复合材料及应用概况-好

1、12谭昌柏航空宇航制造工程系机电学院南京航空航天大学南京市御道街29号, 210016TEL：84891678MAIL: OFFICE：15-A2093 教材飞行器新结构新材料制造技术 周来水 崔耀东 编写 参考文献先进复合材料手册 赵渠森 主编4课程内容课程内容复合材料复合材料Composite Materials智能材料智能材料Smart Materials钛合金钛合金Titanium Alloys课程性质：选修课程性质：选修 课时：课时：24学时学时制造5考核内容考核内容6 复合材料及飞行器应用概况复合材料及飞行器应用概况 复合材料在飞行器制造中的应用复合材料在

2、飞行器制造中的应用 复合材料飞行器构件的制造复合材料飞行器构件的制造 智能复合材料（智能复合材料（ICM）与结构）与结构 钛合金在飞行器制造中的应用钛合金在飞行器制造中的应用 钛合金钣金零件的成形钛合金钣金零件的成形 飞行器制造中钛合金的先进制造技术飞行器制造中钛合金的先进制造技术7Composite8A380910The excess weight would hurt aircraft efficiency, resulting in financial penalties to Airbus. Engineers, however, are still working to shave

3、weight off of the plane. About 25 percent of the A380 is made from composites, including carbon/epoxy and Glare, and fiberglass/aluminum laminate.1112(1) (1) 机翼，包括中机翼，包括中央翼盒和部分外翼。央翼盒和部分外翼。该翼盒重该翼盒重8.8t8.8t，用，用复合材料复合材料5.3t5.3t，较，较金属翼盒可减重金属翼盒可减重1.5t1.5t。A380A380机是第机是第一个将复合材料用一个将复合材料用于中央翼盒的大型于中央翼盒的大型民机民

4、机。13(2) (2) 垂直尾翼和水平垂直尾翼和水平尾翼。采用碳纤维增尾翼。采用碳纤维增强复合材料的硬壳式强复合材料的硬壳式结构，其水平尾翼大结构，其水平尾翼大小相当于小相当于A310A310的机翼，的机翼，垂尾则相当于垂尾则相当于A320A320的的机翼。尾翼和中央翼机翼。尾翼和中央翼盒均拟采用先进的自盒均拟采用先进的自动铺带动铺带(ATL)(ATL)技术制技术制造。造。14自动铺带机自动铺带机切割送带模具模具预浸预浸带直边开口（直边开口（双刀双刀）单刀单刀切割切割15平面铺带FTLM曲面铺带CTLMFTLM：4个运动轴，采用150mm和300mm宽的预浸带，主要用于平板铺放；CTLM：5个

5、运动轴，主要采用75mm和150mm宽的预浸带，适于小曲率壁板的铺放，如机翼蒙皮、大尺寸机身壁板等部件。16自动铺带机自动铺带机17(3) (3) 地板梁和后承地板梁和后承压框。采用碳纤维压框。采用碳纤维复合材料制造，拟复合材料制造，拟应用更为先进的自应用更为先进的自动纤维铺放动纤维铺放(AFP)(AFP)技技术制造，并将试用术制造，并将试用树脂膜熔化树脂膜熔化(RFI)(RFI)成成型技术型技术. .1819自动铺丝机自动铺丝机20自动铺丝机自动铺丝机21TORRESFIBERLAYUP高高效自动铺丝机的铺丝头效自动铺丝机的铺丝头22自动铺丝机自动铺丝机23自动铺丝机自动铺丝机24自动铺丝机

6、自动铺丝机25A380尾段自动铺丝尾段自动铺丝26树脂膜渗透（融化）树脂膜渗透（融化）RFI-Resin Film Infusion 将预催化树脂膜或树脂块放入模腔内将预催化树脂膜或树脂块放入模腔内,然后在其上覆以然后在其上覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体等增强材料缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体等增强材料,再用再用真空袋封闭模腔真空袋封闭模腔,抽真空并加热模具使模腔内的树脂膜或树抽真空并加热模具使模腔内的树脂膜或树脂块融化脂块融化,并在真空状态下渗透到纤维层并在真空状态下渗透到纤维层(一般是由下至上一般是由下至上) ,最后进行固化制得制品。最后进行固化制得制品。27(4) (4)

7、 固定机翼前缘和固定机翼前缘和机身上的某些次加强机身上的某些次加强件。采用热塑性复合件。采用热塑性复合材料制造。热塑性复材料制造。热塑性复合材料进一步扩大应合材料进一步扩大应用正处于研究中，如用正处于研究中，如某些翼肋和垂尾、平某些翼肋和垂尾、平尾的固定前缘亦可能尾的固定前缘亦可能用到。用到。28(5) (5) 各种翼身整各种翼身整流罩、襟翼滑轨流罩、襟翼滑轨整流罩、操纵面整流罩、操纵面和起落架舱门等和起落架舱门等处。采用复合材处。采用复合材料夹层面板结构料夹层面板结构制造。制造。29(6) (6) 机翼后缘处的机翼后缘处的襟、副翼。使用碳襟、副翼。使用碳纤维增强复合材料，纤维增强复合材料，当

8、常规的技术难于当常规的技术难于成形时，可能有部成形时，可能有部分制件分制件( (如肋和铰如肋和铰链等链等) )采用采用RTMRTM技术技术制造。制造。30RTMRTM波纹梁波纹梁31(7) (7) 机身蒙皮壁机身蒙皮壁板。在机身上计板。在机身上计划大规模采用一划大规模采用一种名为种名为GlareGlare层层板的超混杂复合板的超混杂复合材料结构。材料结构。32Glare 层板是由（0. 30. 5 mm） 的铝合金薄板与预浸玻璃纤维带(0. 20. 3 mm) 交替层压而成的,我国称之为超混杂复合材料。33复合材料在复合材料在A380A380客机上仅碳客机上仅碳纤维复合材料的用量已达纤维复合材

