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复合材料在航天航空领域的成功应用4篇

时间:2022-09-02 10:20:02 来源:网友投稿

复合材料在航天航空领域的成功应用4篇复合材料在航天航空领域的成功应用  新技术新工艺 2012年 第9期 76   《新技术新工艺》加工工艺与材料研究先进复合材料在航空航天领域的应用朱晋生,王 卓,欧 峰下面是小编为大家整理的复合材料在航天航空领域的成功应用4篇,供大家参考。

复合材料在航天航空领域的成功应用4篇

篇一:复合材料在航天航空领域的成功应用

技术新工艺 2012 年 第9 期 76   《新技术新工艺》加工工艺与材料研究先进复合材料在航空航天领域的应用朱晋生, 王 卓, 欧 峰(驻上海航天局810 所军事代表室, 上海201108)摘 要:

 复合材料是当今科技发展的重要物质基础, 特别是先进复合材料已经成为应用 于航空航天的基本材料之一。

 本文简要概述了 先进复合材料的特性, 着重介绍了 先进树脂基复合材料、 金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料等的特点和研究进展, 以及先进复合材料在航空航天领域的应用 。关键词:

 先进复合材料; 航空航天; 应用中图分类号:TB   33  文献标志码:BApp l i c a t ion s   o f  Ad v an c ed  Compo s i t e  Ma t e r ia l s   in  A e r o spa c eZHU   J in sh en g, WANG  Zhuo, OU  F en g(M i l i t a r y  R ep r e sen t a t iv e  o f   810In s t i tu t e  o f  Sh an gh a i  A c ad emy   o f  A e ro sp a ce,Sh an gh a i   201108,Ch in a)Ab s t r a c t:Compo s i t e  m a t e r i a l s  a r e  an   impo r t an t   suppo r t   f o r   s c i en ce   and   t e chn o logy  d ev e lopm en t  o f  mod e rn   t e chn o logy.E sp e c i a l ly,adv an c ed   compo s i t e  m a t e r i a l s(ACM)h av e  b e com e   th e  b a s i c  m a t e r i a l s  o f   th e  a e r o sp a c e  en g in e e r in g. In   th i s  p a-p e r,th e   ch a r a c t e r i s t i c s  o f   adv an ced   compo s i t e  m a t e r i a l s  w e r e   summ a r i z ed  b r i e f ly. Th e  p r op e r t i e s  and  p rog r e s s  o f   adv an c edpo lym e r  m a t r ix   compo s i t e s,m e t a l  m a t r ix   compo s i t e s,c e r am i c  m a t r ix   compo s i t e s  and   c a rbon/ca rbon   compo s i t e s  w e r e  m a in lyd e s c r ib ed,a s  w e l l  a s   th e  app l i c a t ion s  o f   adv an c ed   compo s i t e s   in   th e  a e ro sp a c e   f i e ld  w e r e   in t r odu ced.K ey  w o r d s:Adv an ced   compo s i t e  m a t e r i a l s, A e r o sp a c e, App l i c a t ion  随着现代高技术的 迅猛发展, 特别是国 内 外航空航天领域的发展, 材料的使用环境越来越恶劣, 对材料的要求也越来越苛刻。

 新材料技术是为了满足高技术发展需求而开发的高性能新型材料。

 复合化是新材料的重要发展方向, 也是新材料最具生命力的分支之一, 复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列 的四 大材料体系之一[1]。1 先进复合材料的特性复合材料是由 有机高分子、 无机非金属或金属等几种不同物理、 化学性质的材料, 通过复合工艺,以微观、细观或宏观等不同的结构尺度与层次, 经过复杂的空间组合而形成的新的材料系统[2]。

 它与一般材料的简单混合有本质区别, 可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联, 从而获得更优越的性能, 既保留原组成材料的重要特色, 又通过复合效应获得原组分所不具备的性能[3]。先进复合材料是指用 高性能纤维、 织物、 晶须等增强基体材料所制成的高级材料。

 通常增强基体有碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料[4-5]; 先进复合材料具有高比强度、 高比模量和性能可设计等特点, 能有效地减轻导弹和航天器的结构质量, 并赋予某些特殊功能(如 防热、 吸波等), 是用 于飞机、 火箭、卫星、飞船等现代航空航天飞行器的理想材料,也是当今航天新材料研究和发展的重点[6]。

 先进复合材料的使用 , 不仅极大地提高了 现代飞行器的性能, 使得人类飞天、 登月 的梦想变成现实, 同 时也创造了巨大的经济效益。2 先进复合材料的特点及研究进展航空航天所用的先进复合材料主要有树脂基复合材料、 金属基复合材料、 陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料等, 尤以树脂基复合材料在航空工业中的应用最为广泛[7]。2.1 先进树脂基复合材料先进树脂基复合材料是以高性能树脂为基体,高性能连续纤维等为增强材料, 通过一定的 复合工艺制备而成, 是具有明 显优于原组分性能的新型材料。

 与传统的钢、铝合金结构材料相比, 它的密度约为钢的1/5, 铝合金的1/2, 且比强度与比模量远高于二者。先进树脂基复合材料常用的增强纤维包括碳纤维和其他高性能有机纤维, 目 前应用 得最多和最重要的是碳纤维, 其典型代表是环氧树脂基碳纤维复合材料。

 经过多年的 使用 验证, 环氧树脂基体具有综合性能优异、工艺性良好、价格低等诸多优点。

 为了提高先 进树脂基复 合 材 料 的 使 用 性 能, 在 环 氧(EP)

