2復(fù)合材料在飛行器制造中的應(yīng)用-1

1、1,1.5復(fù)合材料構(gòu)件在飛行器上的應(yīng)用,先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用在飛行器設(shè)計(jì)與制造中具有重要的地位。這是因?yàn)閺?fù)合材料的許多優(yōu)異性能，如比強(qiáng)度和比模量高，優(yōu)良的抗疲勞性能，以及獨(dú)特的材料可設(shè)計(jì)性等，都是飛行器結(jié)構(gòu)盼望的理想性能?？蓾M足高性能飛行器要求結(jié)構(gòu)重量輕的要求，從而可以減少燃料消耗，延長(zhǎng)留空時(shí)間，飛得更高更快或具有更好的機(jī)動(dòng)性；也可以安裝更多的設(shè)備，提高飛行器的綜合性能。,2,減輕結(jié)構(gòu)的重量可大大節(jié)約飛機(jī)的使用成本，取得明顯的經(jīng)濟(jì)

2、效益。據(jù)國(guó)外有關(guān)資料報(bào)告，先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)每減重1kg，就可節(jié)約1760美元。西方國(guó)家在很短的時(shí)間內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了從非受力件和次受力件到主受力件應(yīng)用的過渡，無論是用量還是技術(shù)覆蓋面都有了很大的發(fā)展。目前正在研制的戰(zhàn)斗機(jī)中所使用的復(fù)合材料可占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重量的50%以上。飛機(jī)隱身技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，進(jìn)一步擴(kuò)大了對(duì)復(fù)合材料技術(shù)的需求。在繼民用飛機(jī)中出現(xiàn)全復(fù)合材料飛機(jī)（如Lear Fan 2100，Starship和Vayager）之后又出現(xiàn)了全復(fù)合材料機(jī)身

3、的隱身轟炸機(jī)B2。此外，也只有采用了復(fù)合材料，才使前掠翼得以在X-29上實(shí)現(xiàn)。,3,Lear Fan 2100,4,B2隱形轟炸機(jī),5,蘇－44 蘇－47,6,7,8,F-18戰(zhàn)斗機(jī),9,10,波音767客機(jī),11,12,TAG公司推出全復(fù)合材料機(jī)體無人直升機(jī),13,F-22,14,從國(guó)內(nèi)情況看，當(dāng)前國(guó)內(nèi)飛機(jī)型號(hào)應(yīng)用復(fù)合材料的比例越來越高，應(yīng)用復(fù)合材料的部

4、件越來越大，復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，復(fù)合材料構(gòu)件已經(jīng)逐步從次承力構(gòu)件到主承力構(gòu)件轉(zhuǎn)變，復(fù)合材料的垂直安定面、水平尾翼、前機(jī)身、艙門、整流罩等構(gòu)件已在多種型號(hào)飛機(jī)上使用并形成了批量生產(chǎn)能力。機(jī)翼、旋翼等主承力構(gòu)件也已經(jīng)在小批量生產(chǎn)。,15,目前國(guó)內(nèi)復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用最多的是新研制的中、高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)，其機(jī)體復(fù)合材料的使用量達(dá)到70%，機(jī)翼翼展18米，為全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；其中，機(jī)翼整體盒段運(yùn)用設(shè)計(jì)工藝一體化技術(shù)，將機(jī)翼的前、后梁，

5、上蒙皮和所有中間肋整體共固化成型，在復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)上有所突破。在自行設(shè)計(jì)制造的某型武裝直升機(jī)上，大量采用了復(fù)合材料，其機(jī)身結(jié)構(gòu)、主槳葉、尾槳葉和尾段為全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。,16,長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī),某型武裝直升機(jī),17,18,記者在哈航集團(tuán)的生產(chǎn)車間里看到，工人們正在模具上進(jìn)行“鋪層”工作。幾名工人首先將一種薄得像布一樣的特殊材料鋪在模具上，然后在上面刷上一層特種膠水，隨后再鋪上一層“布”。在鋪了若干層“布”后，經(jīng)過固化、成型，制成特殊復(fù)合材料

6、。最后將根據(jù)尺寸要求，加工出具有流線形的殼體——整流罩。哈航集團(tuán)為波音公司生產(chǎn)的整流罩將用于“波音787”機(jī)體和機(jī)翼的結(jié)合部，可將裸露在機(jī)體外面的某一部件或裝置封閉起來，起到保護(hù)與減少空氣阻力的雙重作用。,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,密度,1.6復(fù)合材料的性質(zhì):,,,,,,,,性能比較,30,,拉伸強(qiáng)度,,,,,,,,31,彈性模量,32,比強(qiáng)度,比模量,33,比強(qiáng)度和比模量高

7、材料的強(qiáng)度除以密度稱為比強(qiáng)度；材料的剛度除以密度稱為比剛度 。這兩個(gè)參量是衡量材料承載能力的重要指標(biāo)。比強(qiáng)度和比剛度較高說明材料重量輕，而強(qiáng)度和剛度大。這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是航空、航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)材料的重要要求。現(xiàn)代飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等機(jī)體結(jié)構(gòu)正逐漸擴(kuò)大使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比例。,34,耐疲勞性能好 一般金屬的疲勞強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的40～50%，而某些復(fù)合材料可高達(dá)70～80%。復(fù)合材料的疲勞斷裂是從基體開始，逐漸擴(kuò)展到纖維

