先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天艦船上的應(yīng)用

1、先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天，艦船上的應(yīng)用,復(fù)合0802 謝駿,1 先進(jìn)復(fù)合材料在航天器中的應(yīng)用,航空航天器材料的應(yīng)用要求：航空航天器不僅要求具有一定的先進(jìn)性和極高的可靠性（特別是載人航天器），而且要求盡量減輕結(jié)構(gòu)重量，以增強(qiáng)有效載荷。如航天飛機(jī)固體火箭助推器采用石墨/環(huán)氧復(fù)合材料取代鋼殼體，可減重量30%，使航天飛行運(yùn)輸能力增加2.1噸，因此要求材料具有極佳的綜合性能，特別是高比強(qiáng)度、比剛度，足夠的斷裂韌性等。 航空航天器需要在大氣層空

2、間高速飛行，同時(shí)要防止敵方探測(cè)或攻擊，因此要求具有耐高溫、耐真空、耐腐蝕、耐沖擊、抗粒子云、抗核輻射、抗激光、抗噪聲、隱身等多種功能。 航空航天器性能先進(jìn)，造價(jià)昂貴，又要求材料盡可能減少研制、生產(chǎn)和加工費(fèi)用，或?yàn)楣?jié)約戰(zhàn)略資源而選用代用材料。隨著航空航天事業(yè)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代立體戰(zhàn)爭(zhēng)的出現(xiàn)，具有優(yōu)異性能的復(fù)合材料的應(yīng)用比率不斷增加。,復(fù)合材料具有質(zhì)量輕，較高的比張度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、隔熱、隔音、減振、耐高(低)溫，獨(dú)特的耐燒

3、蝕性、透電磁波，吸波隱蔽性、材料性能的可設(shè)計(jì)性、制備的靈活性和易加工性等特點(diǎn)，被大量地應(yīng)用到航空航天等軍事領(lǐng)域中，是制造飛機(jī)、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。代表航空航天技術(shù)開發(fā)水平的一個(gè)重要標(biāo)志是看復(fù)合材料使用數(shù)量的多少。,減輕航天器質(zhì)量,航天器的質(zhì)量是其性能的重要影響因素。導(dǎo)彈/火箭質(zhì)量越輕，自然飛行速度越快，射程也越遠(yuǎn)。,,導(dǎo)彈殼體材料對(duì)射程的影響,減輕航天器質(zhì)量,對(duì)于多級(jí)火箭，其質(zhì)量主要集中在各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、級(jí)間段和連接器

4、上，因此減重的著眼點(diǎn)也在此。目前復(fù)合材料在上述部位已大顯身手。美國(guó)通用動(dòng)力公司的康維爾宇航分公司設(shè)計(jì)的直徑為2.13m、高為2.34m的“阿特拉斯”5導(dǎo)彈連接器，除口蓋采用金屬材料外，其他部位都采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。它比同樣設(shè)計(jì)的鋁結(jié)構(gòu)材料輕42.6kg，減重約44%。此外，采用碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺樹脂復(fù)合材料可制造火箭的儀器艙等。無(wú)疑，這些碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件將使其質(zhì)量大大減輕，從而提高其射程并改善其性能。我國(guó)在“風(fēng)

5、云二號(hào)氣象衛(wèi)星”及“神舟”系列飛船上均采用了碳/環(huán)氧先進(jìn)復(fù)合材料做主承力構(gòu)件，大大減輕了整星的質(zhì)量，降低了發(fā)射成本。,,航天飛機(jī)的軌道飛行器有效載荷艙門也是用碳纖維增強(qiáng)塑料制成的。這個(gè)大型制件的半徑為2.7m，高2m，長(zhǎng)18.3m，整個(gè)艙門重1451.5kg，比鋁制件降低430.9kg，減重23%。,碳纖維復(fù)合材料還可用作衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池板。例如，德國(guó)MBB公司研究一種功率在千瓦以上的伸長(zhǎng)式“硬”太陽(yáng)能電池板，采用碳纖維增強(qiáng)鋁芯夾層結(jié)構(gòu)