9、料的用量已达32t32t左右，占结构总重的左右，占结构总重的15%15%，再，再加上其他种类的复合材料，加上其他种类的复合材料，其总用量达结构总重的其总用量达结构总重的25%25%左左右，复合材料在右，复合材料在A380A380客机上客机上的应用规模，已远远超过的应用规模，已远远超过B777B777的水平。这一趋势和动的水平。这一趋势和动向引起了国内复合材料界的向引起了国内复合材料界的密切关注。密切关注。34 继继A380之后，空中客车之后，空中客车公司下一代商用飞机公司下一代商用飞机A350将将大量使用复合材料。大量使用复合材料。 A350结构质量的结构质量的39%将将使用复合材料，主要是碳

10、纤使用复合材料，主要是碳纤维增强塑料复合材料，这些维增强塑料复合材料，这些材料在垂直尾翼、机翼和机材料在垂直尾翼、机翼和机身整流板等重要部件中已被身整流板等重要部件中已被使用。使用。A350复合材料使用量复合材料使用量将比将比A380有很大增加，有很大增加，A380结构质量的结构质量的25%使用复合材使用复合材料，而料，而A380之前的空中客车之前的空中客车商用飞机使用比例仅商用飞机使用比例仅10%。大量使用复合材料以减轻飞大量使用复合材料以减轻飞机重量，减少燃油消耗，降机重量，减少燃油消耗，降低维修成本，延长飞机使用低维修成本，延长飞机使用寿命。寿命。35 空客没有在空客没有在B787的竞争

11、机型的竞争机型A350上使用复合材料上使用复合材料机身，而是使用了金属机身，尽管如此，空客仍然希机身，而是使用了金属机身，尽管如此，空客仍然希望在该机型上复合材料重量能占到望在该机型上复合材料重量能占到39%左右。（为响左右。（为响应市场趋势并与应市场趋势并与B787有力竞争，空客考虑重新设计源有力竞争，空客考虑重新设计源于早期于早期A330系列的系列的A350，使其成为一个全新的机型，使其成为一个全新的机型，拥有更大的机身和机翼。）拥有更大的机身和机翼。） 36B78737B78738B787材料分布材料分布39机身、大梁、翼梁等部件大量采用复合材料，翼肋机身、大梁、翼梁等部件大量采用复合材

12、料，翼肋采用铝合金。采用铝合金。40B787自动铺丝技术应用自动铺丝技术应用 787飞机机身段整体自动铺丝成型飞机机身段整体自动铺丝成型 41B787自动铺丝技术应用自动铺丝技术应用 位于西雅图波音位于西雅图波音Developmental Center的第一个的第一个 B787复合材料机复合材料机身身42B787飞机机身组装飞机机身组装 4344 复合材料是由两种或多种性质不同的复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有材料通过物理和化学复合，组成具有两个两个或两个以上相态结构或两个以上相态结构的材料。该类材料不的材料。该类材料不仅仅性能优于组成中的任意一个单独的材料性能

13、优于组成中的任意一个单独的材料，而且还可而且还可具有组分单独不具有的独特性能具有组分单独不具有的独特性能。第一章第一章 新材料及其应用概况新材料及其应用概况1.1 复合材料复合材料:4546 基体材料基体材料-在复合材料中连续的物理相；（粘结）在复合材料中连续的物理相；（粘结） 增强材料增强材料-不连续的物理相，粒料、纤维、片不连续的物理相，粒料、纤维、片 状材料或它们的组合。（增强）状材料或它们的组合。（增强） 复合材料的命名复合材料的命名-根据增强材料与基体材料名称根据增强材料与基体材料名称 47复合材料复合材料: 复合材料按用途主要可分为复合材料按用途主要可分为结构复合材料结构复合材料功

14、能复合材料功能复合材料两大类。两大类。48结构复合材料结构复合材料主要作为承力结构使用的材料，主要作为承力结构使用的材料，由能承载的由能承载的组元（如玻璃、陶瓷、碳素、组元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结增强体成为整体材料同时又起颗粒等）与能联结增强体成为整体材料同时又起传力作用的传力作用的组元（如树脂、金属、陶瓷、玻组元（如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）构成。结构材料通常按基体的璃、碳和水泥等）构成。结构材料通常按基体的不同分为不同分为、和和等。等。49功能复合材料功能复合材料是指除力学性能以外还

15、是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。包括压电、导电、雷达隐身、合材料。包括压电、导电、雷达隐身、磁性、阻尼、光致变色、吸声、吸波、磁性、阻尼、光致变色、吸声、吸波、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。料，具有广阔的发展前途。 未来的功能未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料发展的主流。主要由为复合材料发展的主流。主要由功能体功能体和和基体基体组成。组成。50 复合材料的分类复合材料的分类: 根据基体材料的类型根据基体材料的类型 根

16、据增强纤维类型根据增强纤维类型 根据增强物外形根据增强物外形 根据制造方法根据制造方法 金属基复合材料（金属基复合材料（铝、镁、铜）非金属基复合材料（非金属基复合材料（碳、石墨、橡胶、陶瓷、水泥）聚合物基复合材料聚合物基复合材料碳纤维复合材料碳纤维复合材料玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料有机纤维复合材料有机纤维复合材料硼纤维复合材料硼纤维复合材料混杂纤维复合材料混杂纤维复合材料连续纤维复合材料连续纤维复合材料纤维织物或片状材料增强的复合材料纤维织物或片状材料增强的复合材料短纤维增强复合材料短纤维增强复合材料粒状填料复合材料粒状填料复合材料层合复合材料层合复合材料混合复合材料混合复合材料浸渍复合

