先进复合材料在航空航天舰船上的应用.ppt

1、先进复合材料在航空航天，舰船上的应用,复合0802 谢骏,1 先进复合材料在航天器中的应用,航空航天器材料的应用要求： 航空航天器不仅要求具有一定的先进性和极高的可靠性（特别是载人航天器），而且要求尽量减轻结构重量，以增强有效载荷。如航天飞机固体火箭助推器采用石墨/环氧复合材料取代钢壳体，可减重量30%，使航天飞行运输能力增加2.1吨，因此要求材料具有极佳的综合性能，特别是高比强度、比刚度，足够的断裂韧性等。 航空航天器需要在大气层空间高速飞行，同时要防止敌方探测或攻击，因此要求具有耐高温、耐真空、耐腐蚀、耐冲击、抗粒子云、抗核辐射、抗激光、抗噪声、隐身等多种功能。 航空航天器性能先进，造价昂

2、贵，又要求材料尽可能减少研制、生产和加工费用，或为节约战略资源而选用代用材料。随着航空航天事业的迅猛发展和现代立体战争的出现，具有优异性能的复合材料的应用比率不断增加。,复合材料具有质量轻，较高的比张度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、减振、耐高(低)温，独特的耐烧蚀性、透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点，被大量地应用到航空航天等军事领域中，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。 代表航空航天技术开发水平的一个重要标志是看复合材料使用数量的多少。,减轻航天器质量,航天器的质量是其性能的重要影响因素。 导弹/火箭质量越轻，自然飞行速度越快

3、，射程也越远。,导弹壳体材料对射程的影响,减轻航天器质量,对于多级火箭，其质量主要集中在各级发动机、级间段和连接器上，因此减重的着眼点也在此。目前复合材料在上述部位已大显身手。 美国通用动力公司的康维尔宇航分公司设计的直径为2.13m、高为2.34m的“阿特拉斯”5导弹连接器，除口盖采用金属材料外，其他部位都采用碳纤维增强环氧树脂复合材料。它比同样设计的铝结构材料轻42.6kg，减重约44%。 此外，采用碳纤维增强聚酰亚胺树脂复合材料可制造火箭的仪器舱等。无疑，这些碳纤维增强复合材料结构件将使其质量大大减轻，从而提高其射程并改善其性能。 我国在“风云二号气象卫星”及“神舟”系列飞船上均采用了碳

4、/环氧先进复合材料做主承力构件，大大减轻了整星的质量，降低了发射成本。,航天飞机的轨道飞行器有效载荷舱门也是用碳纤维增强塑料制成的。这个大型制件的半径为2.7m，高2m，长18.3m，整个舱门重1451.5kg，比铝制件降低430.9kg，减重23%。,碳纤维复合材料还可用作卫星的太阳能电池板。例如，德国MBB公司研究一种功率在千瓦以上的伸长式“硬”太阳能电池板，采用碳纤维增强铝芯夹层结构，在横向加速条件下，太阳能电池板承受的挠度仅有55mm，而且大大减轻了质量。,卫星在轨道上飞行时，要经得起太空环境剧烈的温度交变（白天100，夜间- 100 ），以及阳面与阴面的温度差。 碳纤维复合材料的热膨

5、胀系数小，可满足这种环境的要求。,适应空天环境,美国F-22猛禽战机,1997年服役，目前世界性 能最佳的制空战机之一 55%机身采用高強度、低重量 的复合材料 估计单价超过 2 亿美元,2 复合材料在航空中的应用,飞行器发展史也可以看成是材料应用的发展史，每当一类新型的、高性能飞机出现，都可证明是新材料的研究与应用发展的结果。当代飞机系列分析表明，往往可以用复合材料的用量多少来判断飞机的先进性。,航空发动机材料发展预测,先进复合材料在航空发动机上的应用,美国通用电器飞机发动机事业集团公司(GE-AEBG)和惠普公司等，都在用先进复合材料取代金属制造飞机发动机零部件，包括发动机舱系统的许多部位

6、推力反向器、风扇罩、风扇出风道导流片等都用先进复合材料制造。如发动机进气罩的外壳是由美国聚合物公司的碳纤维环氧树脂预混料(E707A）叠铺而成，具有耐177 高温的热氧化稳定性，壳表面光滑似镜，有利于形成层流。又如FW4000型发动机有80个149 的高温空气喷口导流片，也是碳纤维环氧预浸料制造的。,4、先进复合材料在舰船上的应用,舰船材料（尤其是结构材料）的应用与发展是与舰艇的航海特性、作战能力和海洋环境密切相关的。 对舰船材料的基本要求包括高强度、低密度，足够的韧性，良好的耐海水腐蚀和应力腐蚀性能和加工性能及其他各种特殊功能。 近年来，随着各类舰船的不断改进，对先进复合材料的需求也日趋提高