8、和基體的界面上，沒有突發(fā)性的變化。因此，復(fù)合材料在破壞前有預(yù)兆，可以檢查和補(bǔ)救。纖維復(fù)合材料還具有較好的抗聲振疲勞性能。用復(fù)合材料制成的直升飛機(jī)旋翼，其疲勞壽命比用金屬的長(zhǎng)數(shù)倍。,35,減振性能良好 纖維復(fù)合材料的纖維和基體界面的阻尼較大，因此具有較好的減振性能。用同形狀和同大小的兩種粱分別作振動(dòng)試驗(yàn)，碳纖維復(fù)合材料粱的振動(dòng)衰減時(shí)間比輕金屬粱要短得多。,36,過載安全性好 在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基體中

9、有成千上萬根獨(dú)立的纖維。當(dāng)用這種材料制成的構(gòu)件超載，并有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個(gè)構(gòu)件不至于在短時(shí)間內(nèi)喪失承載能力。,37,耐熱性能好 在高溫下，用碳或硼纖維增強(qiáng)的金屬其強(qiáng)度和剛度都比原金屬的強(qiáng)度和剛度高很多。普通鋁合金在400℃時(shí)，彈性模量大幅度下降，強(qiáng)度也下降；而在同一溫度下，用碳纖維或硼纖維增強(qiáng)的鋁合金的強(qiáng)度和彈性模量基本不變。復(fù)合材料的熱導(dǎo)率一般都小，因而它的瞬時(shí)耐超高溫

10、性能比較好。,38,各向異性及性能可設(shè)計(jì)性 各向異性是復(fù)合材料的一個(gè)突出特點(diǎn)，與之相關(guān)的是性能的可設(shè)計(jì)性。復(fù)合材料的力學(xué)、物理性能除了由纖維、樹脂的種類及體積含量而定外，還與纖維的排列方向、鋪層順序和層數(shù)密切相關(guān)。因此，可以根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的載荷分布及使用條件的不同，選取相應(yīng)的材料及鋪層設(shè)計(jì)來滿足既定的要求。復(fù)合材料的這一特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。,39,工藝性好 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一般適

11、合于整體成型，減少了零部件的數(shù)目及接頭緊固件，減少設(shè)計(jì)計(jì)算工作量并有利于提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。另外，制作纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件的步驟是把纖維和基體粘結(jié)在一起，先用模具成型，而后加溫固化，在制作過程中基體由流體變?yōu)楣腆w，不易在材料中造成微小裂紋，而且固化后殘余應(yīng)力很小。,40,1.7 增強(qiáng)材料纖維,增強(qiáng)材料:能和聚合物復(fù)合，形成復(fù)合材料后其比強(qiáng)度和比模量超過現(xiàn)有金屬的物質(zhì)。反之，稱為填料。,,纖維增強(qiáng)材料,粒子增強(qiáng)材料（片狀、顆粒狀）,,,,,

12、41,主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量一般在90％以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的比強(qiáng)度。制造：由含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成。應(yīng)用：與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)

13、環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)。在強(qiáng)度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都具優(yōu)勢(shì)。,碳纖維,42,碳纖維,碳纖維是以聚丙烯腈纖維、粘膠纖維或?yàn)r青纖維為原絲，通過加熱除去碳以外的其它一切元素制得的一種高強(qiáng)度、高模量的纖維，它具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能，是高性能增強(qiáng)復(fù)合材料中的優(yōu)良結(jié)構(gòu)材料。 以粘膠為原絲時(shí)，粘膠纖維可直接炭化和石墨化。纖維先

14、進(jìn)行干燥，然后在氮或氬等惰性氣體保護(hù)下緩慢加熱到400 ℃。達(dá)400 ℃后，快速升溫至900~1000 ℃ ，使之完全炭化，可得含碳量達(dá)90%的碳纖維。 若以聚丙烯睛纖維為原絲，則需先對(duì)原絲進(jìn)行180~220 ℃ 、約10小時(shí)的預(yù)氧化處理，然后再經(jīng)過炭化和石墨化處理，由此制得具有優(yōu)良性能的碳纖維。,43,活性碳纖維的生產(chǎn)工藝流程,PAN纖維,瀝青纖維,粘膠纖維,預(yù)氧絲,預(yù)氧絲,預(yù)氧絲,碳化活化,ACF,活性炭纖維活性碳

15、纖維氈活性碳纖維布活性碳纖維紙,,,,,,不熔化,預(yù)氧化,催化浸清預(yù)氧化,44,碳纖維的分類按性能分類：高性能型碳纖維－抗拉強(qiáng)度在2000MPa以上，主要用于航天、 航空和軍工等領(lǐng)域；通用型碳纖維－抗拉強(qiáng)度在600～1200MPa左右，主要用于 機(jī)械制造、建筑和體育用品，如剎車片、軸承、密封材料等。其它：活性碳纖維、氣相生長(zhǎng)碳纖維、納米碳纖維等按原料分類：粘膠基碳纖維（ 90 ％）瀝青基碳纖維（<1

16、0%）,45,碳纖維的制造方法: 碳纖維制品有布、帶、粗紗、短纖維和氈等,長(zhǎng)絲----filament，基本的纖維結(jié)構(gòu)單元。本身是連續(xù)的， 或至少遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于其平均直徑（通常其直徑為5～10 微米）紗------yarn，小束的連續(xù)長(zhǎng)絲，一般不大于10000支，纖維 輕輕的鉸合在一起以便像長(zhǎng)絲那樣使用纖維織物----交織紗、纖維或