6、，在橫向加速條件下，太陽(yáng)能電池板承受的撓度僅有55mm，而且大大減輕了質(zhì)量。,衛(wèi)星在軌道上飛行時(shí)，要經(jīng)得起太空環(huán)境劇烈的溫度交變（白天100℃，夜間- 100℃ ），以及陽(yáng)面與陰面的溫度差。碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)小，可滿足這種環(huán)境的要求。,適應(yīng)空天環(huán)境,美國(guó)F-22猛禽戰(zhàn)機(jī),1997年服役，目前世界性 能最佳的制空戰(zhàn)機(jī)之一 55%機(jī)身采用高強(qiáng)度、低重量 的復(fù)合材料估計(jì)單價(jià)超過(guò) 2 億美元,2 復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用,飛行器

7、發(fā)展史也可以看成是材料應(yīng)用的發(fā)展史，每當(dāng)一類新型的、高性能飛機(jī)出現(xiàn)，都可證明是新材料的研究與應(yīng)用發(fā)展的結(jié)果。當(dāng)代飛機(jī)系列分析表明，往往可以用復(fù)合材料的用量多少來(lái)判斷飛機(jī)的先進(jìn)性。,航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料發(fā)展預(yù)測(cè),先進(jìn)復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用,美國(guó)通用電器飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)集團(tuán)公司(GE-AEBG)和惠普公司等，都在用先進(jìn)復(fù)合材料取代金屬制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙系統(tǒng)的許多部位推力反向器、風(fēng)扇罩、風(fēng)扇出風(fēng)道導(dǎo)流片等都用先進(jìn)復(fù)合材料制造。如

8、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣罩的外殼是由美國(guó)聚合物公司的碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)混料(E707A）疊鋪而成，具有耐177 ℃ 高溫的熱氧化穩(wěn)定性，殼表面光滑似鏡，有利于形成層流。又如FW4000型發(fā)動(dòng)機(jī)有80個(gè)149 ℃的高溫空氣噴口導(dǎo)流片，也是碳纖維環(huán)氧預(yù)浸料制造的。,4、先進(jìn)復(fù)合材料在艦船上的應(yīng)用,艦船材料（尤其是結(jié)構(gòu)材料）的應(yīng)用與發(fā)展是與艦艇的航海特性、作戰(zhàn)能力和海洋環(huán)境密切相關(guān)的。 對(duì)艦船材料的基本要求包括高強(qiáng)度、低密度，足夠的韌性，良好

9、的耐海水腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能和加工性能及其他各種特殊功能。 近年來(lái)，隨著各類艦船的不斷改進(jìn)，對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的需求也日趨提高。,復(fù)合材料作為艦船材料具有如下特點(diǎn)：質(zhì)輕，優(yōu)良的機(jī)械性能；抗疲勞性好，一般金屬材料的抗疲勞極限為抗拉強(qiáng)度的40%～50%，而碳纖維塑料強(qiáng)度是70%~80%;無(wú)磁性，在很大的磁場(chǎng)中也不會(huì)被磁化，因此復(fù)合材料艦船不易被對(duì)方磁探儀發(fā)現(xiàn)，可使裝磁引信的水雷或魚雷失效，可以避免磁性雷的攻擊，具有很好的反監(jiān)

10、護(hù)作用；耐腐蝕性好，在酸性、堿性及眾多惡劣環(huán)境中具有良好的耐腐蝕性。用復(fù)合材料制造艦船，不用涂漆，在海水中航行幾年也不會(huì)生銹，能減少涂油漆等維修費(fèi)用，使用年限長(zhǎng)；具有可設(shè)計(jì)性，可根據(jù)性能需求，選擇不同聚合物和增強(qiáng)材料以及不同的配方、成型工藝等達(dá)到不同的性能，可根據(jù)艦船不同部位的結(jié)構(gòu)要求，進(jìn)行材料、鋪層和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在復(fù)合材料的成型過(guò)程中，同時(shí)形成了制品的結(jié)構(gòu)，可大大減少車、銑、刨、磨等機(jī)械加工過(guò)程和裝配過(guò)程，使船殼和構(gòu)件的整體

11、性好，無(wú)接縫或少接縫，無(wú)滲漏，提高了艦船的性能。,20世紀(jì)70年代以來(lái)，具有高比強(qiáng)度的復(fù)合材料逐步跨入艦船結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域，引起了艦船結(jié)構(gòu)的新變革。 首先大量應(yīng)用于中小艦船的是玻璃纖維增強(qiáng)塑料即玻璃鋼，這類材料具有比強(qiáng)度高、沖擊韌性好（防彈性強(qiáng)），耐海水腐蝕及耐酸、堿、油和海洋生物污損，無(wú)磁性（可防磁性水雷攻擊和雷達(dá)探測(cè)）等若干優(yōu)點(diǎn)，可用于建造掃雷艇、巡邏艇、登陸艇和深潛器等。 美國(guó)海軍于1946年建成了長(zhǎng)8.

