复合材料在国防建设的应用.doc

复合材料在国防建设的应用 材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础，是人类进步的里程碑。材料在国民经济建设和国防建设中起着重要的作用，材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。复合材料是由两种以上材料通过一定的工艺加工而成的新型材料，天然材料是单一材质的。人们在社会实践中只能被动地应用它，即根据材质的特性选择适当的形式来确定不同的用途，复合材料则不同。它可根据用途要求设计使用环境所需的材料和形式。即突出了选材的主动性，因此复合材料可克服天然材料的本身不足。复合材料按性能高低分为常用复合材料和先进复合材料。常用复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的普通材料复合形成的新型材料。 先进复合材料是以碳、芳纶、陶瓷、纤维和晶须等高性能增强体与耐高温的高聚物。金属、陶瓷和碳等基体构成的复合材料。 复合材料按用途可分为结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料主要用作承力和次承力结构。要求它质量轻，强度和刚度高，且耐受一定温度。在某种情况下还要求有膨胀系数小、绝热性能好或耐介质腐蚀等其他性能。功能材料是指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括部分化学和生物性能的复合材料。如有导电、超导磁性、压电、吸声、摩擦、阻燃、防火等功能。功能复合材料主要由功能体一种或多种和基体组成。复合材料基本上由增强体与基体组成，增强体承担结构使用中的各种载荷。基体则起到粘接增强体予以赋形并传递应力和增韧的作用。复合材料根据基体种类可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥基复合材料、碳基复合材料。复合材料根据增强体的形状可分为纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、片材增强复合材料、层叠式复合材料。 材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。复合材料与其它单质材料相比具有高比强度、高比刚度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等优良的性能，倍受各国技术人员的重视。因复合材料具有可设计性的特点，已成为军事工业的一支主力军，复合材料技术是发展高技术武器的物质基础，是现代精良武器装备的关键。目前军用复合材料正向高功能化、超高能化、复合轻量和智能化的方向发展，加速复合材料在航空工业、航天工业、兵器工业和舰船工业中的应用是打赢现代高技术局部战争的有力保障。一、复合材料在道路抢修的应用 在战争时期时或特殊情况下,为保障人员、物资、装备的快速机动,国防交通抢修装备起着极为重要的作用。经过几十年的发展,我国国防交通抢修装备的种类已较为齐全,数量已具有一定规模，但是与国外同类装备比较,我国目前的装备水平还相对滞后。国防交通抢修装备大都是几十年前研制的钢结构,构件重量大,设计承载低,已经难以适应现代高技术局部战争条件下国防交通抢修装备应具有的机动灵活方便、作业简单高效、生存力强、承载力高的要求。要实现国防交通抢修装备性能的跨越式提高,复合材料的应用将是一个极好的选择。复合材料具有比强度高、比模量高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀的优点。近几年, 研究人员以玻璃钢为主体材料,利用仿真优化技术成功设计了复合材料系列化航空军用集装器材并已投入使用,其自重较原机配备集装箱减轻20%。综合性能较铝合金集装箱有较大改进,提高了运输效率;对复合材料在铁路抢修桥墩中的应用也做了较深入的研究，从线性屈曲稳定分析、非线性屈曲稳定分析到结构的整体承载能力仿真分析,以及相关构件的抗压、抗弯、抗扭性能试验对比研究等方面得出结论:仿真优化设计方法完全可以满足复合材料结构的设计要求。在保证使用性能的前提下,将复合材料用于抢修桥墩可以有效减轻自重,这方面的研究对于推动复合材料在国防交通抢修装备中的广泛应用具有借鉴意义。