材料科学导论课论文(cauc)

材料科学导论学生姓名:学号:专业:任课教师:纪朝辉时间:2014/11/6复合材料的发展现状及在航空业的应用摘要:材料是高新技术发展和现代文明的物质基础,材料科学一直是活跃的科学前沿。材料是人类文明发展的里程碑：历史上所谓石器-青铜-铁器时代，就以材料作为时代标志。材料是技术进步的关键。没有半导体材料,就不会有计算机；没有耐高温、高强、低容重的结构材料就没有宇航事业。而在当今材料的应用中，复合材料的应用是尤为重要的。下面说一下我对复合材料的一些认识及其在航空领域的应用。关键词：复合材料；发展现状；航空工业；金属；非金属；新型材料；材料性能；1.复合材料的组成复合材料由增强物和基体组成，增强物起着承受载荷的主要作用，其几何形式有长纤维、短纤维和颗粒状物等多种；基体起着粘结、支持、保护增强物和传递应力的作用，常采用橡胶、石墨、树脂、金属和陶瓷等。近代复合材料最重要的有两类：一类是纤维增强复合材料，主要是长纤维铺层复合材料，如玻璃钢；另一类是粒子增强复合材料，如建筑工程中广泛应用的混凝上。纤维增强复合材料是一种高功能材料，它在力学性能、物理性能和化学性能等方面都明显优于单一材料。2.复合材料的特性(1)复合材料的比强度和比刚度较高。材料的强度除以密度称为比强度；材料的刚度除以密度称为比刚度。这两个参量是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和比刚度较高说明材料重量轻，而强度和刚度大。这是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的重要要求。现代飞机、导弹和卫星等机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复合材料的比例。(2)复合材料的力学性能可以设计。即可以通过选择合适的原材料和合理的铺层形式，使复合材料构件或复合材料结构满足使用要求。例如，在某种铺层形式下，材料在一方向受拉而伸长时，在垂直于受拉的方向上材料也伸长，这与常用材料的性能完全不同。又如利用复合材料的耦合效应，在平板模上铺层制作层板，加温固化后，板就自动成为所需要的曲板或壳体。(3)复合材料的抗疲劳性能良好。一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40～50%，而某些复合材料可高达70～80%。复合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，没有突发性的变化。因此，复合材料在破坏前有预兆，可以检查和补救。纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能。用复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长数倍。(4)复合材料的减振性能良好。纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大，因此具有较好的减振性能。用同形状和同大小的两种粱分别作振动试验，碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属粱要短得多。(5)复合材料通常都能耐高温。在高温下，用碳或硼纤维增强的金属其强度和刚度都比原金属的强度和刚度高很多。普通铝合金在400℃时，弹性模量大幅度下降，强度也下降；而在同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的铝合金的强度和弹性模量基本不变。复合材料的热导率一般都小，因而它的瞬时耐超高温性能比较好。(6)复合材料的安全性好。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。(7)复合材料的成型工艺简单。纤维增强复合材料一般适合于整体成型，因而减少了零部件的数目，从而可减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体粘结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力很小。3．复合材料的发展复合材料是继钢铁、塑料之后从本世纪后期开始应用的新材料。因其具有比其基体更高的性能,并可按人们的不同设计和不同组合来获得不同性能,已在工农业、能源、交通、国防和高科技领域以及人民生活中占有相当重要地位,并正在扩大应用范围和不断创造新的复合材料种类。当前,美国、日本和以法国为代表的西欧都发展很快。我国虽然起步较晚,但近年来对复合材料的研制工作也已全面展开,并在某些方面已取得了相当水平的成果。然而在很多方面,我们仍处于开始阶段。