 的 基 础 上, 研 究 人 员 开 发 出 了 双 马 来 亚 胺

  加工工艺材料研究 《新技术新工艺》加工工艺与材料研究77   (BM I)

 基和耐高温聚酰亚胺(P I)

 基等复合材料。

 与此同时, 先进树脂基复合材料的 成形技术也得到了发展。

 表1 是一些常用的树脂基复合材料成型技术特点和应用 。表1 树脂基复合材料的成型技术成型技术特点和应用热压罐/真空袋 适于各种大尺寸、形状和结构复杂的 复合材料构件制备, 如整体厚壁板、加筋壁板、 双曲 度加筋壁板、骨架和蒙皮的整体结构等纤维缠绕 适于各种复合材料管材, 旋转体形状复合材料构件, 如火箭发动机壳 体、 各种 压力 瓶、 雷 达罩、小型火箭等RTM 适于制 造各种精度要求高、 内 外表面光滑、 不希望再加工的 制 件, 如 高性能机头雷达罩、 各种形状的复合材料构件模压 机械化 程 度 高、 生 产 效 率 高、 制 件 重 现 性 好。适于制造尺寸精确、表面光洁、 无毛边、 不希望进行再加工的中小型制件和先进热塑性复合材料拉挤 连续生产、 效率高、 制 品 长度不受 限制。

 适于制备断面复杂、 厚度可变但宽 度不变, 或断面形状可变但断面面积不变的 制 品 及各种 复合材料型材。

 产品具有较明显的方向性2.2 金属基复合材料航空航天领域所用到的金属基复合材料主要是指以 A l、Mg、T i 等轻金属为基体, 以高强度的第二相为增强体的复合材料。

 这类材料具有优良的导电性能、导热性能、耐高温性能、横向性能、低消耗和优良的可加工性能。

 尤其是纤维增强钛基复合材料,是先进航空承力 部件的候选材料。

 凭借密度小、 比刚度和比强度高、耐温性好等优点, 碳化硅纤维增强的钛基复合材料在压气机叶片、整体叶环、盘、轴、机匣、传动杆等部件上已经得到了广泛应用 。2.3 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料使陶瓷材料的韧性大大改善,同时其强度、模量有了 提高。

 目 前连续纤维增强陶瓷基复合材料是一个主要的发展方向, 它具有密度小、比模量高、比强度高、 热机械性能和抗热振冲击性能好等一系列优点, 且具有更高的断裂韧性及断裂功、完全的非脆性破坏形式、优异的耐烧蚀性能或者绝热性能, 是未来航天科技发展的 关键支撑材料之一, 如 碳 纤 维 增 强 陶 瓷 (Cf/S i3N4、Cf/S iC、Cf/S iO2、Cf/A l2O3), 以 及 陶 瓷 纤 维 增 强 陶 瓷 (S iCf/S iO2、S iCf/S iO2、A l2O3f/S iO2)

 等。2.4 碳/碳复合材料碳/碳复合材料是以碳为基体, 由碳纤维或其制品(碳毡或碳布)

 增强的一种复合材料。

 它兼有碳的惰性和碳纤维的高强度, 具有热膨胀系数小、热导率较低、抗热冲击性能好、耐烧蚀性好和耐含固体微粒燃气的冲刷等一系列的优异性能, 而且其质轻, 比强度和比弹性模量都很高, 更重要的 是这种材料在惰性环境下随着温度的升高(可达2  200 ℃)

 其强度不降低, 甚至比室温条件下还高, 这些都是其他材料无法比拟的。制备碳/碳复合材料最关键的 技术是坯体致密化, 碳/碳复合材料的致密工艺一般采用化学气相渗透(CV I)

 或者液态树脂沥青浸渍、 碳化的 方法。

 碳化的方法有中压碳化和高压碳化, 高温处理方法有充气保护石墨化和真空石墨化。

 以上的这些方法可以交叉使用和循环使用 , 从而达到 预定的致密化的密度指标。3 先进复合材料在航空航天领域的应用3.1 在大飞机上的应用空中客车A 380(A i rbu s  A 380)

 是欧洲空中客车工业公司研制 生产的4 台 发动机、550 座级超大型远程宽体客机, 是目 前世界上最大的飞机。

 飞机质量25%的部件由先进复合材料制造, 其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP),3%为首次用于民用 飞机的铝合金 和 玻 璃 纤 维 超 混 杂 复 合 材 料 的 层 状 结 构(GLARE 纤维-金属板)。A 380 的碳纤维复合材料构件包括襟翼、 副 翼、梁、后隔 板、 舱壁、 地板梁、 前缘、 中 央机翼盒、 机身段、垂直稳定翼等。

 与此同 时, 在 A 380 的机身上部采用 了 GLARE 交替层压而成, 我国又称之为超混杂复合材料。

 GLARE 层板与相应的铝合金比可减重25%~30%, 提高抗疲劳寿命10~15 倍, 效果可观。

 图1 所示为GLARE 层板示意图。图1 GLARE 层板示意图由 于 CFRP 明 显减重以及在使用 中 不会因 疲劳或腐蚀受损, 大大减少了油耗和排放, 燃油的经济性比其直接竞争机型低13%左 右, 降 低了 运营 成本, 每英里成 本比 目 前效率 最高 的 飞 机低15% ~

  新技术新工艺 2012 年 第9 期 78   《新技术新工艺》加工工艺与材料研究20%, 成为第1 个每位 乘客每 百 公里耗油 少 于3L的远程客机。B 787 又称为“梦想客机”, 是波音公司1990 年启动波音777 计划后14 年来推出 的首款全新机型,2009 年12 月15 日 成功试飞,2010 年交付使用 。