17、長(zhǎng)絲所編織的平面紡織品結(jié)構(gòu),,氣相生長(zhǎng)法有機(jī)纖維碳化法（可制造連續(xù)長(zhǎng)纖維）,46,47,1.7.2芳綸纖維: 芳綸學(xué)名叫芳香族聚酰胺纖維，是以含苯環(huán)的二氨基化合物與含苯環(huán)的二羧基化合物為原料制成的，屬于聚酰胺纖維。芳綸所用原料不同有多種牌號(hào)，如尼龍6T、芳綸1414、芳綸14、芳綸1313等。其中以芳綸1414、芳綸1313最為成熟，產(chǎn)量最大，使用最多。,48,芳綸纖維: 芳綸發(fā)明于20世紀(jì)60年代，由

18、美國(guó)和蘇聯(lián)等首先研制成功，并于70年代投入工業(yè)化生產(chǎn)。目前美、德、日、俄等國(guó)已生產(chǎn)芳綸1414，總生產(chǎn)能力為4.1萬噸/年。美、日、俄等國(guó)生產(chǎn)芳綸1313，總生產(chǎn)能力為2.4噸年。 我國(guó)于20世紀(jì)70年代開始研究芳綸，已基本上掌握了其生產(chǎn)技術(shù)及工藝條件，但這種產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程復(fù)雜，對(duì)技術(shù)與設(shè)備的條件要求很高，目前只有小規(guī)模生產(chǎn)。,49,芳綸纖維:芳綸1414的商品名叫凱芙拉（Kevlar），所用原料是對(duì)苯二甲酰氯和

19、對(duì)苯二胺。 Kevlar被稱作高強(qiáng)度、高模量纖維，其強(qiáng)度是普通錦綸或滌綸纖維的4倍，為鋼絲的5倍、鋁絲的10倍。沖擊強(qiáng)度可比金屬高6倍。模量為錦綸的20倍，比玻璃纖維和碳纖維的模量都高。使用壽命比玻璃纖維長(zhǎng)3～10倍。長(zhǎng)期使用溫度為240℃，在400 ℃以上才開始燒焦。缺點(diǎn)是橫向強(qiáng)度低，壓縮和剪切性能差。,50,芳綸纖維:密度1.44，比各種金屬都要輕得多?；瘜W(xué)性能很穩(wěn)定。主要用于航空航天和國(guó)防軍工領(lǐng)域，主要用于制作各種復(fù)合材料

20、，用于空間飛行器、飛機(jī)、直升飛機(jī)等的內(nèi)部及表面，還可用于宇宙飛船、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)。可用于制作防彈衣、防彈頭盔、輪胎簾子線和抗沖擊織物。,51,芳綸纖維:目前已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化并廣泛使用的聚芳酰 胺纖維Kevlar 特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度。同時(shí)它也耐蠕變、耐疲勞，而且熱膨脹系數(shù)小。用Kevlar49作增強(qiáng)材料可代替鋁合金，它的沖擊強(qiáng)度可比金屬高6倍，使用壽命比玻璃纖維長(zhǎng)3～10倍，

21、 芳綸纖維的成纖工藝與碳纖維和玻璃纖維都不同，它用的是液晶紡絲工藝，用干噴濕紡法紡絲。芳綸纖維和其它增強(qiáng)纖維一樣，可以制成各種連續(xù)長(zhǎng)纖維和粗、細(xì)紗。細(xì)紗可以紡織成各種織物，粗紗可以加工成各種粗紗布或單向帶。,52,Kevlar纖維成形： 1、紡絲原液的制備：聚合物在少數(shù)強(qiáng)酸性溶液中（濃硫酸）溶解成適宜紡絲的濃溶液，使其具有典型的向列型液晶結(jié)構(gòu)； 2、成形工藝：紡絲原液通過噴絲孔，在剪切力和拉伸流動(dòng)下

22、，向列型液晶微區(qū)沿纖維軸向取向，吐出噴絲孔后，由于壓力松弛，使取向的大分子鏈產(chǎn)生部分解取向傾向。很快液流受到拉伸應(yīng)力作用，又抑制解取向，在空氣中進(jìn)一步細(xì)化伸長(zhǎng)并獲得高度取向，到低溫的凝固浴中，冷卻凝固成凍結(jié)液晶相纖維，因此初生絲無需拉伸就能得到高強(qiáng)度高模量的纖維。,53,54,1.7.3玻璃纖維: 最早用于聚合物基復(fù)合材料的一種增強(qiáng)材料。美國(guó)于1893年即研究成功玻璃纖維，1938年工業(yè)化并作為商品出售，40年代初即應(yīng)用于航空工業(yè)。,

23、玻璃纖維熔制過程示意圖,55,玻璃纖維-glass fibre 玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料，成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等。它是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝。最后形成各類產(chǎn)品，玻璃纖維單絲的直徑從幾微米到二十幾微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的 1/20-1/5 ，每束纖維原絲都有數(shù)百根甚至上千根單絲組成，通常作為復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料。,56,玻璃纖維具有很高的

24、拉伸強(qiáng)度，不僅超過了各種天然纖維和合成纖維，同時(shí)也超過一般鋼材的強(qiáng)度。玻璃纖維的強(qiáng)度與直徑和長(zhǎng)度的大小有關(guān)，一般來說直徑越細(xì)，拉伸強(qiáng)度越高；拉伸試件越長(zhǎng)，強(qiáng)度越小。玻璃纖維的彈性模量不高，與純鋁的模量接近，只有普通鋼的1/3。彈性模量低是其主要缺點(diǎn)。玻璃纖維受力時(shí)，其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性基本上是一條直線，沒有塑性變形階段，屬于具有脆性特征的彈性材料。它的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度均較其它纖維低。,57,玻璃纖維還具有耐熱、耐腐蝕、優(yōu)良的電絕緣性能