17、材料浸渍复合材料51智能材料（智能材料（Smart Materials, , Intelligent Material System）：）： 智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化并智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，作出所能实时地改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。料的复合。 智能材料是一种集材料与结构、智能处理、执智能材料是一种集材料与结构、智能处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设

18、计与合成几乎横跨所有的高技术学科体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。构成智能材料的基本材料组元有压电材料、领域。构成智能材料的基本材料组元有压电材料、形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变体、磁致形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变体、磁致伸缩材料和智能高分子材料等。伸缩材料和智能高分子材料等。新材料新材料52智能材料的构成智能材料的构成 基体材料基体材料敏感材料敏感材料驱动材料驱动材料信息处理器信息处理器5354“主动形主动形”的车门把的车门把手，当它感应到你手，当它感应到你想进车的时候就会想进车的时候就会自动的展开。自动的展开。 新型的排风口也新型的排风口也可以自动调节角可以自

19、动调节角度，使得通风效度，使得通风效果更好。果更好。 55n复合材料：由两种或两种以上的组份组成的材复合材料：由两种或两种以上的组份组成的材料，各组份材料基本上仍保持其固有的物理和化料，各组份材料基本上仍保持其固有的物理和化学性能，彼此间有明显的界面。学性能，彼此间有明显的界面。n先进复合材料：专指可用于加工主承力结构和先进复合材料：专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前主要指有较高强度和模量合金的复合材料。目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维和芳纶等增强的复合材料。的硼纤维、碳纤维和芳纶等增强的

20、复合材料。n热固性复合材料：热固性复合材料：Thermosetting Plastic，以热，以热固性树脂为基体的复合材料。固性树脂为基体的复合材料。n热塑性复合材料：热塑性复合材料：Thermoplastic Plastic，以热，以热塑性树脂为基体的复合材料。塑性树脂为基体的复合材料。56n碳碳/碳复合材料：由碳纤维织物或石墨纤维埋入碳复合材料：由碳纤维织物或石墨纤维埋入碳或石墨基体组成的一种复合材料。碳或石墨基体组成的一种复合材料。n预浸料：预浸料：Prepreg，将树脂基体浸涂在纤维织物，将树脂基体浸涂在纤维织物上，通过一定的处理后贮存备用的中间材料。上，通过一定的处理后贮存备用的中间

21、材料。n单向带：单向带：Tape，以长纤维为径向而在纬向加少，以长纤维为径向而在纬向加少量且更细的纤维纺织加工成不同宽度的带。它经量且更细的纤维纺织加工成不同宽度的带。它经浸胶后叫浸胶后叫“预浸单向带预浸单向带”。571.2 1.2 钛合金钛合金(Titanium Alloys )(Titanium Alloys ) 钛作为一种金属材料步入人类社会只有大约钛作为一种金属材料步入人类社会只有大约半个世纪的历史。钛在地壳中的含量相当丰富。半个世纪的历史。钛在地壳中的含量相当丰富。在地壳外层中含有在地壳外层中含有0.610.61的钛，总蕴藏量达的钛，总蕴藏量达7 7亿亿吨以上，在金属元素中仅次于铝、

22、铁、钙、钠、吨以上，在金属元素中仅次于铝、铁、钙、钠、钾、镁而处于第七位，为铜的钾、镁而处于第七位，为铜的6060倍，钼的倍，钼的600600倍。倍。钛比钢轻得多（它的密度只有钢的钛比钢轻得多（它的密度只有钢的1/21/2强），比强），比铝和钢更加结实（以同等重量而论），能抗腐蚀，铝和钢更加结实（以同等重量而论），能抗腐蚀，还能耐高温。因为这些优点，钛现在已被用于飞还能耐高温。因为这些优点，钛现在已被用于飞机、轮船、导弹等。机、轮船、导弹等。新材料新材料5859钛合金（钛合金（ Titanium Alloys Titanium Alloys ）：）：目前大部分飞机都是用铝合金制造的。超音速目前

23、大部分飞机都是用铝合金制造的。超音速飞行的飞机表面受到空气强烈的磨擦和压缩，动飞行的飞机表面受到空气强烈的磨擦和压缩，动能转变为热能，机体温度也随着升高。当飞机在能转变为热能，机体温度也随着升高。当飞机在同温层同温层飞行（大气温度飞行（大气温度-56-56），其速度为音速），其速度为音速（每小时（每小时12001200公里）时，飞机表面的温度为公里）时，飞机表面的温度为-18-18；两倍于音速时，其温度为两倍于音速时，其温度为9898；三倍于音速时，；三倍于音速时，其温度为其温度为300300。钛合金在温度达到钛合金在温度达到550550时强度仍无明显的变时强度仍无明显的变化，它能胜任飞机以化

24、，它能胜任飞机以3 34 4倍音速下的飞行。因而倍音速下的飞行。因而钛合金受到航空航天界的特别关注。钛合金受到航空航天界的特别关注。60 钛在其他飞行器，如火箭、导弹、人钛在其他飞行器，如火箭、导弹、人造卫星、航天飞机等方面都占有重要地造卫星、航天飞机等方面都占有重要地位。目前，位。目前，、都采用了钛合金。这些航空航天器采都采用了钛合金。这些航空航天器采用钛合金后，不仅性能得到大幅度的提用钛合金后，不仅性能得到大幅度的提高，而且仅就重量减轻这一项来说，节高，而且仅就重量减轻这一项来说，节省的能源也是十分可观的。省的能源也是十分可观的。61钛合金不仅在航空航天方面崭露头角，钛合金不仅在航空航天方