 对B 787 除了采用 新型的 发动机和创 新的 流线型机翼设计外, 在其主体结构(包括机翼和机身)

 上大量采用先进的复合材料, 先进复合材料在B 787 的 用 量高达50%。

 表2 为B 787 所使用的材料比例。表2 B 787 使用 的材料比例(%)复合材料铝合金钛合金钢其他50 20 15 10 5  B 787 比目 前同 类飞机燃油 消 耗节省20%, 它的低燃料消耗、高巡航速度、高效益及舒适的客舱环境, 可实现更多的点对点不经停直飞航线, 这得益于大量采用先进复合材料。

 例如波音B 787 采用 碳纤维复合材料制造机翼和机身结构, 如图2 所示。图2 B 787 的机身段碳/碳复合材料具有耐高 温、 摩 擦磨损 性 能 优异、制动吸收能量大等特点, 是制造飞机制动装置的优异材料。

 高性能制动材料要求高比热容、 高熔点以及高温下的强度, 碳/碳复合材料正好满足了这一要求, 制作的飞机制动盘质量轻、耐温高、比热容、比图3 A 380 的碳/碳制动盘钢高2. 5 倍, 同 金 属 制动相 比, 可节 省40%的结构质量。

 碳制动盘的使用 寿命是金属 基的5~7 倍, 制 动力 矩平稳,制动 时 噪 声 小, 因 此 碳制动盘的问世被认为是制动材料发展史上的 一次重大技术进步。

 图3 所示为 A 380 的制动盘。3.2 在军用飞机上的应用先进复合材料在军用飞机上应用30 多年来, 已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件, 如垂直尾翼、 水平安定面、 方向 舵、 副翼、 前机身和机翼蒙皮等。

 欧洲的 A 400M 属于新一代大型军用运输机, 在材料应用技术上有了新的飞跃, 主要表现为先进复合材料占结构质量的35%~40%。在A 400M 运输机上, 特别值得提出 的 是复合材料机翼, 碳纤维 复 合材 料 占 机 翼 结 构 质 量 比 例 高 达85%, 开创了使用 复合材料为主要材料制造大型运输机机翼的先例。

 采用 碳纤维制造的 机翼, 质量是同等强度铝合金机翼的75%~80%, 并且不会产生金属疲劳, 先进复合材料的 广泛应用 对于减轻结构质量相当有成效。美国在歼击机和战斗机上大量使用 复合材料:F-22 的结构质量系数为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。

 H360、S-75、BK-117 和 V-22 等直升机均大量采用了复合材料, 如顷转旋翼飞机 V-22 用 复合材料近3  000 kg, 占结构总 重的45%左右, 法德合作研制的虎式武装直升机, 复合材料用 量更高达77%。

 一些先进树脂基复合材料具有比较好的雷达传输和介电透射特性, 当雷达波透射到这些树脂基复合材料时, 不容易 形成爬行的 电磁波, 因 此也被用做隐身材料。3.3 在固体火箭上的应用固体火箭发动机是当今各种导弹武器的主要动力装置, 在航天领域也有广泛的 应用 。

 计算结果表明, 固体火箭一、二、 三级发动机的 结构质量每减轻1 kg, 导弹射程相应地增加0.6、3、16 km 左右, 所以对壳体特别是末级发动机壳体进行结构减重是战略导弹总体设计师孜孜以求的 目 标, 而达到目 标最重要的技术途径之一就是采用先进的材料。固体火箭发动机壳体使用的材料经过了从高强度金属(超高强度钢、 钛合金等)

 到 先进复合材料的演变。

 采用碳纤维复合材料将大大减轻火箭和导弹的惰性质量, 既减轻发射质量, 又可节省发射费用或携带更重的 弹头或增加有效射程和 落点 精 度。

 20世纪60 年代初, 开始采用纤维缠绕成型的玻璃钢壳体取代钢壳, 如美国的潜地导弹“北极星A-3”发动机玻璃钢壳体质量比“A-1”的合金钢减轻了60%,成本降低了66%。

 此后,“三叉戟1”、MX 的三级发动机壳体全部采用芳纶/环氧, 质量又比玻璃钢的同尺寸壳体减轻50%。壳体材料在经历了合金钢 (如 D 6AC 等)、玻璃纤维/环氧、芳纶/环氧3 代材料后, 进入了第4 代碳纤维/环氧材料时代。

 美国应用IM-7 碳纤维研制成功“大力神-4”助推器、三叉戟D 5、侏儒导弹等碳纤维壳体, 制造固体发动机复合材料壳体通常使用

  加工工艺材料研究 《新技术新工艺》加工工艺与材料研究79   缠绕成型工艺, 由 微机控制的自 动缠绕机将浸过树脂胶液的连续纤维粗纱或布带按照一定规律缠绕到与壳体内 腔尺寸相 同 的 芯模上, 然后加热固 化、 脱模, 即可制成壳体。

 如图4 所示为纤维缠绕的壳体。图4 纤维缠绕壳体4 结语我国 正在大力发展军用 飞机、 支线飞机以及大型商用客机等项目 , 这些领域的发展急需先进复合材料的进步。

 经过多年的发展, 我国 复合材料逐渐形成体系, 部分已经满足了 航空航天器型号的 技术要求, 但总体上与发达国 家还有一定的差距, 因 此,必须在复合材料的 关键技术上进行重点 研制 和 创新, 为国防和航天航空事业发展建立必要的 物质保证。参考文献[1] 王恩青, 张斌. 复合材料在航空航天中 的 发展现状和未来展望[J]. 科技信息,2011,33:290.[2] 益小苏, 杜善义, 张立同, 等. 中国 材料工程大典:

 复合材料工程[M]. 北京:

 化学工业出 版社,2006.[3] 师昌绪. 材料大辞典[M]. 北京:

 化学工业出 版社,1994.[4] 沈军, 谢怀勤. 先进复合材料在航空航天领域的 研发与应用[J]. 材料科学与工艺,2008,16(5)

 :737-740.[5] 邱惠中, 吴志红. 国 外航天材料的 新进展[J]. 宇 航材料工艺,1997(4):5-13.[6] 王兴刚, 于洋, 李树茂, 等. 先进热塑性树脂基复合材料在航天航空上 的 应 用 [J]. 纤 维 复 合 材 料,2011,2(44):45-47.[7] 陈祥宝, 张凤翻. 先进树脂基结构复合材料的 发展[J].材料工程,1996(6):5-7.作者简...

篇二:复合材料在航天航空领域的成功应用

4.2008 工程与试验 December 2008[ 收稿日期]  2008-09-05[ 作者简介]  苏云洪(1953-), 男, 副教授, 毕业北京航空航天大学, 研究方向新材料与航空航天。刘秀娟(1974-), 女, 讲师, 毕业东北大学, 硕士, 研究方向新材料加工。复合材料在航空航天中的应用苏云洪 ,刘秀娟 ,杨永志(空军航空大学, 吉林 长春 130022)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飞机和卫星的理想材料。

 阐述了先进复合材料在飞机、航空发动机、卫星、导弹等方面的应用情况及先进复合材料未来的发展趋势。关键词:复合材料;航空航天 ;应用发展中图分类号:V258 文献标识码:BApplication of Composites in Aviation and AerospaceSu Yunhong ,Liu Xiujuan, Yang Yongzhi(Air Force Aviation University , Jilin Changchun 130022)Abstract:Nowadays, the material of producing planes and satellites should be light , strong andshould resist high temperature , corrosion and so on.Because of the unique peculiarities, ad-vanced composites become the ideal material of producing planes and satellites.In this paper , theapplications of advanced composites in shuttles, aviation engine , satellites and missile are dis-cussed, the development trends of advanced composites are introduced.Keywords:composites;aviation and aerospace;application and development1 引 言随着航空航天科学技术的不断进步 ,促进了新材料的飞速发展 ,其中尤以先进复合材料的发展最为突出。目前主要指有较高强度和模量的硼纤维 、碳纤维、芳纶等增强的复合材料,耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料 ,隐身复合材料,梯度功能复合材料等。飞机和卫星制造材料要求质量轻、强度高 、耐高温、耐腐蚀 ,这些苛刻的条件, 只有借助新材料技术才能解决 。复合材料具有质量轻, 较高的比强度、比模量 ,较好的延展性 , 抗腐蚀、导热、隔热 、隔音 、减振、耐高(低)温 ,独特的耐烧蚀性、透电磁波, 吸波隐蔽性 、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点 ,是制造飞机 、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。2 飞机机身上的应用2.1 飞机机身结构上的应用先进复合材料用于加工主承力结构和次承力结构 、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前被大量地应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体结构制造上 。飞机用复合材料经过近 40 年的发展 ,已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件 ,可获得减轻质量 (20 ~ 30)% 的显著效果。目前已进入成熟应用期 , 对提高飞机战术技术水平的贡献、可靠性 、耐久性和维护性已无可置疑 ,其设计、制造和使用经验已日趋丰富。迄今为止 , 战斗机使用的复合材料占所用材料总量的 30% 左右, 新一代战斗机将达到 40 %;直升机和小型飞机复合材料用量将达到 (70 ~ 80)%左右 , 甚至出现全复合材· 36 ·