25、與光學(xué)性能。玻璃纖維外觀為光滑的圓柱體，斷面為圓形。由于其表面光滑，與樹脂結(jié)合力小，需加偶聯(lián)劑才能與樹脂結(jié)合。 玻璃纖維生產(chǎn)用的最廣泛的方法是坩堝法拉絲和池窯漏板法拉絲兩種。玻璃纖維制品主要有纖維布、纖維氈和纖維帶等。玻璃纖維布可分為平紋布、斜紋布、無捻粗紗布（方格布）、單向布、無紡布等。玻璃纖維氈又分為短切纖維氈、表面氈及連續(xù)纖維氈等。,58,坩堝爐,59,60,玻璃池窯,61,池窯拉絲,62,濕法氈生產(chǎn)線,63,連續(xù)原絲

26、氈生產(chǎn)線,64,短切原絲氈生產(chǎn)線,65,離心棉生產(chǎn)線,66,玻璃纖維過濾布生產(chǎn)線,67,1.7.4復(fù)合纖維的生產(chǎn)方法 復(fù)合纖維的生產(chǎn)方法主要有復(fù)合紡絲法和共混紡絲法。 復(fù)合紡絲法是將兩種性質(zhì)不同的高聚物，用兩根螺桿分別熔融、計(jì)量后，共同進(jìn)入特殊設(shè)計(jì)的紡絲組件，經(jīng)噴絲孔噴出冷卻成形。復(fù)合紡絲采用專用的復(fù)合紡絲機(jī)生產(chǎn)。 共混紡絲是將兩種或兩種以上的具有相容性的聚合物混合在一起進(jìn)行紡絲的方法。這

27、種方法可以用普通紡絲設(shè)備。,,69,1.8 基體材料樹脂,復(fù)合材料是由增強(qiáng)材料和基體材料組成的?；w的三種主要作用是：把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保護(hù)纖維不受環(huán)境影響。在復(fù)合材料的成形過程中，基體經(jīng)過一系列物理的、化學(xué)的和物理化學(xué)的復(fù)雜變化過程，與增強(qiáng)纖維復(fù)合成具有一定形狀的整體。因此，基體材料的性能直接影響復(fù)合材料的性能，而它的工藝性則直接影響復(fù)合材料的成形方法與工藝參數(shù)的選擇。,70,聚合物基復(fù)合材料的基體材料是樹脂。用作基材

28、的樹脂首先要具有較高的力學(xué)性能、介電性能、耐熱性能和耐老化性能，并且要施工簡(jiǎn)便，有良好的工藝性能。樹脂大致可分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩類。前者有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等；后者有聚酰胺、聚砜、聚酰亞胺、聚脂等。這兩類基體材料在使用方法上有很大的不同。,71,,,,,,,,,,72,復(fù)合材料的組成,基體Matrix,增強(qiáng)體Reinforcement,界面Interface,,,,一般把基體和增強(qiáng)體之間化學(xué)成分有顯著變化的構(gòu)成彼此結(jié)合、能

29、傳遞載荷作用的區(qū)域成為界面。,73,a是玻纖增強(qiáng)PP的沖擊試樣的斷口掃描電鏡照片，,,,74,（b）是未加相容劑的玻纖增強(qiáng)體系。,,75,復(fù)合效應(yīng),復(fù)合效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互補(bǔ)充的結(jié)果。 復(fù)合材料具有特殊的復(fù)合效應(yīng)，使得復(fù)合材料不但基本保持了原有組分的性能，還增添了原有組分沒有的性能。 它表現(xiàn)為樹脂基復(fù)合材料的性能是其組分材料基礎(chǔ)上的線性和非線性的綜合。復(fù)合效應(yīng)有正有負(fù)，性

30、能的提高總是人們所期望的，但有些材料在復(fù)合之后某些方面的性能出現(xiàn)抵消甚至降低的現(xiàn)象是不可避免的。,76,線性效應(yīng)非線性效應(yīng)界面效應(yīng)尺寸效應(yīng)各向異性效應(yīng),,復(fù)合效應(yīng),線性效應(yīng)可細(xì)分為平均效應(yīng)、平行效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)、相抵效應(yīng)。 非線性效應(yīng)可細(xì)分為乘積效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、共振效應(yīng)。,77,1、線性效應(yīng)（1）平均效應(yīng)（混合效應(yīng)） 復(fù)合材料的某項(xiàng)性能等于各組分的該項(xiàng)性能乘以該組分體積分?jǐn)?shù)之和?？捎没旌衔锒擅枋觯?Kc

31、= ΣKiφi （并聯(lián)模型） 1/Kc = Σφi/Ki （串聯(lián)模型）（2）平行效應(yīng) 復(fù)合材料的某項(xiàng)性能與其中某一組分的該項(xiàng)性能基本相當(dāng)。 Kc ≌ Ki,78,（3）相補(bǔ)效應(yīng) 復(fù)合材料各組分復(fù)合后相互補(bǔ)充，彌補(bǔ)各自的弱點(diǎn)，產(chǎn)生優(yōu)異的綜合性能。 C = A×B（4）相抵效應(yīng) 復(fù)合材料各組分之間出現(xiàn)性能相互制約，使其性能低于混合物定律預(yù)測(cè)值。 Kc < ΣK

