航空复合材料课件.ppt

考试大纲要求,M6.4航空材料-非金属与复合材料,6.4.1航空器上常用的非金属材料和复合材料的特性及识别,塑料的类型,热固性,热塑性,受热变软，冷却成型可重复加工（本质区别）飞机上常用的热塑性塑料有：醋酸纤维素（早期飞机有机玻璃）丙烯酸塑料（现代飞机有机玻璃）,热塑性塑料,醋酸纤维素重量轻、透光性能好早期飞机上多用它来做透明件制成件尺寸不稳定，时间久了会发黄逐渐被丙烯酸塑料代替,丙烯酸塑料透光性更好（透光率达92%）现代飞机的有机玻璃材料制件尺寸比较稳定，刚度大大高于醋酸纤维素,热塑性塑料-有机玻璃（明胶玻璃）,透明性热膨胀系数小，热稳定性好良好的成形性（保证外观的流线形）具有一定的拉伸强度和延伸率（承受局部气动载荷和防鸟撞击）便于维护和修理,对有机玻璃材料的性能要求,有机玻璃-优点和缺点,优点透光性好尺寸稳定性好安全性好（打破后不会产生大而钝边的碎片）具有较低的吸水能力振动不容易引起疲劳,缺点没有玻璃硬，表面极容易擦伤、划伤（通常都是维护不当引起的）不导电，受摩擦后会变成高静电体温度高会“发雾”受热不均匀会产生“银纹”易受香蕉水、丙酮、甲苯、酒精、汽油、滑油等有机溶剂的侵蚀（侵蚀作用从大到小）,一旦模压成型并冷却后，再加热也不会变柔软不可重复加热飞机上常用的热固性塑料有：酚醛树脂环氧树脂,热固性塑料,特性：强度高，绝缘性好，不易受溶剂的侵蚀，燃烧时产生的烟雾和毒性较小。应用：制造齿轮、滑轮、雷达罩、整流罩以及电气设备上的绝缘零件等。波音飞机内部装饰件大多采用酚醛塑料。,酚醛树脂（胶木/电木）,特性：强度高、绝缘性好，不易受溶剂的侵蚀，成型收缩率小，耐湿热性差具有良好的粘合力，能将金属、木材、玻璃纤维等牢固地粘接在一起，素有“万能胶”的美誉应用：主要用作树脂基玻璃纤维复合材料的基体材料,环氧树脂（万能胶）,分为天然橡胶和合成橡胶天然橡胶主要是从橡胶树等植物中取得的合成橡胶是用煤、石油、天然气等为原料合成的天然橡胶有良好的弹性、绝缘性和密封性，但其强度小，在煤油、汽油中易溶胀和溶解，还容易老化，主要用做制造橡皮的原料合成橡胶是用化学方法，把低分子化合物聚合而成的一种高分子化合物，主要有丁苯橡胶、丁腈橡胶和氯丁橡胶,橡胶材料-种类,橡皮材料=橡胶+硫化剂+防老剂+添加剂等橡皮材料的特性：具有良好的绝缘性和密封性；在很大的温度范围内保持弹性；强度和抗老化能力有所提高；在汽油、煤油等溶剂中不会溶解航空工业中常用的橡皮材料有：天然橡胶制造的橡皮可用来制造飞机的轮胎、飞机冷气系统中的软管、与植物基液压油配合使用的密封件、软导管等丁腈橡胶或氯丁橡胶制造的橡皮可用来制造耐油制品，比如与矿物油接触的各种零件、密封件、软油箱、软导管等，氯丁橡胶的粘性大，还可用来制做粘合剂，粘合橡皮与金属等,橡皮材料,橡胶制品可以和空气中的氧气发生反应而被氧化，使橡皮的弹性降低，变形时容易产生裂纹温度对橡胶制品的影响主要是使橡皮的柔顺性发生变化并使橡皮的老化速度加快橡胶制品长时间受到日光直接照射，会加速老化：强度变小，透气性增大，表面硬化，变形时出现裂纹外力会使橡皮变形而加速橡皮的老化汽油、煤油等溶剂会使橡皮分子间的距离加大而造成橡胶制品的溶胀，弹性和强度下降,外界因素对橡胶制品性能的影响,M6.4航空材料-非金属与复合材料,6.4.2密封和粘合剂,密封-保持表面光滑气动外形，减小阻力防腐-防止水进入飞机结构，从而发生腐蚀,密封剂的作用,Water,BMS3-23,单组分密封剂由生产厂家封装好，直接可以拿来进行密封使用可以根据使用的需要，用密封剂生产厂家指定的稀释剂进行稀释，达到所要求的稀稠度,双组分密封剂由生产厂家分别封装好，在使用前要进行混合配制,密封剂的种类,必须严格按照生产厂家要求的比例进行配制混合比例通常是按照重量来要求（电子秤）称重前要分别