 料飞机。“科曼奇”直升机的机身有 70%是由 复合材料制成的,但仍计划通过减轻机身前下部质量, 以及将复合材料扩大到配件和轴承中 ,以使飞机再减轻 15%的质量 。“阿帕奇”为了减轻质量, 将采用复合材料代替金属机身 。使用复合材料, 未来的联合运输旋转翼(JT R)飞机的成本将减少 6%, 航程增加 55%,或者载荷增加 36%。以典型的第四代战斗机 F/A-22 为例复合材料占 24.2%,其中热固性复合材料占 23.8%,热塑性复合材料占 0.4%左右 。热固性复合材料的 70%左右为双马来酰亚胺树脂(BMI ,简称双马)基复合材料[ 1],生产 200 多种复杂零件 ,其它主要为环氧树脂基复合材料 ,此外还有氰酸酯和热塑性树脂基复合材料等。主要应用部位为机翼 、中机身蒙皮和隔框 、尾翼等。近 10 年来 ,国内飞机上也较多的使用了复合材料 。例如由国内 3家科研单位合作开发研制的某歼击机复合材料垂尾壁板 ,比原铝合金结构轻 21 kg , 减质量 30%。北京航空制造工程研究所研制并生产的 QY8911/ HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段 、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。由北京航空材料研究院研制的 PEEK/AS4C 热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其复合材料,具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性 、阻燃性和抗疲劳性能,适合制造飞机主承力构件,可在 120℃下长期工作,已用于飞机起落架舱护板前蒙皮 。在 316 ℃这一极限温度下的环境中, 复合材料不仅性能优于金属 ,而且经济效益高。据波音公司估算, 喷气客机质量每减轻 1 kg ,飞机在整个使用期限内即可节省 2200美元。2.2 飞机隐身上的应用近几十年来, 隐身复合材料的研究取得了长足进展 ,正朝着“薄、轻、宽(频谱)、强(耐冲击 、耐高温)”方向发展。美国最先将隐身材料用在飞机上 ,用隐身材料最多的是 F-117 和 F-22 飞机 。F-117 的隐身涂层十分复杂, 有 7 种材料之多。例如, 它的机身、机翼、副翼及尾翼等采用了瓦片状吸波材料 , 为了加固这种瓦片状材料在底层采用了 Filcoat 材料 ,它是碳纤维增强的环氧预浸带 , 用自动铺带法叠在吸波涂层下面。2000 年, 美空军对 F-117 的隐身材料进行更新, 将原来的 7 种隐身材料涂层更换为 1种,全部 F-117 将具有通用的维修程序和雷达波吸收材料 ,技术规程的数量减少大约 50 %。改进后 F-117 的每飞行小时维修时间缩短一半以上, 全部 52架 F-117 的年维护费用从 1450 万美元降至 690 万美元 。F-22 不采用全机涂覆吸波涂层的方法, 但在机身内外的金属件上全部采用了铁氧体吸波涂层,它是一种有韧性的耐磨涂料, 较之 F-117 的涂料易于喷涂且耐磨。专家预测到本世纪 30 代 ,导电高分子电致变色材料、掺杂氧化物半导体材料 、纳米复合材料和智能隐身等复合材料将实际用于飞机 ,它将使飞机的航电系统及控制方式发生根本性的变化。3 航空发动机上的应用3.1 涡轮发动机上的应用由于具有密度小、比强度高和耐高温等固有特性 ,复合材料在航空涡轮发动机上应用的范围越来越广且比例越来越大, 使航空涡轮发动机向“非金属发动机”或“全复合材料发动机”方向发展 。(1)树脂基复合材料凭借比强度高, 比模量高, 耐疲劳与耐腐蚀性好 ,阻噪能力强的优点 ,树脂基复合材料在航空发动机冷端部件(风扇机匣 、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱 、反推力装置等部件上得到广泛应用。如 JTAGG 验证机的进气机匣采用碳纤维增强的PMR15 树脂基复合材料 , 比采用铝合金质量减轻26 %;F136 发动机采用与 F110-132 发动机相似的复合材料风扇机匣 ,使质量减轻 9kg 。(2)碳化硅纤维增强的钛基复合材料 [ 2]凭借密度小(有的仅为镍基合金的 1/2), 比刚度和比强度高,耐温性好等优点 ,碳化硅纤维增强的钛基复合材料在压气机叶片、整体叶环、盘 、轴、机匣 、传动杆等部件上已经得到了广泛应用 。(3)陶瓷基复合材料[ 3]目前主要的陶瓷基复合材料产品是以 SiC 或 C纤维增强的 SiC 和 SiN 基复合材料。凭借密度较小(仅为高温合金的 1/3~ 1/4), 力学性能较高, 耐磨性及耐腐蚀性好等优点, 陶瓷基复合材料,尤其是纤维增强陶瓷基复合材料 ,已经开始应用于发动机高温静止部件(如喷嘴 、火焰稳定器),并正在尝试应用于燃烧室火焰筒 、涡轮转子叶片、涡轮导流叶片等部件上 。3.2 火箭发动机上的应用由于火箭发动机喷管壁受到高速气流的冲刷,工作条件十分恶劣, 因此 C/C 最早用作其喷管喉衬 , 并由二维 、三向发展到四向及更多向编织。同时火箭发动机设计者多年来一直企图将具有高抗热震的Ct /SiC 用于发动机喷管的扩散段 , 但Ct 的体积分数高 , 易氧化 而限制了 其广泛应 用, 随着CVD、CVI 技术的发展, 新的抗氧化 Ct /SiC 及 C· 37 ·No4.2008               苏云洪, 等:复合材料在航空航天中的应用