32、iφi,79,以下舉例對(duì)其中的重要效應(yīng)簡(jiǎn)單作一說明。 平均效應(yīng)又可稱為加和效應(yīng)(Mean Properties)，反映在復(fù)合材料的混合定則(Rule of Mixture)中。該定則通常用來計(jì)算增強(qiáng)材料和基體復(fù)合后對(duì)某一性質(zhì)產(chǎn)生的效果，即,式中 p―某一性質(zhì)，例如強(qiáng)度、模量、泊松比、熱導(dǎo)等Pc―復(fù)合材料的某一性質(zhì)；Pi―原始i材料的某一性質(zhì)；Φ―體積分?jǐn)?shù)；Φi― N種原始材料中第i種材料體積分?jǐn)?shù)n―由實(shí)驗(yàn)確定，其范圍

33、為-1≤ n ≤ 1,80,例題：p(PA66) =81.3MPa, p(GF)=3232MPa, p(CF)=3500Φ1= 0.7 , Φ2=0.3 n=1Pc1=81.3×0.7+3232×0.3=1026.51 (MPa)Pc2=81.3×0.7+3500×0.3=1106.91 (MPa),81,相補(bǔ)效應(yīng)和相抵效應(yīng),,,,,,,,,,,,,,,,82,非線性效應(yīng)中

34、，乘積效應(yīng)(Product ProPcnMs＞又叫傳遞特性，交叉耦合效應(yīng)。,例如對(duì)材料X輸入時(shí)輸出為Y，即一種轉(zhuǎn)換功能材料Y/X(如磁場(chǎng)／壓力的換能材料)；而Y又作為另一種材料的第二次輸入，產(chǎn)生輸出Z，即為另一種換能材料Z／Y(如電阻／磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換材料)。兩種材料復(fù)合得出一新的機(jī)能材料，即Y／X．Z／Y＝Z／X(即電阻／壓力轉(zhuǎn)換構(gòu)料)。 乘積效應(yīng)對(duì)開發(fā)新型功能材料指出了方向，因?yàn)檫@種效應(yīng)不僅僅比單一材料獲得很強(qiáng)的性能，甚至還

35、可利用它創(chuàng)造出任何單一材料都不存在的新的功能效應(yīng)。,83,2、非線性效應(yīng)相乘效應(yīng)（X/Y）?（Y/Z）=X/Z,84,當(dāng)你在點(diǎn)燃煤氣灶或熱水器時(shí)，就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務(wù)了一次。生產(chǎn)廠家在這類壓電點(diǎn)火裝置內(nèi)，藏著一塊壓電陶瓷，當(dāng)用戶按下點(diǎn)火裝置的彈簧時(shí)，傳動(dòng)裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓，進(jìn)而將電能引向燃?xì)獾某隹诜烹?，于是，燃?xì)饩捅浑娀鸹c(diǎn)燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應(yīng)。反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力

36、，稱為逆壓電效應(yīng)。,轉(zhuǎn)換功能材料舉例,85,原理上利用鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷在電能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的正、逆壓電效應(yīng)，既在壓電陶瓷加一電信號(hào)，便產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)而發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波在空氣傳播途中碰到障礙物立即被反射回來，作用于它的陶瓷時(shí)，則會(huì)有電信號(hào)輸出，通過數(shù)據(jù)處理時(shí)間差測(cè)距，計(jì)算顯示車與障礙物的距離及危險(xiǎn)相撞時(shí)報(bào)警，可準(zhǔn)確無誤地探測(cè)汽車尾部及駕車者視角盲區(qū)的微小障礙物，實(shí)用性相當(dāng)強(qiáng)。,超聲波傳感器用作汽車倒車防撞報(bào)警器裝置，也被稱為

37、超聲波倒車?yán)走_(dá)或倒車聲納系統(tǒng)，尤其適用于加長(zhǎng)型裝載汽車、載重大貨車、礦山汽車等大型車輛。,86,1.9 用作先進(jìn)航天系統(tǒng)及武器的結(jié)構(gòu)和 防熱復(fù)合材料,(1) 樹脂基復(fù)合材料 具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度和剛度高、阻尼大的特點(diǎn)，主要用于先進(jìn)載人航天器、空間站和固體發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)件，是航天領(lǐng)域中用量較多的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。與常規(guī)金屬材料相比，可減輕構(gòu)件質(zhì)量20%～60%。主要材料有石墨/環(huán)氧、硼/環(huán)氧、石墨/聚酰亞胺和聚

38、醚酮等。國(guó)內(nèi)外在防空導(dǎo)彈天線罩的制造中也應(yīng)用或正在開展應(yīng)用工作。,(2) 金屬基復(fù)合材料 以金屬或合金為基體、并以纖維、晶須、顆料等為增強(qiáng)體。按所用的基體金屬和增強(qiáng)體的不同，使用溫度范圍約在300～1200℃。高比強(qiáng)度、比剛度、良好韌性和塑性、低膨脹系數(shù)、良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性、抗輻射、抗激光及制造性能好，在太空環(huán)境不放氣，能在較高溫度（200～800℃）工作。用于先進(jìn)載人器的起落架等機(jī)身輔助結(jié)構(gòu)以及慣性器件和儀表結(jié)構(gòu)等。主要材

