤维 由于玻璃纤维模量低，不能满足宇航工业中的受力结构需求，因此在20世纪60年代，开始发展性能更加优异的碳纤维复合材料。碳纤维（Carbon Fibre，简称CF），是一种含碳量在95%以上，具有高强度高模量的高性能纤维材料。碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维材料，沿着纤维的轴向方向堆砌而成，经过碳化和石墨化处理后，得到的微晶石磨材料。碳纤维具有良好的耐高低温性能，在空气隔绝的条件下，2000 ℃ 依然有一定强度；在液氮氛围下也不会脆断。 ２　在航空航天领域的应用现状 ２．１　国外应用现状 复合材料中，最早开发并应用的是GF 树脂基复合材料。20世纪40年代，美国首先在军用雷达罩、飞机油箱上应用了玻璃纤维与不饱和聚酯树脂的复合材料。但是到了60年 先进复合材料在航空航天领域的应用 周苑生 （浙江长征中学，浙江 杭州 310011） 摘 要：先进复合材料由于具有多功能性、结构整体性、可设计性等众多优良特点，在各个领域被广泛推广和使用，而复合材料应用量最大，技术含量最高的是航空航天领域。本文简要描述了先进复合材料的组成及发展现状，并介绍了先进复合材料在航空航天领域的国内外应用，同时以此为依据，提出对于我国在低成本复合材料制造方面的展望与想法。关键词：复合材料；航空航；树脂基体；纤维中图分类号：V257 文献标志码：A

先进复合材料在航空航天中的应用及发展

先进复合材料在航空航天中的应用及发展 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

摘要：21世纪是新型材料为物质基础的时代。各种高分子材料以它优异的性能在各种方面领域有广泛的应用。在飞机制造工业中，由于高分子材料的使用，飞机本身的质量的减轻性能更加稳定的同时也减少了能源的消耗。本文主要是列举了几种常见的高分子材料在飞机上的应用。 关键词：航空航天；国防 1. 前言 材料是人们生活和生产必须的物质基础。也是人类进化的重要里程碑。材料科学主要研究材料的成分、分子或原子机构、微观及宏观组织以及加工制造工艺和性能之间的关系。它是一门边缘新科学，主要一固态物理和固态化学、晶体学、热力学等位基础，结合冶金化工及各种高新科技术来探讨材料内在规律和应用。材料是人类用来制造、构件、器件和其他产品的物质。但并不是所有物质都可称为材料，如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等，一般都不算作材料。 2.材料可按多种方法进行分类。 按属性分为金属材料、无机非金属材料、有机材料和复合材料。按用途分为电子材料、宇航材料、建筑材料、、生物材料等。实际应用中又常分为和。结构材料是以性质为基础，用以制造以受力为主的构件。结构材料也有或化学性质的要求，如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能力等，根据材料用途不同，对

性能的要求也不一样。功能材料主要是利用物质的物理、化学性质或现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。如、超导材料、、等。 材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代，人们把信息、材料和作为社会文明的。80年代，随着高技术群的兴起，又把新材料与信息技术、并列作为新技术革命的重要标志。现代社会，材料已成为建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。 3.材料的发展简史 人类社会的发展历程，是以材料为主要标志的。100万年以前，原始人以石头作为工具，称旧。1万年以前，人类对石器进行加工，使之成为器皿和精致的工具，从而进入新石器时代。新石器时代后期，出现了利用粘土烧制的陶器。人类在寻找石器中认识了矿石，并在烧陶生产中发展了冶铜术，开创了。5000年，人类进入青铜器时代。公元前1200年，人类开始使用铸铁，从而进入了。随着技术的进步，又发展了钢的制造技术。18世纪，钢铁工业的发展，成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪中叶，现代平炉和转炉炼钢技术的出现，使人类真正进入了钢铁时代。与此同时，铜、铅、锌也大量得到应用，铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。直到20世纪中叶，金属材料在材料工业中一直占有主导地位。20世纪中叶以后，迅猛发展，作为发明之母和产业粮食的新材料又出现了划时代的变化。首先是人工合成问世，并得到广泛应用。先后出现尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料，以及维尼