25、面崭露头角，而且在航海方面也开始大显身手。据报道，而且在航海方面也开始大显身手。据报道，用钛制成的某型核动力潜艇，用钛达用钛制成的某型核动力潜艇，用钛达35003500吨，最大航速为每小时吨，最大航速为每小时7474公里，下潜深度公里，下潜深度达达900900米。这种全部钛合金潜艇不仅重量轻、米。这种全部钛合金潜艇不仅重量轻、航速高和攻击力强，而且无磁性，在海底航速高和攻击力强，而且无磁性，在海底不易被发现，因而也就不易遭到攻击。不易被发现，因而也就不易遭到攻击。 钛合金不仅在军事方面显示出独特的钛合金不仅在军事方面显示出独特的优势，由于其密度小、强度高及优异的耐优势，由于其密度小、强度高及优

26、异的耐腐蚀性，在国民经济的许多部门都受到了腐蚀性，在国民经济的许多部门都受到了重视。重视。62 综观复合材料的发展历程，是高新技术在材料综观复合材料的发展历程，是高新技术在材料科学研究过程中的推广应用过程。经过几代人不懈科学研究过程中的推广应用过程。经过几代人不懈的努力，目前已形成的努力，目前已形成四类复合材料共存四类复合材料共存，而树脂基，而树脂基复合材料则形成复合材料则形成五代复合材料共用五代复合材料共用的良好局面。的良好局面。 63 1) 树脂基复合材料树脂基复合材料 是以玻璃纤维增强复合材料为代表，是以玻璃纤维增强复合材料为代表，在在20世纪世纪50-60年代以年代以“玻璃钢玻璃钢”的

27、名称广泛应用于军的名称广泛应用于军事、航天航空、兵器、船舶、化工、建筑、汽车、电事、航天航空、兵器、船舶、化工、建筑、汽车、电子电气等行业。后来逐步形成的子电气等行业。后来逐步形成的“玻璃钢玻璃钢”制造技术制造技术是树脂基复合材料的重大技术进步和历史性变革，其是树脂基复合材料的重大技术进步和历史性变革，其产品质量有了质的飞跃，产品由原来在附件上应用而产品质量有了质的飞跃，产品由原来在附件上应用而后来逐步发展作为结构件或受力结构件得到广泛应用。后来逐步发展作为结构件或受力结构件得到广泛应用。64 1) 树脂基复合材料树脂基复合材料 美国美国S994玻璃纤维拉伸强度高达玻璃纤维拉伸强度高达4650

28、 MPa，这种高，这种高强度高模量价格低廉的复合材料在武器装备、工业设强度高模量价格低廉的复合材料在武器装备、工业设备、车辆中广泛应用。国外发达国家和军事强国也在备、车辆中广泛应用。国外发达国家和军事强国也在高新技术领域、武器装备、航天航空和车辆中大量采高新技术领域、武器装备、航天航空和车辆中大量采用这类复合材料，以减轻质量、降低成本、增加装置用这类复合材料，以减轻质量、降低成本、增加装置或设备的功能特性。是目前用量最大、技术最为成熟或设备的功能特性。是目前用量最大、技术最为成熟的低成本复合材料之一。的低成本复合材料之一。65是以碳纤维增强复合材料是以碳纤维增强复合材料为代表。它以卓越的比强度

29、（为代表。它以卓越的比强度（12.8MPa）、比模量）、比模量（12.8GPa）凌驾于当时各种材料之首。由碳纤维增）凌驾于当时各种材料之首。由碳纤维增强的聚酰亚胺具有在强的聚酰亚胺具有在300 以上长期使用、低温脆化以上长期使用、低温脆化(温度温度)点达点达-196的优异性能，因此获得了各国工业的优异性能，因此获得了各国工业部门和军方的高度重视，在工业领域、空间技术、航部门和军方的高度重视，在工业领域、空间技术、航天航空、地面武器装备中被广泛使用。随着碳纤维生天航空、地面武器装备中被广泛使用。随着碳纤维生产规模的扩大，成本的降低，在普通工业和常规兵器产规模的扩大，成本的降低，在普通工业和常规兵

30、器上的应用将获得新的突破。上的应用将获得新的突破。66是有机纤维增强复合是有机纤维增强复合材料，以美国杜邦公司的材料，以美国杜邦公司的Kevlar(芳纶芳纶)纤维复纤维复合材料为代表。这种热熔性液晶聚合物纤维比合材料为代表。这种热熔性液晶聚合物纤维比强度优越，弹性模量是玻纤的强度优越，弹性模量是玻纤的2倍，价格只有倍，价格只有碳纤维的碳纤维的13。加上其突出的韧性和回弹性是。加上其突出的韧性和回弹性是其他纤维所不具备的。故而问世不久就被各国其他纤维所不具备的。故而问世不久就被各国工业部门和军方采用。是目前最有发展前途的工业部门和军方采用。是目前最有发展前途的增强材料之一。增强材料之一。67是是

31、20世纪世纪80年代末美国年代末美国Allied公司商品化的一种公司商品化的一种Spectra-900和和1000为代表的超高强为代表的超高强度，度，超高模量的高拉伸聚乙烯纤维超高模量的高拉伸聚乙烯纤维。相继荷兰。相继荷兰DSM研究所研究所和日本东洋纺织公司联合开发了和日本东洋纺织公司联合开发了Dyneema高拉伸聚乙烯纤高拉伸聚乙烯纤维，并用其制造出环氧基复合材料，其拉伸强度达维，并用其制造出环氧基复合材料，其拉伸强度达3.5GPa、模量达模量达125GPa、比强度比钢大、比强度比钢大10倍、比碳纤维大倍、比碳纤维大4倍、比倍、比芳纤大芳纤大50，20世纪世纪90年代可称为世界上强度最大的纤