 -C/SiC 必将找到其用武之地 。Melchior 等认为C 纤维 CMC 、陶瓷纤维 CMC 以及 C/C 复合材料 ,特别是以 SiC 为纤维或基体的 CMC 抗氧化 , 耐热循环和烧蚀, 是液体火箭发动机燃烧室和喷管的理想材料 , 并进行了总数为 31 个的长达 20 000 s 的燃烧室和喷管点火试验, 内壁温度高达 1732℃, 一个 600 kg 发动机成功地点火七次 , 温度为 1449℃。目前为解决固体火箭发动机结构承载问题 , 美国和法国正在进行陶瓷纤维混合碳纤维而编织的多向(6 向)基质 、以热稳定氧化物为基体填充的陶瓷复合材料 。SiC 陶瓷制成的喉衬 、内衬已进行多次点火试验 。今天作为火箭锥体候选材料的有 A1 2O 3 、ZrO 2 、ThO 2 等陶瓷, 而作为火箭尾喷管和燃烧室则采用高温结构材料有 SiC 、石墨、高温陶瓷涂层等。4 卫星和宇航器上的应用卫星结构的轻型化对卫星功能及运载火箭的要求至关重要 ,所以对卫星结构的质量要求很严 。国际通讯卫星 VA 中心推力筒用碳纤维复合材料取代铝后减质量 23 kg(约占 30 %), 可使有效载荷舱增加 450 条电话线路 ,仅此一项盈利就接近卫星的发射费用 。美 、欧卫星 结构质量不到总质 量的10%,其原因就是广泛使用了复合材料。目前卫星的微波通讯系统、能源系统(太阳能电池基板、框架)各种支撑结构件等已基本上做到复合材料化。我国在“风云二号气象卫星”及“神舟”系列飞船上均采用了碳/环氧复合材料做主承力构件,大大减轻了整星的质量 ,降低了发射成本。5 结束语复合材料是未来发展我国航空航天工程最有前途的材料,在未来的研制中涡轮发动机材料必须在抗拉强度 、蠕变阻力、低和高循环疲劳、耐高温腐蚀和耐冲击损伤等方面满足要求。提高复合材料高耐热性、强度和韧性是发展复合材料的关键 ,今后在耐高温材料上应重点研制结构陶瓷 、陶瓷复合材料 ,和微叠层复合材料。同时要在研究低成本复合材料的制造技术上加大力度。参考文献[ 1]  高永忠.纤维增强树脂复合材料在武器装备上的应用[ J] .应用导航, 2006, 01:24.[ 2]  李爱兰, 曾燮榕, 曹腊梅等航空发动机高温材料的研究现状[ J] .材料导报, 2003, 17(2):26.[ 3]  胡彦.陶瓷在航空领域中的应用[ J] .江苏陶瓷, 2006,06:3.(上接第 26 页)的单轴压缩试验 。低温恒温试验箱控温精度能达到0.1°C ,温度显示 0.01°C ,并且在试验中保持温度稳定。试验试样在低温恒温箱中放置 12h 以上, 以确保试样内部温度均匀并与设计试验温度一致 。(2)利用该试验设备进行了 -10°C 下的人工淡水冰单轴压缩强度试验, 试验试样的晶体分析表明实验室人工冻结的淡水冰与天然冰有类似的晶体结构,而试验得到的应力 -应变曲线也与已经报道的天然冰一致,证实了本套试验设备的工作可靠 。参考文献[ 1]  邓云, 王欣, 李建国, 等.新型海冰调查设备—冰样压缩机[ J] .海洋技术, 2006, 25(1):50-53[ 2]  张世银, 汪仁和.多功能冻土三轴试验机的研制与应用[ J] .试验技术与试验机, 2007, 47(1):67-70[ 3]  高向群, T .H .Jacka.人造冰和冰芯冰蠕变和方位组构发展对比[ J] .冰川冻土, 1995, 17(4):343-349[ 4]  Schwarz.J, Frederking .R, Gavrillo .V, et al.Standardized Testing Methods for Measuring Mechani-cal Properties of Ice[ J] .Cold Regions Science andTechnology.1981, 4(3):245-253[ 5]  岳前进, 毕祥军, 黄茂桓, 彭万巍, 高向群.人造柱状冰韧脆转变区裂纹的初步研究[ J] .冰川冻土, 1995,17(增刊):106-111[ 6]  岳前进, 任晓辉, 陈巨斌.海冰韧脆转变实验与机理研究应用[ J] .基础与工程科学学报, 2005, 13(1):35-42· 38 ·工程与试验                  December 2008

篇三:复合材料在航天航空领域的成功应用

0 4 . 2 0 0 8工程与试验D e c e m h e r 2 0 0 8复合材料在航空航天中的应用苏云洪, 刘秀娟, 杨永志( 空军航空大学, 吉林长春130 0 22)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飞机和卫星的理想材料。

 阐述了先进复合材料在飞机、 航空发动机、 卫星、 导弹等方面的应用情况及先进复合材料未来的发展趋势。关键词:

 复合材料; 航空航天; 应用发展中图分类号:

 V 258文献标识码:

 BA p p lic a tio no fC o m p o site sin A v ia tio n a n dA e r o sp a c e,S uY u n h o n g , L iu X iu ju a n , Y a n gY o n g z h i( A irF o r c eA v ia tio nU n iv e r sity , JilinC h a n g c h u n130 0 22)A b str a c t:

 N o w a d a y s, th e m a ter ia l o fp r o d u c in g p la n esa n d sa tellites sh o u ld b elig h t, str o n ga n dsh o u ld r esist h ig h te m p e r a tu r e , c o r r o sio n a n d S O o n . B e c a u se o f th eu n iq u e p e cu lia r itie s, a d —v a n c e dc o m p o site sb e c o m e th e id ea lm a te r ia l o fp r o d u c in g p la n esa n dsa te llite s. Inth isp a p e r , th ea p p lic a tio n so f a d v a n c e dc o m p o site s in sh u ttle s, a v ia tio n e n g in e , sa te llite s a n d m issile a r e d is—c u sse d , th ed e v e lo p m e n t tr e n d s o f a d v a n c e dc o m p o site sa r e in tr o d u ce d .K e y w o r d s:

 c o m p o site s; a v ia tio na n da e r o sp a c e ; a p p lic a tio na n dd e v e lo p m e n t1引言随着航空航天科学技术的不断进步, 促进了新材料的飞速发展, 其中尤以先进复合材料的发展最为突出。

 目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、 芳纶等增强的复合材料, 耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料, 隐身复合材料, 梯度功能复合材料等。

 飞机和卫星制造材料要求质量轻、 强度高、 耐高温、 耐腐蚀, 这些苛刻的条件, 只有借助新材料技术才能解决。

 复合材料具有质量轻, 较高的比强度、 比模量, 较好的延展性, 抗腐蚀、 导热、 隔热、 隔音、 减振、 耐高( 低)温, 独特的耐烧蚀性、 透电磁波, 吸波隐蔽性、 材料性能的可设计性、 制备的灵活性和易加工性等特点, 是制造飞机、 火箭、 航天飞行器等军事武器的理想材料。