39、料有碳化硅/鋁、氧化鋁/鋁、碳化硅/鈦、碳化硅/鈦鋁化合物和石墨/銅等。,88,(3) 陶瓷基復(fù)合材料 具有使用溫度高、抗氧化性和抗微裂紋性能好、質(zhì)量輕、強(qiáng)度和剛度高特點(diǎn)，可用于航天飛機(jī)的機(jī)頭錐、機(jī)翼前緣熱結(jié)構(gòu)和蓋板結(jié)構(gòu)。主要材料有碳/碳化硅、碳化硅/碳化硅、硼化鋯/碳化硅和硼化鉿/碳化硅等，其中硼化物陶瓷基復(fù)合材料被認(rèn)為是抗氧化最強(qiáng)的高溫材料，耐熱溫度達(dá)2200℃。,89,(4) 碳/碳復(fù)合材料 以碳或石墨纖維為增

40、強(qiáng)體。具有良好的抗氧化性、耐高溫和高應(yīng)力，是現(xiàn)有復(fù)合材料中工作溫度最高的材料。主要用于載人再入航天器的熱結(jié)構(gòu)、面板結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)噴管燒蝕防熱結(jié)構(gòu)等。材料有增強(qiáng)碳/碳（RCC）和進(jìn)行碳/碳（ACC）。超輕、超剛性結(jié)構(gòu)用的石墨泡沫材料（SGF）目前正在研究中，它有可能用于包括機(jī)翼、無人機(jī)及衛(wèi)星在內(nèi)的結(jié)構(gòu)件。,90,一半以上的碳/碳復(fù)合材料用于飛機(jī)剎車裝置，具有重量輕、耐高溫、比熱容大、壽命長(zhǎng)、剎車力矩平穩(wěn)、噪音小等優(yōu)點(diǎn)。 前蘇聯(lián)的“暴

41、風(fēng)雪”號(hào)航天飛機(jī)所用的復(fù)合材料達(dá)5t之多，在機(jī)翼前緣和頭錐罩應(yīng)用了碳/碳復(fù)合材料充當(dāng)最重要的隔熱部分，工作溫度1600℃。 美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)在頭錐和機(jī)翼前緣也使用了碳/碳復(fù)合材料，工作溫度大于1200℃。美國(guó)國(guó)防部將研制碳/碳部件和輕質(zhì)航天器作為2001～2005年航天材料技術(shù)發(fā)展的重要目標(biāo)。,1.10復(fù)合材料構(gòu)件在其他方面的應(yīng)用,----以碳纖維或碳化硅纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，在500℃時(shí)仍能保持足夠的強(qiáng)度和模量，比

42、未增強(qiáng)的鋁好得多；碳化硅纖維與鈦復(fù)合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片。,----非金屬基復(fù)合材料由于密度小，用于汽車可減輕重量、提高車速、節(jié)約能源。如用碳纖維增強(qiáng)塑料制成的車身和發(fā)動(dòng)機(jī)罩，其重量可比金屬制的輕一半以上；用碳纖維與玻璃纖維混合制成的復(fù)合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大五倍多的鋼片彈簧相等。,----碳化硅纖維與氮化硅陶瓷復(fù)合，使用溫度可達(dá)1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度高很多。,----復(fù)合材

43、料范圍廣，品種多，性能優(yōu)異，有很大的發(fā)展前途。玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料中的片狀模塑料發(fā)展很快，已出現(xiàn)了許多分支，其制品已由非受力件擴(kuò)大到受力件如傳動(dòng)支架等。玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的用途越來越廣，其發(fā)展速度在有的國(guó)家已超過熱固性的增長(zhǎng)率。,----高級(jí)復(fù)合材料的發(fā)展方向是降低成本，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。用兩種或兩種以上的不同纖維作為增強(qiáng)材料，不但可降低成本，且其混合效應(yīng)超過一般的混合規(guī)律。航空中的結(jié)構(gòu)件、工業(yè)用機(jī)器人、海洋開發(fā)用的結(jié)構(gòu)材料、汽車片彈

44、簧和驅(qū)動(dòng)軸等，將越來越多采用混合纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。,復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用（1）土木建筑領(lǐng)域 主要是橋梁和抗震補(bǔ)強(qiáng)材料，在日本和臺(tái)灣省大地震后，需求量大增。 另外，伴隨著信息社會(huì)的發(fā)達(dá)，出現(xiàn)了機(jī)密泄露和通過內(nèi)外部的各種情報(bào)、通信設(shè)備而相互干擾等社會(huì)問題，其對(duì)策便是利用碳纖維網(wǎng)格混入混凝土中形成電磁波屏蔽墻加以解決。 此外，碳纖維管制的桁梁構(gòu)架屋頂，比鋼制品輕1/2，使大型結(jié)構(gòu)物達(dá)到了實(shí)用化的水平，而且施工效率和

45、耐震性能得到了大幅度提高。,（2）汽車 天然纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中主要用于車門內(nèi)裝飾板、司機(jī)用雜物箱、貨車車廂地板、備胎蓋、座位靠背。還可以用于儀表板、座椅扶手、儀表板雜件箱、后擱物架、車頂內(nèi)村、遮陽板、座椅架行李倉裝飾板、座椅頭枕襯墊等。 相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，北美地區(qū)2000—2005年間天然纖維復(fù)合材料汽車零部件的平均年增長(zhǎng)率為50％左右。2005年，汽車工業(yè)對(duì)天然纖維的年需求量超過4.5萬噸。,（3）PAN(聚丙烯腈)系活性