32、维，年代可称为世界上强度最大的纤维，而且其密度最小而且其密度最小(0.92kgm3)。68 具有可透射雷达波、介电性极佳、结构强度高等特点，具有可透射雷达波、介电性极佳、结构强度高等特点，经经V50弹道实验表明该纤维属弹道实验表明该纤维属20世纪世纪90年代抗弹性最好的年代抗弹性最好的弹道材料，故而在兵器上获得了较为广泛的应用，特别是弹道材料，故而在兵器上获得了较为广泛的应用，特别是装甲防护领域更是这种复合材料发挥作用的一展身手的领装甲防护领域更是这种复合材料发挥作用的一展身手的领域；另外，可作为超轻质复合结构材料和超轻质功能结构域；另外，可作为超轻质复合结构材料和超轻质功能结构材料加以应用。

33、材料加以应用。 目前，这四代树脂基复合材料已形成四代共用局面。目前，这四代树脂基复合材料已形成四代共用局面。其材料技术和应用研究也逐步深入，生产规模不断扩大，其材料技术和应用研究也逐步深入，生产规模不断扩大，品种增多，为工程设计和新产品设计与研制提供了更为广品种增多，为工程设计和新产品设计与研制提供了更为广泛的选材余地。泛的选材余地。69第五代为第五代为PBO纤维增纤维增强复合材料强复合材料(商品名为柴隆商品名为柴隆Zylon)。美国道化学公司和。美国道化学公司和日本东洋纺织公司合作研制成功的聚苯并双曙唑日本东洋纺织公司合作研制成功的聚苯并双曙唑(PBO)纤维及其复合材料被称为纤维及其复合材料

34、被称为21世纪超级纤维复合世纪超级纤维复合材料。该纤维无熔点，高温下不熔融，在空气中的热材料。该纤维无熔点，高温下不熔融，在空气中的热分解温度高达分解温度高达650 ，比对位芳酰胺纤维高，比对位芳酰胺纤维高100 左左右。极限氧指数为右。极限氧指数为68，在有机纤维中，小于，在有机纤维中，小于PTFE纤纤维维(95)，而高于聚苯并眯唑，而高于聚苯并眯唑(PBl)纤维纤维(41)。70 该纤维在与火焰接触后不收缩，移去火焰后基本该纤维在与火焰接触后不收缩，移去火焰后基本无残焰，布料质地柔软。其密度为无残焰，布料质地柔软。其密度为1.54-1.56gcm3，拉，拉伸强度为伸强度为5.8GPa，拉伸

35、模量为，拉伸模量为280GPa，断裂伸长率为，断裂伸长率为3.5。可制成短切纤维、织物、毡等，与树脂浸渍性。可制成短切纤维、织物、毡等，与树脂浸渍性亦佳，加工性能良好。亦佳，加工性能良好。是目前唯一将优越的力学性能、是目前唯一将优越的力学性能、卓越的耐高温性能和优良的加工性能结合在一起的有机卓越的耐高温性能和优良的加工性能结合在一起的有机纤维纤维。1994年，日本东洋纺织公司开始批量生产，是年，日本东洋纺织公司开始批量生产，是21世纪集耐高温和力学特性为一身的超高性能复合材料。世纪集耐高温和力学特性为一身的超高性能复合材料。也是一代更新换代的材料品种。也是一代更新换代的材料品种。71 2) C

36、/C复合材料复合材料 20世纪世纪50年代以来，碳纤维技术的出现，为将石年代以来，碳纤维技术的出现，为将石墨材料发展成为一种真正实用的结构材料提供了条件。墨材料发展成为一种真正实用的结构材料提供了条件。20世纪世纪60年代，在美国空军材料实验室支持下，一种年代，在美国空军材料实验室支持下，一种新的材料新的材料C/C复合材料试制成功。它具有优异的比强度复合材料试制成功。它具有优异的比强度和比弹性模量。今天和比弹性模量。今天C/C复合材料已广泛应用于军事工复合材料已广泛应用于军事工业和民用工业的各个领域。业和民用工业的各个领域。 72 2) C/C复合材料复合材料 C/C复合材料的真正实用化得益于

37、多向编织技术的复合材料的真正实用化得益于多向编织技术的出现和发展。出现和发展。20世纪世纪60年代末期出现了用于树脂基和年代末期出现了用于树脂基和碳基复合材料制造的编织技术，并成功地完成了圆轮、碳基复合材料制造的编织技术，并成功地完成了圆轮、空心圆柱、平锥体结构的编织，此后，通过正确选取空心圆柱、平锥体结构的编织，此后，通过正确选取和设计增强织物以满足复杂结构的需要成为可能。今和设计增强织物以满足复杂结构的需要成为可能。今天天C/C复合材料增强体可以有二向、三向、五向、七向、复合材料增强体可以有二向、三向、五向、七向、十一向等多种形式。特别是十一向等多种形式。特别是20世纪世纪80年代，多维整

38、体年代，多维整体编织技术的出现使得极大地发挥编织技术的出现使得极大地发挥C/C复合材料潜力成为复合材料潜力成为可能。可能。73 2) C/C复合材料复合材料 C/C复合材料具有优异的综合性能，迄今为止是用于宇航工复合材料具有优异的综合性能，迄今为止是用于宇航工业、热结构和固体火箭发动机喷管的业、热结构和固体火箭发动机喷管的最理想的烧蚀结构材料最理想的烧蚀结构材料，但其过长的工艺周期、过高的制造成本在一定程度上限制了它但其过长的工艺周期、过高的制造成本在一定程度上限制了它的应用。的应用。 C/C复合材料的改性方向主要围绕着提高性能和降低成本而复合材料的改性方向主要围绕着提高性能和降低成本而展开。