12、53m的世界第一艘玻璃纖維增強(qiáng)聚酯材料交通艇，就此拉開了復(fù)合材料造船的序幕。這之后，為了加快玻璃鋼船艇的發(fā)展，美國(guó)海軍在上世紀(jì)50年代中期就規(guī)定16m以下的艦艇必須用復(fù)合材料制造。前蘇聯(lián)在1972年建造了長(zhǎng)43米的玻璃鋼船體掃雷艇。英國(guó)也于70年代末建造了長(zhǎng)60米、排水量625噸的玻璃鋼掃雷艇。同時(shí)，美、英、前蘇聯(lián)均建造了玻璃鋼耐壓殼體深潛器，下潛深度可達(dá)914米。,4、先進(jìn)復(fù)合材料在艦船上的應(yīng)用,4、先進(jìn)復(fù)合材料在艦船上的應(yīng)用,后來(lái)各

13、國(guó)又開發(fā)了難熔樹脂基體的玻璃鋼船體。20世紀(jì)80年代末美國(guó)建造的MHC-1級(jí)獵/掃雷艇，90年代初建成了玻璃鋼沿海獵雷艇“Osprey”號(hào)，艦體均采用高級(jí)間苯聚酯樹脂。 自上世紀(jì)70年代中期起，各國(guó)又相繼采用碳纖維和凱夫拉纖維增強(qiáng)塑料建造的巡邏艇，船體減重20%～30%。如美軍采用凱夫拉49增強(qiáng)復(fù)合材料建造了長(zhǎng)達(dá)14.3米，船速達(dá)60km的巡邏艇；英國(guó)和意大利于80年代中期也采用這種材料試制了高速軍用艇。,由美國(guó)國(guó)防部部

14、隊(duì)轉(zhuǎn)型辦公室設(shè)計(jì)并建造的，2006年2月初下水的美國(guó)海軍最新型高速隱形試驗(yàn)快艇代號(hào)M80的“短劍”（Stiletto），是美國(guó)使用碳纖維復(fù)合材料一次成型制造的最大船體，在整體制造成形過(guò)程中不用焊接，更無(wú)需鉚接，因此船體外表十分光滑，重量也大為降低。該艇長(zhǎng)為24.4m，寬為12.2m，吃水為0.9米，排水量為67t。 該艇獨(dú)特的雙“M”船體設(shè)計(jì)以及碳纖維材料的使用，不但使其獲得了高速，也使其行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性更高，高速行駛

15、中的沉浮現(xiàn)象大大減輕，即使在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，依然可以保持平穩(wěn)行駛，從而增加了艇員的舒適度，提高了艇的適航安全性，擴(kuò)大了在內(nèi)河和地形復(fù)雜的淺海使用范圍。與此同時(shí)，由于其阻力的降低也使得“短劍”比普通快艇更加節(jié)省燃料。,美國(guó)海軍“短劍”新型高速隱形試驗(yàn)快艇,瑞典考庫(kù)姆船廠制造的“維斯比”輕型護(hù)衛(wèi)艦 于2000年6月8日下水，全長(zhǎng)73m，艦寬為10.4m，吃水深度為2.4m，排水量為600t。 該艦的艦體、甲板和上層建筑基本都是

16、碳纖維增強(qiáng)塑料夾層板制成的。這種材料不僅結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí),而且無(wú)磁性,有利于降低艦船產(chǎn)生的磁場(chǎng),并有良好的抗震性能,而且可以絕熱,對(duì)艦艇內(nèi)各種機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的紅外輻射有較好的屏蔽作用。這使得“維斯比”艦被敵方探測(cè)的距離可縮短至13km 以內(nèi)。,維斯比級(jí)隱身輕型護(hù)衛(wèi)艦,4、先進(jìn)復(fù)合材料在艦船上的應(yīng)用,德國(guó)開發(fā)出碳纖維環(huán)氧樹脂螺旋槳，該螺旋槳的漿葉高強(qiáng)度，比金屬輕25%～35% ，有利于高速艇的加速，有良好的阻尼性能, 可使噪聲等級(jí)相對(duì)于金屬漿下降5