 .2・飞机机身上的应用2. 1飞机机身结构上的应用先进复合材料用于加工主承力结构和次承力结构、 其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。

 目前被大量地应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体结构制造上。飞机用复合材料经过近4 0 年的发展, 已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件, 可获得减轻质量( 20 ~30 )%的显著效果。

 目前已进入成熟应用期, 对提高飞机战术技术水平的贡献、 可靠性、 耐久性和维护性已无可置疑, 其设计、制造和使用经验已日趋丰富。

 迄今为止, 战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30 %左右, 新一代战斗机将达到4 0 %; 直升机和小型飞机复合材料用量将达到( 7 0 ~8 0 )%左右, 甚至出现全复合材[ 收稿日期]20 0 8 一0 9 一0 5[ 作者简介]苏云洪( 19 53一), 男. 副教授, 毕业北京航空航天大学, 研究方向新材料与航空航天。

 刘秀娟( 19 7 4 - - ), 女。

 讲师, 毕业东北大学, 硕士, 研究方向新材料加工。・3 6 ・ 万方数据

 N 0 4 . 2 0 0 8苏云洪, 等:

 复合材料在航空航天中的应用料飞机。

 “科曼奇” 直升机的机身有7 0 %是由复合材料制成的, 但仍计划通过减轻机身前下部质量, 以及将复合材料扩大到配件和轴承中, 以使飞机再减轻15%的质量。

 “阿帕奇” 为了减轻质量, 将采用复合材料代替金属机身。

 使用复合材料, 未来的联合运输旋转翼( JT R )飞机的成本将减少6 %, 航程增加55%, 或者载荷增加36 %。

 以典型的第四代战斗机F /A '22为例复合材料占24 . 2%, 其中热固性复合材料占23. 8 %, 热塑性复合材料占0 . 4 %左右。热固性复合材料的7 0 %左右为双马来酰亚胺树脂( B M I, 简称双马)基复合材料[ 1], 生产20 0 多种复杂零件, 其它主要为环氧树脂基复合材料, 此外还有氰酸酯和热塑性树脂基复合材料等。

 主要应用部位为机翼、 中机身蒙皮和隔框、 尾翼等。

 近10 年来, 国内飞机上也较多的使用了复合材料。

 例如由国内3家科研单位合作开发研制的某歼击机复合材料垂尾壁板, 比原铝合金结构轻21 k g , 减质量30 %。

 北京航空制造工程研究所研制并生产的Q Y 8 9 11/H T 3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、 垂直尾翼安定面、 机翼外翼、 阻力板、 整流壁板等构件。

 由北京航空材料研究院研制的P E E K /A S 4 C 热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其复合材料, 具有优异的抗断裂韧性、 耐水性、 抗老化性、 阻燃性和抗疲劳性能, 适合制造飞机主承力构件, 可在120 ℃下长期工作, 已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。

 在316 ℃这一极限温度下的环境中, 复合材料不仅性能优于金属, 而且经济效益高。

 据波音公司估算, 喷气客机质量每减轻1 k g , 飞机在整个使用期限内即可节省220 0 美元。2. 2飞机隐身上的应用近几十年来, 隐身复合材料的研究取得了长足进展, 正朝着“薄、 轻、 宽( 频谱)、 强( 耐冲击、 耐高温)” 方向发展。

 美国最先将隐身材料用在飞机上,用隐身材料最多的是F - 117 和F - 22飞机。

 F - 117 的隐身涂层十分复杂, 有7 种材料之多。

 例如, 它的机身、 机翼、 副翼及尾翼等采用了瓦片状吸波材料, 为了加固这种瓦片状材料在底层采用了F ilco a t材料,它是碳纤维增强的环氧预浸带, 用自动铺带法叠在. 吸波涂层下面。

 20 0 0 年, 美空军对F - 117 的隐身材料进行更新, 将原来的7 种隐身材料涂层更换为1种, 全部F . 117 将具有通用的维修程序和雷达波吸收材料, 技术规程的数量减少大约50 %。

 改进后F .117 的每飞行小时维修时间缩短一半以上, 全部52架F - 117 的年维护费用从14 50 万美元降至6 9 0 万美元。

 p 22不采用全机涂覆吸波涂层的方法, 但在机身内外的金属件上全部采用了铁氧体吸波涂层,它是一种有韧性的耐磨涂料, 较之F - 117 的涂料易于喷涂且耐磨。

 专家预测到本世纪30 代, 导电高分子电致变色材料、 掺杂氧化物半导体材料、 纳米复合材料和智能隐身等复合材料将实际用于飞机, 它将使飞机的航电系统及控制方式发生根本性的变化。航空发动机上的应用3. 1涡轮发动机上的应用由于具有密度小、 比强度高和耐高温等固有特性, 复合材料在航空涡轮发动机上应用的范围越来越广且比例越来越大, 使航空涡轮发动机向“非金属发动机” 或“全复合材料发动机” 方向发展。( 1)树脂基复合材料凭借比强度高, 比模量高, 耐疲劳与耐腐蚀性好, 阻噪能力强的优点, 树脂基复合材料在航空发动机冷端部件( 风扇机匣、 压气机叶片、 进气机匣等)和发动机短舱、 反推力装置等部件上得到广泛应用。如JT A G G 验证机的进气机匣采用碳纤维增强的P M R l5树脂基复合材料, 比采用铝合金质量减轻26 %; F 136 发动机采用与F 110 - 132发动机相似的复合材料风扇机匣, 使质量减轻9 k g 。( 2)碳化硅纤维增强的钛基复合材料[ 2]凭借密度小( 有的仅为镍基合金的1/2), 比刚度和比强度高, 耐温性好等优点, 碳化硅纤维增强的钛基复合材料在压气机叶片、 整体叶环、 盘、 轴、 机匣、 传动杆等部件上已经得到了广泛应用。.( 3)陶瓷基复合材料[ 3]目前主要的陶瓷基复合材料产品是以S iC 或C纤维增强的S iC 和S iN 基复合材料。