39、在提高性能方面展开。在提高性能方面,近年来提出的一项重要途径是应用难熔近年来提出的一项重要途径是应用难熔碳化物涂层来提高碳化物涂层来提高C/C复合材料的抗氧化能力、降低烧蚀率、承复合材料的抗氧化能力、降低烧蚀率、承受更高的燃气温度或更长的工作时间。所用的难熔碳化物有碳受更高的燃气温度或更长的工作时间。所用的难熔碳化物有碳化硅化硅(SiC)、碳化铪、碳化铪(HfC)、碳化钽、碳化钽(TaC)、碳化铌、碳化铌(NbC)、碳化锆、碳化锆(ZrC)等，美、俄、法等国家均已开展这方面的研究并已取得阶等，美、俄、法等国家均已开展这方面的研究并已取得阶段性的成果，涂覆工艺多用段性的成果，涂覆工艺多用化学气相

40、沉积化学气相沉积(CVD或或CVl)和和化学气化学气相反应相反应(CVR).74 2) C/C复合材料复合材料 在降低成本方面，除编织技术外，更重要的是致密工艺的改在降低成本方面，除编织技术外，更重要的是致密工艺的改进，目前已着手研究的有强制热梯度进，目前已着手研究的有强制热梯度CVI工艺、快速致密工艺、工艺、快速致密工艺、等离子气相沉积工艺、使用新型高残碳率前驱体等离子气相沉积工艺、使用新型高残碳率前驱体(如如PAA)及采用及采用智能工艺控制系统来提高工艺质量等。从目前的研究结果来看，智能工艺控制系统来提高工艺质量等。从目前的研究结果来看，使用强制热梯度使用强制热梯度CVI工艺比均热法可提高

41、效率工艺比均热法可提高效率10-30倍，而采用倍，而采用智能工艺控制系统可使预制件的工艺时间缩短智能工艺控制系统可使预制件的工艺时间缩短11、成本降低、成本降低15-20。75 3) 陶瓷基和金属基复合材料陶瓷基和金属基复合材料 尚处于研究阶段，还未进入批量生产和实际应用。具有优异尚处于研究阶段，还未进入批量生产和实际应用。具有优异的高温强度，目前是可用其制作摩擦结构材料、固体发动机喷的高温强度，目前是可用其制作摩擦结构材料、固体发动机喷管和燃烧室壳体之间的热结构连接件的理想材料，此外，还可管和燃烧室壳体之间的热结构连接件的理想材料，此外，还可用作出口锥和延伸锥的一些部件用作出口锥和延伸锥的一

42、些部件(如喷管背壁防热绝热系统等如喷管背壁防热绝热系统等)。陶瓷基复合材料作为固体发动机的热结构连接件，已进行过发陶瓷基复合材料作为固体发动机的热结构连接件，已进行过发动机地面热试车。动机地面热试车。 众多陶瓷材料中，以氮化硅系高温热结构陶瓷复合材料最引众多陶瓷材料中，以氮化硅系高温热结构陶瓷复合材料最引人注目。其综合性能较突出，具有耐高温、耐腐蚀、抗热震、人注目。其综合性能较突出，具有耐高温、耐腐蚀、抗热震、硬度高、韧性好、热胀系数小、密度较低等特点，非常适于制硬度高、韧性好、热胀系数小、密度较低等特点，非常适于制作高温承力部件。目前，先进国家已把氮化硅系陶瓷材料作为作高温承力部件。目前，先

43、进国家已把氮化硅系陶瓷材料作为热结构的首选陶瓷材料进行广泛、重点的研究与开发。热结构的首选陶瓷材料进行广泛、重点的研究与开发。Si3N4系系陶瓷材料在军用和民用领域均有十分广阔的应用前景。陶瓷材料在军用和民用领域均有十分广阔的应用前景。76 复合材料的发展与其制造技术的发展息息相关，也就是说，复合材料的发展与其制造技术的发展息息相关，也就是说，复合材料工艺的发展是复合材料发展最重要的基础和条件，材复合材料工艺的发展是复合材料发展最重要的基础和条件，材料和工艺两者相辅相成互相推进料和工艺两者相辅相成互相推进。复合材料工艺利用和借鉴其。复合材料工艺利用和借鉴其他材料的成型工艺及设备，根据复合材料成

44、型过程的特殊要求，他材料的成型工艺及设备，根据复合材料成型过程的特殊要求，不断发展和完善，逐步形成一套复合材料制造技术体系。工艺不断发展和完善，逐步形成一套复合材料制造技术体系。工艺技术的发展和技术进步主要是指树脂基复合材料、技术的发展和技术进步主要是指树脂基复合材料、C/CC/C复合材料复合材料和纳米复合材料的技术进步，而陶瓷基和金属基复合材料制造和纳米复合材料的技术进步，而陶瓷基和金属基复合材料制造工艺技术基本上还是采用基体材料的制造方法，就其纤维增强工艺技术基本上还是采用基体材料的制造方法，就其纤维增强的陶瓷或金属基复合材料而言，目前还是借用的陶瓷或金属基复合材料而言，目前还是借用C/C

45、C/C复合材料的制复合材料的制造工艺生产的。造工艺生产的。77 早在早在20世纪世纪40年代初国外就用手糊工艺制造出军用飞机雷达年代初国外就用手糊工艺制造出军用飞机雷达罩，这种质轻、承载能力强、并具备优良的电磁波穿透性的制罩，这种质轻、承载能力强、并具备优良的电磁波穿透性的制品的出现，受到各国军方和飞机制造厂家的高度关注。品的出现，受到各国军方和飞机制造厂家的高度关注。1942年第年第一艘玻璃钢渔船又采用手糊方法制造成功，使有数千年历史的一艘玻璃钢渔船又采用手糊方法制造成功，使有数千年历史的裱糊工艺中的手糊工艺技术得到了广泛的应用，随之石油化工裱糊工艺中的手糊工艺技术得到了广泛的应用，随之石油