二、复合材料修复技术在船舶抢修中的应用 船舶损伤主要有腐蚀损伤、疲劳损伤、人为损毁和事故损伤4类。损伤主要分布在甲板、管路、舷壁、上层建筑等部位。损伤的主要特点是损伤构件复杂多样,损毁偶然性强,且破损形状不定。在海洋环境中船舶损伤率高,各种结构都有损坏的可能性,并且损坏突然,装备抢修要首先保证其生存性。这就要求修理要可靠迅速,操作简单,能现场实施,最好是能用同一种修复手段就能修复多种损伤。现场修理环境恶劣,船舶通常远离港口、码头,无论是修理条件,修理设备,还是修理人员的素质均无法达到规定的修理标准。所以对修理条件和维修人员的技术水平要求不能太高，最好能做到人人均能快速完成修复任务。此外修复的材料和工具还要利于存贮、携带、可靠、安全。航行中抢修要求能够原位迅速修理,并且能够在高温、高压、带水、带油污和尽可能不影响其它部件正常工作的情况下完成修复。另外船舶可能还携带有大量油料和易燃易爆物品,所以还要求抢修时最好不使用明火,修复材料能够防油污,抗 腐蚀,有较高的疲劳强度,修复后不会改变原结构的金相性能和形成新的应力集中源,且能够提供一定的防火抗爆性能。 复合材料修复技术是指使用高性能纤维增强复合材料,胶接于有缺陷或损伤金属结构表面,用以加强缺陷区域,提高受损构件的强度,使受损构件的功能和传递载荷的特性得以最大限度的恢复,以达到延长结构寿命的目的。现在利用复合材料修补的方法大致分为贴补法、挖补法和其他方法。复合材料修复的优越性：1)具有良好的可设计性；2)修理时间短；3)修理效率高；4)修理时无须明火,而且成形性好，可以通过二次共固化技术改变补片的表面形状,；5)对修理人员操作技术和水平要求较低；6)防火隔热性能好；7)具有良好的防腐作用；8) 修复后结构增重小。3、 复合材料在飞机上的应用 目前，复合材料在飞机上的应用已非常广泛，但在20世纪90年代初复合材料市场曾一度陷入低靡，究其原因是由于复合材料设计制造的复杂性造成了成本壁垒，人们开始认识到 只有重视性能和成本的平衡，才能使复合材料展现辉煌。随着复合材料先进技术的成熟，使其性能最优和低成本成为可能，大大推动了复合材料在飞机上的广泛应用。本文在介绍国外 复合材料在飞机上广泛应用的基础上，对作为技术保障的数字化设计技术和先进制造技术进行了分析研究。 从国外情况看，各种先进的飞机都与复合材料的应用密不可分，复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。下面介绍复合材料在飞机上应用 的发展趋势。 (1) 复合材料在飞机上的用量日益增多。 复合材料用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比表示，纵观复合材料在民机上的发展情况发现，无论是波音公司还是空中客车公司，随着时间推移，复合材料的用量都呈增 长趋势。最具代表意义的是空客公司的A380客机和波音公司最新推出的787客机。在A380上仅碳纤维复合材料的用量就达32t左右，占结构总重的15%，再加上其他种类的复合材料，估计其总用量可达25%左。787上初步估计复合材料用量可达50%，远远超过了A380。另外，复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势。 (2) 应用部位由次承力结构向主承力结构过渡。 飞机上最初采用复合材料的部位有舱门、整流罩、安定面等次承力结构，目前已广泛应用于机翼、机身等 部位，向主承力结构过渡。从1982年 开始用复合材料制造飞行操纵面（如 A310-200飞机的升降舵和方向舵），空客公司在主承力结构上使用复合材料已有20多年的经验。在A380上采用的碳纤维复合材料大型构件主要有中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、机身后段、机身尾段、地板梁、后承 压框、垂尾等，大量的主承力结构都采用了复合材料。787复合材料的应 用则更让世人瞩目，其机身和机翼部 位采用碳纤维增强层合板结构代替铝合金;发动机短舱、水平尾翼和垂直尾翼、舵面、翼尖等部位采用碳纤维增强夹芯板结构;机身与机翼衔接处的整流蒙皮采用玻璃纤维增强复合材料。与A380相比其用量更大，主承载部位的应用更加广泛，这将是世界上采用复合材料最多的大型军用喷气客机。 (3) 复合材料在复杂曲面构件上的应用越来越多。 