 凭借密度较小( 仅为高温合金的1/3~1/4 ), 力学性能较高, 耐磨性及耐腐蚀性好等优点, 陶瓷基复合材料, 尤其是纤维增强陶瓷基复合材料, 已经开始应用于发动机高温静止部件( 如喷嘴、 火焰稳定器), 并正在尝试应用于燃烧室火焰筒、 涡轮转子叶片、 涡轮导流叶片等部件上。3. 2火箭发动机上的应用由于火箭发动机喷管壁受到高速气流的冲刷,工作条件十分恶劣, 因此C /C 最早用作其喷管喉衬, 并由二维、 三向发展到四向及更多向编织。

 同时火箭发动机设计者多年来一直企图将具有高抗热震的C t/S iC 用于发动机喷管的扩散段, 但C t的体积分数高, 易氧化而限制了其广泛应用, 随着C V D 、 C V I技术的发展, 新的抗氧化C t/sic 及C’. 3 7 . 万方数据

 工程与试验D e c e m b e r2 0 0 8( 上接第26 页)的单轴压缩试验。

 低温恒温试验箱控温精度能达到L 2J张世银, 汪仁和. 多功能冻土三轴试验机的研制与应0 . I。

 C , 温度显示0 . 0 1。

 C , 并且在试验中保持温度稳J苇J[ - J]・试验技术与试验机, 2007 , 4 7 ( 1):

 67 —7 0定。

 试验试样在低温恒温箱中放置12h 以上, 以确[ 3]高向群, T . H ・Ja ck a . 。

 人造冰和冰芯冰蠕变和方位组保试样内. 黧里要兰黧与苎旦验翼度二竺:

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 C 下的人工淡水冰单轴压缩强度试验, 试验试样的晶体分析表明。

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 e a n d实验室人工冻结的淡水冰与天然冰有类似的晶体结低hnolog y. 1981, 4( 3):

 245- - 253E 5]岳前进, 毕祥军, 黄茂桓, 彭万巍, 高向群. 人造柱状I构, 而试验得到的应力一应变曲线也与已经报道的天然冰一致, 证实了本套试验设备的工作可靠。冰韧脆转变区裂纹的初步研究[ J]. 冰川冻土, 19 9 5,.’17 ( 增刊):

 10 6—111・参考文献[ 6 ]岳前进, 任晓辉, 陈巨斌・海冰韧脆转变实验与机理[ 1]邓云, 王欣, 李建国, 等. 新型海冰调查设备一冰样压- - 4 2缩机E J]. 海洋技术, 20 0 6, 25( 1):

 50 一53・3 8 ・ 万方数据

 复合材料在航空航天中的应用作者:苏云洪,

 刘秀娟,

 杨永志,

 Su Yunhong,

 Liu Xiujuan,

 Yang Yongzhi作者单位:空军航空大学, 吉林, 长春, 130022刊名:工程与试验英文刊名:ENGINEERING & TEST年, 卷(期) :2008, 48(4)被引用次数:5次

 参考文献(3条)1. 高永忠 纤维增强树脂复合材料在武器装备上的应用 20062. 李爱兰; 曾燮榕; 曹腊梅 航空发动机高温材料的研究现状[期刊论文]-材料导报 2003(02)3. 胡彦 陶瓷在航空领域中的应用[期刊论文]-江苏陶瓷 2006(3) 本文读者也读过(5条)1.

 沈军. 谢怀勤. SHEN Jun. XIE Huai-qin 先进复合材料在航空航天领域的研发与应用[期刊论文]-材料科学与工艺2008, 16(5)2.

 何东晓. HE Dong-xiao 先进复合材料在航空航天的应用综述[期刊论文]-高科技纤维与应用2006, 31(2)3.

 杜善义 先进复合材料与航空航天[会议论文]-20064.

 唐见茂. 李建龙. Tang Jianmao. Stephen K L Lee 航空航天复合材料应用的最新进展[期刊论文]-航天器环境工程2010, 27(5)5.

 樊建中. 肖伯律. 徐骏. 石力开. FAN Jianzhong. XIAO Bolv. XU Jun. SHI Likai SiCp/Al复合材料在航空航天领域的应用与发展[期刊论文]-材料导报2007, 21(10) 引证文献(5条)1. 欧秋仁. 嵇培军. 赵亮. 武玲. 曹辉 复合材料表面密封剂与抗静电涂料在燃油中稳定性研究[期刊论文]-合成材料老化与应用 2010(2)2. 高波. 叶文华 基于约束理论的航空复合材料车间动态调度研究[期刊论文]-中国制造业信息化 2011(5)3. 李力. 曹昌林 碳纤维含量对碳纤维增强PE复合材料力学性能的影响[期刊论文]-铸造技术 2012(1)4. 纪朝辉. 李娜. 胡晓莉. 贾鹏 表面预处理对复合材料铝导电涂层性能的影响[期刊论文]-焊接技术 2009(10)5. 贾娜. 李嘉禄 不同温度下复合材料弯曲性能的研究进展[期刊论文]-天津工业大学学报 2011(4)

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