46、化工容器、贮槽、汽车壳体等相继问世。手糊工艺在目前制备技术容器、贮槽、汽车壳体等相继问世。手糊工艺在目前制备技术高度发达的今天，以其工艺简便，投资低廉，工艺适用面广等高度发达的今天，以其工艺简便，投资低廉，工艺适用面广等独特的优点仍然延用，且具有发展趋势。独特的优点仍然延用，且具有发展趋势。78 为了克服手糊制品材料质地疏松、密度低从而严重影响制品为了克服手糊制品材料质地疏松、密度低从而严重影响制品强度的缺点，强度的缺点，20世纪世纪50年代初研制出真空袋、压力袋、压力罐等年代初研制出真空袋、压力袋、压力罐等技术，使制品质量有了明显提高，满足了应用要求。技术，使制品质量有了明显提高，满足了应用

47、要求。 为了改善工人劳动条件，提高手糊工作效率，为了改善工人劳动条件，提高手糊工作效率，20世纪世纪60年代年代又研制出喷射工艺。喷射成型也可归于手糊工艺又研制出喷射工艺。喷射成型也可归于手糊工艺(低压成型低压成型)一类。一类。它的主要不同处是增强材料改用短切纤维代替玻璃布，短切纤它的主要不同处是增强材料改用短切纤维代替玻璃布，短切纤维和树脂分别经过喷枪混和后被压缩空气喷洒在模具上，达到维和树脂分别经过喷枪混和后被压缩空气喷洒在模具上，达到预定厚度后，再手工用橡胶辊按压，然后固化成型。喷射成型预定厚度后，再手工用橡胶辊按压，然后固化成型。喷射成型较之手糊工艺适应性得以提高，制品的质量也获得改善

48、，更重较之手糊工艺适应性得以提高，制品的质量也获得改善，更重要的是提高了工作效率，使复合材料成型的手工劳动比例大为要的是提高了工作效率，使复合材料成型的手工劳动比例大为下降。下降。798081828384858687综观复合材料制造工艺的发展过程，其间产生了四次重大的技综观复合材料制造工艺的发展过程，其间产生了四次重大的技术进步：术进步： 第一次技术进步是第一次技术进步是19261926年发明的年发明的传递模塑工艺传递模塑工艺，对树脂基复合，对树脂基复合材料制品采用了专用的塑化装置，有效地改变了制品在型腔内的塑材料制品采用了专用的塑化装置，有效地改变了制品在型腔内的塑化状况，解决了树脂基复合材

49、料，特别是用量较大的热固性树脂基化状况，解决了树脂基复合材料，特别是用量较大的热固性树脂基复合材料复杂结构制品质量和制造难题。复合材料复杂结构制品质量和制造难题。 第二次技术进步是第二次技术进步是19451945年研制的年研制的高频预热技术高频预热技术，克服了以往几，克服了以往几种预热方法的缺点，使制品质量和生产效率有了显著提高。种预热方法的缺点，使制品质量和生产效率有了显著提高。 第三次技术进步是于第三次技术进步是于19631963年研制成功的年研制成功的注射成型技术注射成型技术，特别是，特别是热固性树脂基复合材料的注射成型技术，使其制品质量、生产效率、热固性树脂基复合材料的注射成型技术，使

50、其制品质量、生产效率、自动化程度得到明显提高。自动化程度得到明显提高。88第四次技术进步是第四次技术进步是2020世纪世纪8080年代研制的年代研制的液体模塑成型技术液体模塑成型技术，即，即增强反应注射成型增强反应注射成型和和树脂传递模塑成型树脂传递模塑成型技术。它用单体注射、转化技术。它用单体注射、转化为聚合物，再与预制件结合制成高级复合材料或制品。利用这种工为聚合物，再与预制件结合制成高级复合材料或制品。利用这种工艺可制造超厚截面制品艺可制造超厚截面制品( (如厚板复合装甲、车体、炮塔用复合材料如厚板复合装甲、车体、炮塔用复合材料装甲装甲) )、雷达罩、直升飞机机体和舰船体、汽车车体等，再

51、加上电、雷达罩、直升飞机机体和舰船体、汽车车体等，再加上电子束固化技术的运用，使复合材料制造更加便捷，在取代钢铁的道子束固化技术的运用，使复合材料制造更加便捷，在取代钢铁的道路上迈出坚定的一步，标志着工业用结构材料已由钢铁时代进入复路上迈出坚定的一步，标志着工业用结构材料已由钢铁时代进入复合材料时代。合材料时代。89 二向二向碳布织物碳布织物三向三向碳布织物碳布织物 为了获得各向同性的织物结构，对最基本的为了获得各向同性的织物结构，对最基本的3D3D正正交结构进行适当的修改可得到四向、五向、七向和十交结构进行适当的修改可得到四向、五向、七向和十一向增强织物结构。一向增强织物结构。 905D5D

52、结构结构-在在3D3D正交结构的基础上沿正交结构的基础上沿x x、y y平平面增加两个增强方向，使得其在面增加两个增强方向，使得其在xyxy面内土面内土4545方向上具有新的增强效果。方向上具有新的增强效果。 7D7D结构结构-增加对角线增强方向，这样，由增加对角线增强方向，这样，由三个正交方向和四个对角向组成三个正交方向和四个对角向组成7D7D结构。结构。11D11D结构结构-3D-3D正交结构同时增加四个对角正交结构同时增加四个对角线向和四个对角面向将产生一种基本各向同性线向和四个对角面向将产生一种基本各向同性的的11D11D增强织物结构。增强织物结构。 所有这些结构都可以通过选取织物密实

