簡介:復(fù)合材料與航空航天復(fù)合材料與航空航天摘要摘要先進復(fù)合材料ADVANCEDCOMPOSITEMATERIALS,ACM成功地用于航空航天領(lǐng)域僅有20多年的歷史它具有比強度比模量高、可設(shè)計性強、抗疲勞性能好、耐腐蝕性能優(yōu)越以及便于大面積整體成型等顯著優(yōu)點,在飛機上已獲得大量應(yīng)用。作為21世紀(jì)的主導(dǎo)材料,先進復(fù)合材料的用量已成為飛機先進性,乃至航空航天領(lǐng)域先進性的一個重要標(biāo)志,是世界強國競相發(fā)展的核心技術(shù),也是我國的重點發(fā)展領(lǐng)域。本文介紹了復(fù)合材料在航空航天上的發(fā)展?fàn)顩r,其后討論了目前復(fù)合材料使用上存在的問題,如碳纖維質(zhì)量差,成本高,針對這些問題,本文最后著重敘述了先進的碳化硅陶瓷纖維的制備方法,特點,以及NL200陶瓷級纖維在航空航天上的使用。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞復(fù)合材料碳化硅陶瓷纖維航空航天1先進復(fù)合材料現(xiàn)狀先進復(fù)合材料現(xiàn)狀復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上具有不同物理、化學(xué)性質(zhì)的材料,以微觀、介觀或宏觀等不同的結(jié)構(gòu)尺度與層次,經(jīng)過復(fù)雜的空間組合而形成的一種多相固體材料。先進復(fù)合材料ADVANCEDCOMPOSITEMATERIALS指的是在性能和功能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其單質(zhì)組分性能與功能的類新材料。它是國防軍工和國民經(jīng)濟發(fā)展最重要的一類工程材料,也是應(yīng)用于飛機、火箭、衛(wèi)星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。根據(jù)美國航空航天局NASA的劃分,航空航天所使用的各種先進復(fù)合材料可以分為以下幾種樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及碳/碳復(fù)合材料等1。111111先進樹脂基復(fù)合材料先進樹脂基復(fù)合材料先進樹脂基復(fù)合材料是以高性能纖維為增強體、高性能樹脂為基體的復(fù)合材料與傳統(tǒng)的鋼、鋁合金結(jié)構(gòu)材料相比,它的密度約為鋼的1/5,鋁合金的1/2,且比強度與比模量遠(yuǎn)高于后二者目前用途最廣的主要有碳纖維復(fù)合材料CFRP和芳綸纖維復(fù)合材料AFRPCFRP具有比強度高、耐高溫、減振性好、耐疲勞性能優(yōu)越等突出優(yōu)點,是目前民用飛機上用量最大,也是航空航天等尖端科技領(lǐng)域發(fā)展較為成熟的先進復(fù)合材料2AFRP熱穩(wěn)定性好,耐介質(zhì)性能優(yōu)良,可作為復(fù)合裝甲材料,有較強的防護力國外近年致力于將該種材料用于制作軍、民用飛機的“光譜屏蔽“材料,其關(guān)鍵性能指標(biāo)抗沖擊性能相當(dāng)出色112112金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料主要是指以AL、MG等輕金屬為基體的復(fù)合材料在航空和宇航方面主要用它來代替輕但有毒的鈹這類材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能、耐高溫性能,橫向性能、低消耗和優(yōu)良的可加工性能。近20年來,鎂基、鋁基、鈦基等輕質(zhì)金屬基復(fù)合材料在航空航天高技術(shù)領(lǐng)域起到了支撐作用[3],SIC晶須增強的鋁基復(fù)合材料薄板將用于先進戰(zhàn)斗機的蒙皮和機尾的加強筋,鎢纖維增強高溫合金基復(fù)合材料可用于飛機發(fā)動機部件,石墨/鋁、石墨/鎂復(fù)合材料具有很高的比剛度和抗熱變形性,是衛(wèi)星和宇宙飛行器用的良好的結(jié)構(gòu)材料。美國航天航空局采用石墨/鋁復(fù)合材料作為航天飛機中部長20M的貨艙架。這類材料具有優(yōu)良的橫向性能、低消耗和優(yōu)良的可加工性,已成為在許多應(yīng)用領(lǐng)域最具商業(yè)吸引力的材料,并且在國外已實現(xiàn)商品化而在我國僅有少量批量生產(chǎn),以汽車及機械零件為主,年產(chǎn)量僅5000噸左右,與國外差距較大42000年以來,歐美等發(fā)達國家的先進復(fù)合材料在航空上用量有很大的飛躍,這其中的原因是多方面的,而科學(xué)合理的設(shè)計理論與方法也是其中的重要因素。我國首先要解決的是設(shè)計理念上的問題。主承力結(jié)構(gòu)件上大量用復(fù)合材料,需要設(shè)計師接受和信賴復(fù)合材料。其次是設(shè)計理論問題。