飞机上复杂曲面零件很多，复合 材料的应用也越来越多，比如A380机19段、19.1段和球面后压力隔框等均为采用复合材料的具有复杂曲面的大尺寸受力组件分，别采用纤维 铺放技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。在大型复杂曲面构件上应用复合材料最典型的例子，当属洛克希德马丁公司在JSF项目中的复合材料进气道。采用纤维铺放技术制造的JSF进气道，通道截面沿S形轴线由矩形向圆形过渡，同时直径逐渐变小，形状非常复杂。该进气道由4部分碳环氧复合材料结构组成，采用夹芯结构增强刚度，实现减重并降低了成本。4、 复合材料在高超声速导弹上的应用 高超声速导弹在飞行过程中，表面受到强气流的摩擦而产生大量的热能，5Ma时弹体最高温度达到1000以上。为保证导弹在飞行过程中弹体结构完整、飞行姿态精确控制、高精度制导，使导弹能圆满完成飞行任务，不因气动加热以及其它热载荷与机械载荷的联合作用而受到破坏，因此，采取热防护措施成为必然。目前，导弹、飞机以及卫星等壳体材料一般为熔点在6501500左右的金属材料。其主要防热材料为难熔金属、C/C复合材料、陶瓷复合材料等。难熔金属成本高、密度大、难以加工和抗氧化性差等缺点，使其很难成为高超声速飞行器理想的热防护材料。因此，碳/碳复合材料、陶瓷复合材料是热防护材料的发展方向。C/C 复合材料作为优异的结构-功能一体化工程材料，自1958年诞生以来，在军工方面得到了长足的发展，其中最重要的用途是用于导弹的热结构材料。C/C复合材料是碳纤维增强碳基体的复合材料，具有高强高模、比重轻、热膨胀系数小、抗腐蚀、抗热冲击、耐摩擦性能好、化学稳定性好等一系列优异性能，是一种新型的超高温复合材料。C/C复合材料的高强高模特性来自碳纤维，随着温度的升高C/C复合材料的强度不仅不会降低，而且比室温下的强度还要高。C/C复合材料在高温热处理后的化学成分，碳元素高于99 %，像石墨一样，具有耐酸、碱和盐的化学稳定性。其比热容大，热导率随石墨化程度的提高而 增大，线膨胀系数随石墨化程度的提高而降低等.。因此，C/C复合材料良好的热性能使其广泛应用于固体火箭发动机喷管、飞行器（包括导弹、无人机及飞机）热结构部件、飞机及赛车的刹车装置、热元件和机械紧固件、热交换器、航空发动机的热端部件、高功率电子装置的散热装置和撑杆等方面。5、 复合材料在无人机载光电稳定平台中的应用 机载光电系统的性能水平已成为提高现代军机预警、侦察及作战效能的一个决定性因素, 这些系统的外在特征正朝着小型化、轻量化的方向持续发展;而其内在品质则向着高可靠、高精度、稳定性好、长寿命等高性能化目标不断迈进。这一发展趋势使得传统的微电子、光电子系统载体材料(多为金属材料)面临着严峻的挑战,即由于设计自由度很有限而无法实现其机械性能与特定物理性能的理想匹配,特别是优异的结构承载功能与良好的热控制功能的集成。所以,传统材料愈发不能满足航空微电子、光电子系统的轻量化、高性能化及结构/功能一体化技术发展需求,而亟待研制结构/热控一体化的新型材料。以机载侦察及导弹导引所必需的光电稳定平台为例。这些平台长期以来以铝合金作为其主要结构材料,但过高的热膨胀系数使铝合金平台结构抗热载荷作用的能力很差,即随着环境温度的变化,结构尺寸及其基准面之间的形位精度发生了较大的变化,进而直接影响系统的测量精度、视轴稳定和图像清晰度等关键技术指标。因此,降低平台结构材料的热膨胀系数势在必行。而对于结构/热控一体化的多功能SiC/Al复合材料，它的热膨胀系数预期可以比铝合金低60%之多,若将之用于平台结构,仅此一点就将对提高平台系统精度稳定性产生显著贡献。多功能SiC/Al复合材料除具有低膨胀优势外,其比模量预期可以比铝合金高出近2倍,这不仅可使结构件大幅度减重、实现系统的轻量化目标,同时还将使构件的平均谐振频率提高约60%70% ,进而使整个系统的谐振频段显著后移、减小振动放大、提高系统稳定性。另外,上述平台还对其构件的导热性能有所要求,热传递速度快一方面可减小系统的热平衡时间和缩短方位对准的准备周期,另一方面可增加惯导系统的热平衡控制刚度，提高温度控制精度。本文研究了结构/热控一体化多功能高体份(55%57%) SiC/Al复合材料的特性和制备,因其具有超高的模量及超高的比模量等优异的机械性能,以及低膨胀、高导热、导电等良好的物理性能,故采用该种材料制备了无人机载光电稳定平台的内框架,从而提高了航空光