《飞机金属结构》-第七章 飞机结构中复合材料的应用

知识目标[1] 掌握复合材料的定义、组成与命名；[2]熟悉复合材料的分类；[3] 了解复合材料的特点；[4] 掌握聚合物基复合材料的常用增强体和基体；[5] 了解金属基、陶瓷基复合材料的性能特点及应用；[6] 了解碳/碳复合材料的性能特点及应用。学习目标技能目标

[1]掌握先进复合材料飞行器上的应用。素质目标

[1] 具有较强的自我学习、自我调整能力，具备创新意识；[2]养成热爱科学、实事求是的学风。学习目标主要内容一、先进复合材料二、聚合物基复合材料三、非聚合物基复合材料一、先进复合材料1.复合材料的组成与命名

（1）组成

复合材料是由两种或两种以上材料独立物理相，通过复合工艺组合构成的新型材料，基本单元一般是由增强体、基体和界面三个单元构成。

（2）命名1）强调基体时以基体材料的名称为主。如树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等；2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。如玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、陶瓷颗粒增强复合材料等；3）基体材料名称与增强体材料并用。

目前复合材料命名的主要形式为：“增强体”+“/”+“基体”+“复合材料”，如：“玻璃纤维增强环氧树脂复合材料”，或简称为“玻璃纤维/环氧树脂复合材料或玻璃纤维/环氧”。一、先进复合材料2.复合材料的分类

（1）按增强相的结构形态与特征分类1）定向纤维复合材料：所有的纤维都是相互平行排列的2）连续（长纤维）或不连续纤维（短切）复合材料3）编织复合材料：包括二维和三维编织体

（2）按增强相的材料种类分类1）碳纤维复合材料2）玻璃纤维复合材料3）芳纶纤维复合材料4）陶瓷纤维复合材料5）金属纤维复合材料一、先进复合材料2.复合材料的分类

（3）按基体材料分类1）金属基复合材料2）聚合物基复合材料3）陶瓷基复合材料

（4）按材料作用分类

1）结构复合材料：以承受载荷为主要目的。主要使用力学性能，以满足高强度、高模量、耐冲击、耐磨损的要求。2）功能复合材料：主要使用功能特性，利用其在电、磁、声、光、热、阻尼、烧蚀等方面的特殊性能。如压电功能复合材料、阻尼功能复合材料、磁性复合材料等。一、先进复合材料3.复合材料的特点与金属材料相比，飞机上采用复合材料，主要是因为先进复合材料具备其独特的优点：

（1）高的比强度和比模量

（2）耐疲劳性能好

（3）安全性能好

（4）减震性好

（5）具有多种功能性：优良的导热、导电性能，热膨胀系数小、尺寸稳定性好，耐磨性好，优良的耐腐蚀性能，良好的高温性能。一、先进复合材料3.复合材料的特点复合材料与传统材料相比，也有限制其应用的缺点：

（1）材料昂贵；航空用高性能纤维、晶须等材料价格昂贵，且复合材料构件的质量控制非常严格，导致复合材料生产成本远高于传统材料；

（2）能量吸收能力差，易发生冲击损伤；特别是层叠复合材料，在受到冲击时，在内部易产生大范围基体开裂和分层，而外表面往往牧师不可见，但压缩承载能力已大幅度下降；

（3）与金属材料进行连接时，容易造成腐蚀问题，特别是在使用碳或石墨纤维时，必须采用相应的防腐措施。二、聚合物基复合材料1.优势（1）减重：由于比强度比模量大，且结构一体化更易实现，减少了连接数量和紧固件数量，因此聚合物基复合材料结构比铝合金结构减重15%-20%；

（2）性能提升：聚合物基复合材料结构气动外形更光滑，对服役环境的适应性增加，结构降噪性、阻燃性更好；

（3）修理费用降低：由于聚合物基复合材料的疲劳抗力更好，抗腐蚀能力更强，耐磨性更好，使维修周期更长，修理次数减少，修理费用更低。二、聚合物基复合材料2.组成（1）增强纤维二、聚合物基复合材料2.组成（1）增强纤维

1）玻璃纤维

玻璃纤维的常见等级主要是“C”、“A”、“E”和“S”，代表玻璃纤维中的碱金属含量，“A”代表普通，碱金属含量为15%，“C”代表中碱，碱金属含量为11.5%~12%，“E”代表无碱，碱金属含量小于0.5%，“S”代表高强，碱金属含量微量。二、聚合物基复合材料2.组成（1）增强纤维