53、效所有这些结构都可以通过选取织物密实效率、密度和增强向的分布进行设计。率、密度和增强向的分布进行设计。 9192 939495 96 自从自从19031903年莱特兄弟发明第一架飞机以来，年莱特兄弟发明第一架飞机以来，航空技术有了飞跃的发展，乘飞机已是人们日航空技术有了飞跃的发展，乘飞机已是人们日常生活中比较普遍的活动。航空的发展对人类常生活中比较普遍的活动。航空的发展对人类的社会、生活、经济、贸易及军事产生了革命的社会、生活、经济、贸易及军事产生了革命性影响。飞机是性影响。飞机是2020世纪人类最伟大的发明之一。世纪人类最伟大的发明之一。进入进入2121世纪，航空科学技术的发展将取得更加世纪

54、，航空科学技术的发展将取得更加辉煌的成就。辉煌的成就。97 近近100100年来，航空飞行已从每小时几十年来，航空飞行已从每小时几十公里的速度提高到公里的速度提高到M3M3以上；飞行高度从几十以上；飞行高度从几十米提高到米提高到 3000030000米以上；飞机的座级从单人米以上；飞机的座级从单人飞机发展到飞机发展到800800座级以上的大型民用客机。座级以上的大型民用客机。展望展望2121世纪，民用飞机将继续沿着安全世纪，民用飞机将继续沿着安全性、经济性、舒适性、环保性的要求发展，性、经济性、舒适性、环保性的要求发展，更大、更快、更安全、更经济的飞机必将出更大、更快、更安全、更经济的飞机必将

55、出现；现；50050010001000座的飞机将投入航线使用。座的飞机将投入航线使用。新一代的超音速民机也将会在新一代的超音速民机也将会在2121世纪投入使世纪投入使用。用。98新一代的军用飞机将具有隐身、超音新一代的军用飞机将具有隐身、超音速巡航、短距起降能力，并具有更先进的速巡航、短距起降能力，并具有更先进的电子武器系统。新一代军用飞机的作战效电子武器系统。新一代军用飞机的作战效能将比现有飞机提高能将比现有飞机提高1010倍，维护工作量降倍，维护工作量降低低70%70%。M5M51515的超高速军用飞机也将在的超高速军用飞机也将在2121世纪研制。这一切也将对气动技术、发世纪研制。这一切也

56、将对气动技术、发动机、新材料、新结构、控制技术、电子动机、新材料、新结构、控制技术、电子设备、能源等航空技术提出更高的要求和设备、能源等航空技术提出更高的要求和更多的挑战。更多的挑战。 99100 在材料中植入敏感元件、控制系统、射频在材料中植入敏感元件、控制系统、射频发射源或其他执行元件，能使飞机结构具有隐发射源或其他执行元件，能使飞机结构具有隐身、目标探测、发射信息功能，也能够根据飞身、目标探测、发射信息功能，也能够根据飞行状态随时改变结构构型。飞机性能的提高，行状态随时改变结构构型。飞机性能的提高，在很大程度上依赖于航空材料的进步。目前，在很大程度上依赖于航空材料的进步。目前，航空结构材

57、料正向着航空结构材料正向着的方向发的方向发展，复合材料在未来飞机上将得到广泛应用，展，复合材料在未来飞机上将得到广泛应用，而且新复合材料的价格将会更低，使用维护也而且新复合材料的价格将会更低，使用维护也更方便。更方便。101为了提高发动机的推力，必须要提为了提高发动机的推力，必须要提高涡轮前的温度，而这将会使发动机的高涡轮前的温度，而这将会使发动机的寿命大大缩短。解决这一问题的最佳方寿命大大缩短。解决这一问题的最佳方法就是发展新一代的高温材料，提高发法就是发展新一代的高温材料，提高发动机部件的耐热能力。目前，人们正在动机部件的耐热能力。目前，人们正在研制热塑性复合材料、高温钛合金、陶研制热塑性

58、复合材料、高温钛合金、陶瓷基复合材料和碳瓷基复合材料和碳- -碳复合材料。预计碳复合材料。预计到到20102010年，发动机上各种复合材料的用年，发动机上各种复合材料的用量会大量增加。量会大量增加。102（一）、材料对飞机的影响及飞机对材料的要求（一）、材料对飞机的影响及飞机对材料的要求（二）、飞机材料的发展变化（二）、飞机材料的发展变化（四）、发动机材料选用（四）、发动机材料选用（三）、飞机用新材料发展（三）、飞机用新材料发展103104（一）、材料对飞机的影响及飞机对材料的要求（一）、材料对飞机的影响及飞机对材料的要求 飞机性能一半取决于设计飞机性能一半取决于设计, ,另一半取决于材料另一

59、半取决于材料。材。材料的优劣对速度、高度、航程、机动性、隐身性、服役料的优劣对速度、高度、航程、机动性、隐身性、服役寿命、安全可靠性、可维修性等性能起无可置疑的重大寿命、安全可靠性、可维修性等性能起无可置疑的重大影响。现代和未来飞机在高速化、机动化、隐形化、智影响。现代和未来飞机在高速化、机动化、隐形化、智能化、微型化、无人化、电子化等方面的发展都离不开能化、微型化、无人化、电子化等方面的发展都离不开航空材料的相应发展。飞机对结构材料的性能要求是多航空材料的相应发展。飞机对结构材料的性能要求是多方面的方面的, ,首先是首先是“比强度比强度”, ,即强度与密度之比即强度与密度之比, ,同时综同时综合考虑其他性能合考虑其他性能, ,例如例如“比刚度比刚度”、断裂韧度、疲劳强、断裂韧度、疲劳强度、耐热性、耐蚀性度、耐热性、耐蚀性等。对于功