对两组分进行彻底的搅拌若厂家已预先称好重包装好配制前不需要重新称重，但必须全部进行混合配制,混合配制注意事项,配制时要将催化剂加入到密封剂的基本组份中去，并立刻进行彻底的搅拌以使两组份材料充分混合搅拌后应在干净的平板金属或玻璃上涂上一小块进行试验，如果出现斑点或块状物，就必须继续搅拌，直到这些现象消失,混合配制注意事项,密封剂在混合配制好以后，应尽快使用或放在低温处保存密封剂的固化处理时间随着周围环境的温度和湿度而变化（对于大多数的密封剂来说，温度在77F,相对湿度在50%是最理想的固化环境）为了加速密封剂的固化处理，可以用红外线灯照射或热空气吹的方法进行加热，但温度不可以超过120F在搭界面上进行涂抹密封剂安装时，必须用永久的或临时的夹具使搭界面在密封剂固化处理过程中保持紧密接触，并且不允许在固化过程中进行加热在施用表面保护层之前，必须保证密封剂已经完成固化处理，没有粘性在飞机结构中不同型号的密封剂有不同的用途，应根据用途选用合适型号的密封剂，否则会影响密封的质量,施用密封剂注意事项,机翼表面边缘处气密增压座舱蒙皮对缝密封，气密隔框上通过钢索、管道、电线的开口要求用塑料导环和密封剂密封机翼上的结构整体油箱接缝和每个铆钉连接都要求密封，以防止油箱渗漏电线插头,需要密封的部位,不同型号的密封剂有不同的用途：如EC-801号密封剂主要用来进行填角密封、搭界面密封、间隙的填充等EC-800号密封剂主要用来包敷铆钉,常用密封剂,胶膜主要有：乙烯基-酚醛：耐温70环氧树脂：强度高、韧性好、温度高达200双马来酰亚胺（BMI）：温度更高220最常用的粘合剂是环氧树脂（素有“万能胶”的美誉）,粘合剂,Adhesivefilm,Adhesivepaste,AdhesiveFoam,粘合剂在受拉、压、剪方面都不错但抗剥离强度不高应力分布比较均匀可以减重可以节约成本,粘合剂特点,M6.4航空材料-非金属与复合材料,6.4.3复合材料结构的组成、性能及在航空器中的应用,从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维,复合材料简介,稻草+泥土,钢筋+混凝土,由两种或两种以上的组分材料组成，各组分材料基本上仍保持其原来各自的物理和化学性质，彼此之间有明显界面的材料称为复合材料,复合材料-定义,增强体（纤维）,基体（树脂）,2019/12/14,27,可编辑,基体：是复合材料中的连续组元，其作用是使复合材料成型，粘接、保护增强体，传力增强（韧）体：均布在基体中，对基体起到增强（韧）作用的不连续组元，主要承受载荷界面层：由于基体和增强纤维表面之间的物理、化学作用形成的结合层，作用是提供适当的结合力,复合材料-结构组成,增强体（纤维）,基体（树脂）,常用于复合材料基体材料有热塑和热固两类：热塑：PPS（聚苯硫醚）、PEI（聚醚酰亚胺）、PEEK（聚醚醚酮）热固：环氧树脂、聚酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、乙烯基脂、双马来酰亚胺,基体,现代民用飞机上常用的复合材料纤维材料有：玻璃纤维（白色）芳纶纤维（黄色）碳/石墨纤维（黑色）,纤维,玻璃纤维,凯芙拉,碳纤维,Birdstrikeareas,Structuralapplication,Fairings,leadingedge(erosion)andinteriors,常见的有两种：E-glass(Electrical)S-glass(Structural)前者强度较低，主要用于有电磁场使用要求的地方，如雷达天线罩等后者强度较高，主要用于有强度要求的结构部分主要应用部位：雷达罩,玻璃纤维（Fiberglass）,Kevlar(凯芙拉)是EIDuPontDeNemoursCompany(美国杜