2）碳纤维二、聚合物基复合材料2.组成（1）增强纤维

3）芳纶纤维二、聚合物基复合材料2.组成（2）树脂基体

树脂基体是聚合物基复合材料的重要组分，树脂基体的性能直接决定了结构的使用温度、压缩性能、层间剪切强度、耐湿热性能和抗冲击能力等重要性能指标。二、聚合物基复合材料2.组成（2）树脂基体-热固性树脂1）环氧树脂

最早应用于飞机复合材料结构中的树脂基体，目前飞机结构中应用最广泛。性能特点有：①在93℃下使用，力学性能好；②与各种纤维匹配性好；③耐化学腐蚀性、耐湿热性能较好；④成形工艺性优良：种类丰富、固化温度范围广、铺覆性好、树脂粘度适中、流动性好、固化收缩率较小，可做成多种预浸料；⑤属于脆性材料，但增韧环氧经过改性后，抗损伤能力有所提高；⑥机械加工性，制孔、切削性良好，易维护、修理；⑦价格便宜。二、聚合物基复合材料2.组成（2）树脂基体-热固性树脂2）聚酰亚胺树脂

是目前最高高性能树脂基复合材料中耐热性最高的树脂基体之一，可在250～300℃长期使用，350℃短期使用。目前已成功应用于飞机发动机的外涵道、中介机匣、导向叶片、尾喷口区域的热端等部位。3）双马来酰亚胺树脂

一种特殊的聚酰亚胺体系，最高使用温度在177~230℃具有很高的强度和刚度，但脆性较大，通过改性，韧性得到了提升，能很好的适应新一代战斗机对复合材料树脂基体提出的使用温度要求，但不能用于主承力件。4）聚酯树脂

可在室温及大气压力下固化，可用于与玻璃纤维复合，形成雷达波穿透性非常好的结构材料，应用于飞机雷达罩。二、聚合物基复合材料2.组成（2）树脂基体-热塑性树脂二、聚合物基复合材料3.在航空中的应用（1）在军机中的应用二、聚合物基复合材料3.在航空中的应用（2）在民机中的应用二、聚合物基复合材料3.在航空中的应用（3）在直升机中的应用三、非聚合物基复合材料1.金属基复合材料金属基复合材料与金属材料本身相比具有以下特点：（1）耐高温（部分金属基体可耐1100℃以上的高温）；（2）热膨胀系数较低；（3）耐磨性好，尤其是陶瓷纤维、晶须、颗粒增强的金属基复合材料；（4）对潮湿敏感度较低，但对腐蚀敏感度较高；（5）导电性能和热导率较高；（6）对辐射的敏感度低；（7）无气体污染物；（8）制造困难，制备工序复杂，需要高温、高压、真空等条件，切削加工困难，限制了其应用。（9）价格昂贵。三、非聚合物基复合材料1.金属基复合材料（1）铝基复合材料1）颗粒增强铝基复合材料

常见的增强颗粒有SiC、Al2O3，加入后复合材料的弹性模量、屈服强度和拉伸强度都得到了明显提高，但延伸率也显著降低。2）纤维增强铝基复合材料

碳纤维增强铝基复合材料是金属基复合材料总研究较多，应用较广的一种复合材料，碳纤维是应用较多的增强体，它比强度、比模量高，导电、导热性较好，高温强度及高温下尺寸稳定性好等优点，在航天航空领域得到了广泛应用，如螺旋桨、叶片基火箭、卫星、飞机上的各类部件等。三、非聚合物基复合材料1.金属基复合材料（2）钛基复合材料

钛基复合材料以其高的比强度、比刚度和耐高温性能在宇航和航天领域具有广泛的应用前景。

目前，钛复合材料用以代替传统钛合金和不锈钢、高温合金，可取得减重40％的效果，除在军用发动机压气机应用外，还可在低压涡轮和尾喷口应用。三、非聚合物基复合材料2.陶瓷基复合材料

相较于树脂基复合材料和金属材料，陶瓷基复合材料优点有：

（1）极高的使用温度，通常可到500~1500℃；（2）极好的耐潮湿、耐腐蚀环境性；（3）低导热、低导电；（4）热膨胀率极低；缺点：（1）陶瓷基体的高熔点和脆性，导致其制造困难且成本高；（2）连接困难；（3）拉伸强度低、抗冲击性能差、韧性较低；（4）在低应变水平容易出现基体微裂纹。

最有前景的陶瓷基复合材料是SiC纤维/SiC、Al2O3纤维/Al2O3。目前，陶瓷基复合材料已被用于民用、军用飞机、高速铁路的刹车系统。三、非聚合物基复合材料3.碳/碳复合材料

即碳纤维增强碳基体复合材料，最初出现于1958年是为了满足航天工业需要而发展起来的一种新型高温结构材料。它以碳纤维作为增强体，以石墨作为基体，化学组成