46、碳纖維 由東邦人造絲首先產(chǎn)業(yè)化和上市，具有起吸附作用的微孔，吸脫附速度快，在低濃度下的吸附性能優(yōu)良，可用于清酒的脫色、凈化器濾材等。（4）海底油田上的油管等 作為深海海底油田的輸送管，具有輕、強(qiáng)、耐腐蝕等特性。此外，平臺(tái)支架、鉆井套管等也需CFRP（碳纖維增強(qiáng)熱固性樹脂）材料。,98,世界碳纖維的主要生產(chǎn)商為日本的東麗、東邦人造絲、三菱人造絲三大集團(tuán)和美國(guó)的卓爾泰克（ZOLTEK）、阿克蘇（AKZO）、阿爾迪拉（ALDIL1）和德國(guó)

47、的SGL公司等。其中日本三大集團(tuán)占世界生產(chǎn)能力的75％。世界CT型碳纖維總生產(chǎn)能力為22100噸/年；LT型碳纖維總生產(chǎn)能力為9550噸/年，實(shí)際生產(chǎn)量約為7000噸/年。,（5）風(fēng)力發(fā)電用翼片 歐洲的風(fēng)力發(fā)電翼片都采用CFRP材料，而隨著其大型化，考慮到20-40m長(zhǎng)的翼片其強(qiáng)度和質(zhì)量，已開始采用CFRP。（6）其它 CFRP和CFRPT（碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂）可用于印刷軸承、凸輪、殼體、VTR(影象錄放器)、CD部件、齒輪、制動(dòng)

48、器、泵、照相機(jī)部件、眼鏡架等，目前CFRPT還用得很少。,100,1.11 復(fù)合材料飛機(jī)構(gòu)件的特點(diǎn),1.11.1 復(fù)合材料飛機(jī)構(gòu)件： 根據(jù)復(fù)合材料飛機(jī)構(gòu)件的形式、增強(qiáng)劑、所用的原材料 可以分為三個(gè)方面： 1. 不同類型構(gòu)件 (1)由梁、肋、長(zhǎng)桁、框、壁板組成的或一次固化成形的機(jī)體構(gòu)件，目前應(yīng)用最廣泛。零件可以分散制造，成形工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量良好。 (2)用于承受軸向拉、壓載荷及扭矩的管狀構(gòu)件，如飛機(jī)操縱桿。 (3)操縱

49、面上普遍使用的夾層結(jié)構(gòu)，如方向舵面，副翼翼面等。夾層結(jié)構(gòu)的芯子可以由不同材料組成，如硬質(zhì)泡沫塑料、蜂窩芯子等。夾層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于比剛度和比強(qiáng)度高，能承受均布的氣動(dòng)力，所以在飛機(jī)上的活動(dòng)操縱面上使用很合適。(4)蒙皮、整流罩、口蓋等層合板或夾層結(jié)構(gòu)。,101,2. 不同種類增強(qiáng)劑制造的構(gòu)件 復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的增強(qiáng)劑主要限于硼、碳及Kevlar的連續(xù)纖維。硼纖維有優(yōu)秀的機(jī)械性能，但價(jià)格昂貴，纖維直徑較粗，零件成形時(shí)限制比碳纖維多

50、，至今使用不廣。在美國(guó)的F-111、F-14及法國(guó)的幻影2000等飛機(jī)上，碳纖維的使用量占首位。碳纖維品種規(guī)格齊全，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用，價(jià)格也比硼纖維便宜。Kevlar纖維具有很高的抗拉強(qiáng)度，密度小，韌性好，但抗壓模量低，在主受力構(gòu)件中應(yīng)用受到限制。但與其它纖維混用，可以改善層壓板性能。,102,在復(fù)合材料構(gòu)件中使用的主要增強(qiáng)劑有：(1) 單一增強(qiáng)劑(2) 混雜型增強(qiáng)劑混雜型增強(qiáng)劑在層壓板中存在的形式有：層間混雜 不同纖維層在

51、層間按一定規(guī)律相互交替存在。層內(nèi)混雜 在同一層內(nèi)，存在不同的纖維，如Kevlar纖維與碳纖維的編織物。纖維間混雜 一束纖維中有兩種以上不同的纖維。(3) 單向纖維與編織物復(fù)合材料的原材料以預(yù)浸料形式提供使用。,103,3. 金屬與復(fù)合材料混合的構(gòu)件(1) 全復(fù)合材料構(gòu)件 如強(qiáng)-五飛機(jī)的垂直安定面。這種結(jié)構(gòu)當(dāng)受熱時(shí)不會(huì)因材料不同引起不同膨脹而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，也不會(huì)發(fā)生金屬材料的腐蝕問題。(2) 金屬材料與碳纖維/環(huán)氧樹

52、脂復(fù)合材料混用于同一結(jié)構(gòu)中 它們之間可以采用機(jī)械連接或膠接連接，也可以在復(fù)合材料構(gòu)件固化過程中把金屬件嵌入層壓板中，但可能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和腐蝕。,104,1.11.2飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)工藝性： 在先進(jìn)復(fù)合材料零件的制造中，普遍應(yīng)用纏繞法制造筒體或桿狀件和以預(yù)浸料鋪疊成坯件，然后固化成各種零部件。等截面的型材可用拉擠法成形。目前預(yù)浸料法是飛機(jī)構(gòu)件主要的制造方法。,105,復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)工藝性是以飛機(jī)構(gòu)件制造難易程度為依