邦公司)的注册商标（商品名）常见的有四种：Kevlar-29Kevlar-129Kevlar-49Kevlar-149(improvedlowmoisture)最轻、最韧，但易吸湿主要应用部位：翼身整流罩及内部部件,芳纶纤维（Aramidfiber）,美国一般称之为石墨纤维而欧洲人则称之为碳纤维，二者是通用的严格意义上说，二者是有区别的，碳纤维含碳量（93%-95%），而石墨纤维含碳量高达99%以上常见的有：高强度和高模量两种特点：高强度、高模量、低密度应用：主承力结构（机翼、机身、地板梁等）,碳/石墨纤维（Carbon/Graphitefiber）,硼纤维(Boron)陶瓷纤维(Ceramics)混合纤维(Hybrid)：包含两种或以上的纤维，用于弥补单种纤维性质上的不足。主要有碳和凯夫拉、碳和玻璃纤维,其他纤维,Boron/EpoxyPrepregTape,各种纤维小结,Best=1Worst=5,MaterialE-GlassS-GlassKevlarGraphiteCeramic,Weight(density),Impactresistance,Stiffness,复合材料-分类,另外，按使用性能还可分为：结构复合材料和功能复合材料,按基体分,按增强纤维分,由上、下面板和蜂窝夹芯通过胶接而组成的面板可以是复合材料的层合板，也可以是铝合金面板、钛合金面板等夹芯通常是采用质轻的材料，有金属和非金属的主要目的是为了提高结构件的抗弯刚度和充分利用材料的强度,复合材料结构-蜂窝夹芯结构,面板,胶层,芯材,胶层,面板,上表面受压下表面受拉蜂窝夹芯受剪,受力特点,蜂窝夹芯结构-优点和缺点,优点具有较大的弯曲刚度和弯曲强度具有较好的吸声和隔热隔声的性能具有较高的结构阻尼，较高的吸震和耐声振疲劳的性能具有光滑的气动外形，气密性较好,缺点部件之间的连接设计比较困难，部件发生损伤修理和更换也比较麻烦抗湿热环境的能力差，要特别注意防潮密封,承受局部气动载荷，起整流作用的部件，如发动机短舱、整流件、机翼前缘、翼梢整流件等安装进行通讯导航天线上的整流件受力较小的操纵面和调整片，如舵面、襟翼、扰流板、调整片等客舱地板等,蜂窝夹芯结构在飞机上的应用（A330）,由两层或两层以上不同材料结合而成的用层合法增强的复合材料可使强度、刚度、耐磨、耐腐蚀、绝热、质轻等性能分别得以改善在层合结构中，拉伸强度主要来自纤维或织物（即增强材料），而树脂（基体）主要起联结作用，提供刚度,复合材料结构-层合结构,层合结构-优点和缺点,优点强度高，耐冲击性好制造成本较低不易受潮可用螺栓连接修理,缺点与蜂窝夹芯结构相比较重比强度、比刚度不如蜂窝夹芯结构,B787机身采用碳纤维层合结构B787机翼也大部分都采用采用碳纤维层合结构,层合结构在飞机上的应用（B787）,比强度、比刚度高比强度=强度/比重比刚度=刚度/比重如碳纤维/环氧材料的比强度是钢的5倍，铝合金的4倍，钛合金的3倍；比模量是钢、铝合金、钛合金的5倍以上,复合材料-性能,具有良好的耐疲劳性能复合材料的耐疲劳性能要比金属材料好大多数金属材料的疲劳极限是其拉伸强度的30%-50%，而CFRP的疲劳极限可达其拉伸强度的70%-80%,复合材料-性能,减震性能好具有多种功能性可设计性强（各向异性）热膨胀系数小便于大面积整体成型,复合材料-其他性能,耐湿热性能差冲击韧性较低（CFRP）材料分散性大价格过高,复合材料-缺点,复合材料主要用来制造：客舱地板（蜂窝夹芯）雷达罩（玻璃纤维）整流罩（碳+玻璃纤维）舱门、舵面、襟翼、扰流板等（石墨纤维）水平尾翼和垂直尾翼（韧化环氧+石墨纤维）复合材料用量达11%,复合材料在飞机结构上的应用-B777,复合材料主要用来制造：客舱地板（蜂窝夹芯）雷达罩（玻璃纤维）整流罩（玻璃纤维）舱门、舵面、襟翼、扰流板等（