7、。,复合材料作为舰船材料具有如下特点： 质轻，优良的机械性能； 抗疲劳性好，一般金属材料的抗疲劳极限为抗拉强度的40%50%，而碳纤维塑料强度是70%80%; 无磁性，在很大的磁场中也不会被磁化，因此复合材料舰船不易被对方磁探仪发现，可使装磁引信的水雷或鱼雷失效，可以避免磁性雷的攻击，具有很好的反监护作用； 耐腐蚀性好，在酸性、碱性及众多恶劣环境中具有良好的耐腐蚀性。用复合材料制造舰船，不用涂漆，在海水中航行几年也不会生锈，能减少涂油漆等维修费用，使用年限长； 具有可设计性，可根据性能需求，选择不同聚合物和增强材料以及不同的配方、成型工艺等达到不同的性能，可根据舰船不同部位的结构要求，进行材料

8、、铺层和结构的优化设计。 在复合材料的成型过程中，同时形成了制品的结构，可大大减少车、铣、刨、磨等机械加工过程和装配过程，使船壳和构件的整体性好，无接缝或少接缝，无渗漏，提高了舰船的性能。,20世纪70年代以来，具有高比强度的复合材料逐步跨入舰船结构应用领域，引起了舰船结构的新变革。 首先大量应用于中小舰船的是玻璃纤维增强塑料即玻璃钢，这类材料具有比强度高、冲击韧性好（防弹性强），耐海水腐蚀及耐酸、碱、油和海洋生物污损，无磁性（可防磁性水雷攻击和雷达探测）等若干优点，可用于建造扫雷艇、巡逻艇、登陆艇和深潜器等。 美国海军于1946年建成了长8.53m的世界第一艘玻璃纤维增强聚酯材料交通艇，就此

9、拉开了复合材料造船的序幕。这之后，为了加快玻璃钢船艇的发展，美国海军在上世纪50年代中期就规定16m以下的舰艇必须用复合材料制造。前苏联在1972年建造了长43米的玻璃钢船体扫雷艇。英国也于70年代末建造了长60米、排水量625吨的玻璃钢扫雷艇。同时，美、英、前苏联均建造了玻璃钢耐压壳体深潜器，下潜深度可达914米。,4、先进复合材料在舰船上的应用,4、先进复合材料在舰船上的应用,后来各国又开发了难熔树脂基体的玻璃钢船体。20世纪80年代末美国建造的MHC-1级猎/扫雷艇，90年代初建成了玻璃钢沿海猎雷艇“Osprey”号，舰体均采用高级间苯聚酯树脂。 自上世纪70年代中期起，各国又相继采用碳

10、纤维和凯夫拉纤维增强塑料建造的巡逻艇，船体减重20%30%。如美军采用凯夫拉49增强复合材料建造了长达14.3米，船速达60km的巡逻艇；英国和意大利于80年代中期也采用这种材料试制了高速军用艇。,由美国国防部部队转型办公室设计并建造的，2006年2月初下水的美国海军最新型高速隐形试验快艇代号M80的“短剑”（Stiletto），是美国使用碳纤维复合材料一次成型制造的最大船体，在整体制造成形过程中不用焊接，更无需铆接，因此船体外表十分光滑，重量也大为降低。该艇长为24.4m，宽为12.2m，吃水为0.9米，排水量为67t。 该艇独特的双“M”船体设计以及碳纤维材料的使用，不但使其获得了高速，也

11、使其行驶过程中的稳定性更高，高速行驶中的沉浮现象大大减轻，即使在高速回转时，依然可以保持平稳行驶，从而增加了艇员的舒适度，提高了艇的适航安全性，扩大了在内河和地形复杂的浅海使用范围。与此同时，由于其阻力的降低也使得“短剑”比普通快艇更加节省燃料。,美国海军“短剑”新型 高速隐形试验快艇,瑞典考库姆船厂制造的“维斯比”轻型护卫舰 于2000年6月8日下水，全长73m，舰宽为10.4m，吃水深度为2.4m，排水量为600t。 该舰的舰体、甲板和上层建筑基本都是碳纤维增强塑料夹层板制成的。这种材料不仅结构坚实,而且无磁性,有利于降低舰船产生的磁场,并有良好的抗震性能,而且可以绝热,对舰艇内各种机械设备产生的红外辐射有较好的屏蔽作用。这使得“维斯比”舰被敌方探测的距离可缩短至13km 以内。,维斯比级隐身轻型护卫舰,4、先进复合材料在舰船上的应用,德国开发出碳纤维环氧树