53、據(jù)的。一個(gè)具有良好工藝性的復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)該使構(gòu)件容易制造，不需太復(fù)雜的技術(shù)和大量的模具；容易控制質(zhì)量，構(gòu)件內(nèi)部不要產(chǎn)生分層、孔隙、樹脂分布不均等缺陷，容易保證尺寸外形精確度，制品具有良好的互換協(xié)調(diào)性；易于實(shí)現(xiàn)制造過程機(jī)械化和自動(dòng)化；生產(chǎn)準(zhǔn)備簡(jiǎn)單，不需大規(guī)模技術(shù)改造，生產(chǎn)周期短，效率高。,106,1. 結(jié)構(gòu)工藝分離面劃分 復(fù)合材料的飛機(jī)構(gòu)件要合理地劃分工藝分離面。工藝分離面決定了施工工作面、施工通路開暢性、工藝裝備數(shù)量

54、、協(xié)調(diào)方法及整個(gè)工藝路線，對(duì)質(zhì)量、效率和成本都有很大影響。,影響飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)工藝性的因素,*工藝分離面－是由于生產(chǎn)上的需要，為了合理地滿足工藝過程的要求，按部件進(jìn)行工藝分解而劃分出來的分離面。工藝分離面之間一般都采用不可卸連接，如鉚接、膠接、焊接等，裝配成部件后，這些分離面就消失了。,107,劃分工藝分離面的依據(jù)充分利用設(shè)計(jì)分離面為工藝分離面。如獨(dú)立的平尾、垂直安定面、各種操縱面。平尾、垂直安定面等可再細(xì)分為前緣、后緣、主承

55、力盒、翼尖等工藝單元，這樣既便利于設(shè)計(jì)，也為制造及以后飛機(jī)使用和維護(hù)提供方便。應(yīng)考慮構(gòu)件的大小、結(jié)構(gòu)、形狀的復(fù)雜程度，目前具有制造技術(shù)水平、設(shè)備能力等因素。,108,有足夠的剛度，分解后構(gòu)件的變形都必須控制在允許范圍內(nèi)。更細(xì)的工藝單元具有極開暢的施工通路和更多的施工工作面，但需要更多的工藝裝備，增加了互換協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)，這對(duì)單件或小批量生產(chǎn)是不合理的。,109,2. 構(gòu)件的外形 構(gòu)件形狀對(duì)工藝方法、產(chǎn)品質(zhì)量、制造成本都有很大影響。

56、如細(xì)長(zhǎng)的筒桿件可用纏繞法制造，大而薄的壁板件宜用預(yù)浸料-真空熱壓罐法制造，數(shù)量多的小板件可用熱壓機(jī)模壓成形。采用對(duì)稱的構(gòu)件，可以減少模具數(shù)量，協(xié)調(diào)方法簡(jiǎn)單，構(gòu)件變形小。,110,具有直母線外形的構(gòu)件，工藝裝備制造容易。單曲面外形構(gòu)件容易獲得高質(zhì)量的疊層塊坯件，尤其是用寬幅單向預(yù)浸料更能保證質(zhì)量，節(jié)約工時(shí)。平整而光滑過渡的外形，使樹脂流動(dòng)更均勻，不易產(chǎn)生富膠、貧膠和纖維皺曲，局部不易壓實(shí)而成疏松的缺陷。,111,3. 構(gòu)件成形的幾

57、何參數(shù)為了提高結(jié)構(gòu)整體性，減少零件數(shù)量，減少裝配工作量，應(yīng)盡量采用共固化方法制造構(gòu)件。因此，對(duì)構(gòu)件內(nèi)部的縱橫向件的布置與組合要有合適的選擇，以使構(gòu)件在鋪疊、固化成形后易于脫模。,112,在復(fù)合材料構(gòu)件上應(yīng)盡量少制孔。對(duì)于那些施工、檢查、維修所需的大孔，要制成圓孔。如果需要制成方形孔，四角應(yīng)呈圓弧形，避免因尖角引起應(yīng)力集中。層合板鋪層組織應(yīng)該是平衡結(jié)構(gòu)，鏡像（mirror）對(duì)稱鋪貼固化時(shí)可以減少變形。如需與金屬構(gòu)件共固化時(shí)，金屬件的

58、布置應(yīng)該處于對(duì)稱位置，并盡量選用膨脹系數(shù)與復(fù)合材料相近的材料。,113,如果可能，應(yīng)使彎邊零件的彎邊大于90°。這樣不僅容易成形，簡(jiǎn)化模具，而且固化后零件易從模具中取出。彎邊的圓角半徑R取決于纖維的柔軟度。大的圓角半徑有利于成形。構(gòu)件厚度根據(jù)設(shè)計(jì)所要求的強(qiáng)度和剛度確定。復(fù)合材料構(gòu)件固化時(shí)希望各處厚度差異不要太大。,114,對(duì)于構(gòu)件的裝配，采用共固化方法時(shí)，由于整體成形可以不要補(bǔ)償。由零件組裝時(shí)，就要補(bǔ)償。成形后的復(fù)合材料零件

59、的配合面不允許修挫，而零件制造必然有誤差。公差應(yīng)該采取小的負(fù)差，在裝配時(shí)用快速固化的液體塑料墊片充填補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)的開暢性對(duì)零件成形和部件裝配都很重要。在零件成形過程中，便于從模具中取出零件、模塊、輔助模等。良好的開敞性為裝配提供零件安裝、定位及連接的通路，也為部件在以后使用中的檢修、維護(hù)提供了通道。,115,4.預(yù)浸料形式的選取預(yù)浸料以單向無緯布（或帶）和編織物形式提供使用。編織物預(yù)浸料不僅施工方便，生產(chǎn)效率高，而且可以制造某些用單