復(fù)合材料的性能分散性和環(huán)境依賴性使其設(shè)計問題相當(dāng)復(fù)雜,設(shè)計準(zhǔn)則和結(jié)構(gòu)設(shè)計值的確定還很保守。現(xiàn)有的方法需要大量試驗,造成復(fù)合材料的制備成本高、周期長,性能測試難度大、費用昂貴。設(shè)計、制備、評價和使用過程中獲得的每一個材料性能數(shù)據(jù)都彌足珍貴。因此,建立長期的開放式的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)十分必要。3434先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全與可靠性評價先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全與可靠性評價復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式、服役載荷及使用環(huán)境都相當(dāng)復(fù)雜及初始缺陷影響和損傷最終導(dǎo)致材料破壞與結(jié)構(gòu)失效的機制復(fù)雜。因此,建立復(fù)合材料有效性能試驗表征與評價體系,發(fā)展高精度的預(yù)報理論與方法,有效預(yù)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)長時服役環(huán)境下的性能蛻變規(guī)律,給出科學(xué)合理的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效判據(jù),定量化評價復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性,是復(fù)合材料工作者面臨的重要課題。3535重視發(fā)展規(guī)劃重視發(fā)展規(guī)劃國外航空航天結(jié)構(gòu)中先進復(fù)合材料用量不斷增加,急劇上升。隨著新一代飛行器的發(fā)展,特別是新一代衛(wèi)星、大運載火箭、近空間飛行器和大飛機的發(fā)展,先進復(fù)合材料與應(yīng)用將越來越重要。國家應(yīng)從需求及復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù)本身規(guī)劃復(fù)合材料可持續(xù)發(fā)展問題,可以從復(fù)合材料與金屬、高分子、無機材料同等重要,并且是航空航天四大材料復(fù)合材料、鋁、鈦、鋼的角度,制定相關(guān)計劃并動員社會力量推進復(fù)合材料可持續(xù)發(fā)展。重點解決先進復(fù)合材料研制中的共性和關(guān)鍵問題,發(fā)展我國的優(yōu)勢和精品系列材料,通過國家與企業(yè)協(xié)同支持,自主創(chuàng)新,使我國成為復(fù)合材料的強國。4碳化硅陶瓷纖維碳化硅陶瓷纖維碳纖維是一種高強度、高模量材料,理論上大多數(shù)有機纖維都可被制成碳纖維,實際用作碳纖維原料的有機纖維主要有三種,但其原絲質(zhì)量差、生產(chǎn)規(guī)模小、質(zhì)量低、價格高、應(yīng)用基礎(chǔ)研究薄弱等問題仍很嚴(yán)峻。陶瓷纖維是由天然或人造無機物采用不同工藝制成的纖維狀物質(zhì),也可由有機纖維經(jīng)高溫?zé)崽幚磙D(zhuǎn)化而成,除具有優(yōu)異的力學(xué)性能外,還具有抗氧化、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點。碳化硅纖維SICF是用于金屬基、陶瓷基復(fù)合材料的一種重要的高性能增強陶瓷纖維。與碳纖維相比,SICF在抗拉強度、抗蠕變性能、抗氧化性以及與陶瓷基體相容性方面表現(xiàn)出一系列的優(yōu)異性能。4141SICFSICF的制備的制備411411化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法CVD,即在連續(xù)的鎢絲或碳絲芯材上沉積碳化硅。通常在管式反應(yīng)器中用水銀電極直接采用直流電或射頻加熱,把基體芯材鎢絲或碳絲加熱到1200℃以上,通入氯硅烷和氫氣的混合氣體,經(jīng)反應(yīng)裂解為碳化硅,并沉積在鎢絲或碳絲表面。目前有美國達信系統(tǒng)公司、法國國營火藥炸藥公司、英國石油公司和我國中科院金屬所等在開展此項工作。412412先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法PIP是以有機聚合物一般為有機金屬聚物為先驅(qū)體,利用其可溶可熔等特性成型后,經(jīng)高溫?zé)岱纸馓幚?使之從有機化合物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機陶瓷材料的方法。1975年日本的矢島教授等9首次使用聚碳硅烷作為先驅(qū)體制造
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上傳時間:2024-05-23
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