（1）树脂基复合材料纤维增强塑料虽发展很快,并可部分替代传统材料,但它与传统材料竞争中还存在一些不利条件:(1因是新材料,其安全性、可靠性尚不高;(2成本较高;(3受各种法规束缚,限制应用范围。1981年日本将树脂类复合材料性能指标规定为:强度240kgf/mm2以上,耐热温度250℃以上(强度保持90%).FRP因其不被腐蚀,不易燃烧,当其失效而报废时成为环境公害,这势必随着FRP的发展给人们提出了如何处理废件问题。我国在FRP的研究和工业化制造方面与美欧和日本相比至少落后10～20年。近年我国科学工作者正在全面开展研究活动,在某些方面已接近了当前国际水平,已建成了一批专业生产厂家,并开始应用。但是我们在一些方面仍处于起步阶段。（2）金属基复合材料目前美国、法国、日本正在分别着眼于TiAl、CMC和C/C组合、TiAl和NbTi系金属间化合物或组合等方面开展研究活动。短纤维强化金属,主要有晶须强化铝合金,用于轻量结构件上,其耐热性和耐磨性均高于基体金属。如应用在汽车发动机活塞的滑动部件,其磨耗量大大减少。从而,改变了活塞头部设计,降低了引擎重量。日本1990年利用这种改进设计大批量生产活塞。同时这种复合材料在引擎的其它滑动部位也被使用。另外,近年以钢铁作为基体的复合材料在国外也正在开展研制。钢铁基复合材料的组合可以是金属-金属、金属-陶瓷、金属-树脂等方式。结合方式有纤维分散、粒子分散、包层、被覆等。其中包层结合是将不同种金属板以层状方式结合在一起。主要有不锈钢或钛钢板包层。这种包层板不但具有高的强度和良好的导热性、焊接性,而且还有高耐腐蚀性。复合方法常采用爆炸法或压延法。被覆结合是以钢作为基体,被覆层为陶瓷,这种新的复合材料兼有陶瓷的耐磨性、耐蚀性、耐热性和钢的高韧性、高强度特性。其被覆方法常采用CVD法和PVD法。常被用来被复硬质合金工具或核裂变炉衬等。（3）陶瓷基复合材料本世纪70年代在非氧化物陶瓷的领域中,随着先进的烧结技术的开发,难烧结的碳化硅和氮化硅的高密度、高强度的陶瓷制件制造成功,开始在鼓风机叶轮、轴承、切削工具上应用。但是,碳化硅与氮化硅制件与金属比较,虽然耐热、耐氧化性好,但断裂韧性和热冲击值低,所以工作可靠性较差。为解决这些问题而转向陶瓷基复合材料(CMC).CMC分为由连续纤维或晶须组合的纤维增强型和控制微观结构组成的粒子分散型两类。对前者,目前急于攻克的问题是要求在1500℃以上温度仍具高强度、高弹性。而对后者,为了发展微观尺寸效果，正在努力研究对创造粒子临界尺寸1一10nm的途径。4.复合材料在航空业的应用随着应用的进展，近40年来复合材料在技术上取得了长足的发展，并日趋成熟和规范。（1）设计鉴定的规范化和设计制造的一体化多铺层、多轴向和各向异性的复合材料设计有别于传统的金属结构设计，国外在材料许用值、结构设计值、连接计算分析，特别是胶接计算分析、结构稳定性分析、损伤容限设计分析、疲劳耐久性分析、气动弹性剪裁和分析、结构整理、“积木式“(BBA)方法的贯彻执行等方面有较好的进展。近年来他们正将复合材料的设计和鉴定文件化和规范化，使试验和分析更好地结构起来，编制全行业的技术标准，改进最终产品的一致性，建设共享数据库，加强软件建设，减少风险，降低成本。（2）先进的自动化制造技术生产制造商则集中发展了以白动铺带CATL,AutomatedTapeLying)和白动铺丝(AFP,AutomatedFiberPlacement)为核心的白动化制造技术。美国波音公司联合CinCinateMachine和Cytec公司共同努力，于1970年代开始研制白动铺带机，从铺窄带(7.62cm)到铺宽带(30.48cm)再到铺曲面，已研发生产了3代铺带机，并早于1983年投入生产使用，F16的80%的蒙皮件，F22的机翼壁板，B777,B787零件等均由其制造。（3）降低复合材料制造成本技术大力发展复合材料的大规模整体成型技术和广义的RTM技术是降低复合材料制造成本的关键。由美国国防部发起并联合工业界共同执行的低成本复合材料计划CAI(CompositesAffordabilityInitiative，前后共执行10年(1996^-2007年)。该计划将大型整体结构成型列为其重要内容，大力发展以共固化/共胶接技术为核心的整体成型技术，利用复合材料宜于整体成型的优点和特点，大量减少零件数目和紧固件数量，从而减轻结构质量和降低成本。重点研发了胶接技术，包括胶接工艺、胶接可靠性及其评定技术、胶接计算分析、胶接剂研发等多项技术。5.总结随着航空航天技术的飞速发展，对材料的要求也越来越高，一个国家新材料的研制与应用水平在很大程度上体现了其国防和科研技术水平，因此许多国家都把新型材料的研制与应用放在科研工作的首要地位新型航空航天器的先进性标志之一是结构先进性，而先进复合材料是实现结构先进性的重要基础和先导技术我国将成为川_界上先进复合材料的最大用户，却而临着我国技术贮各的严重小足以及国外技术封锁等考验因此，要实现我国先进复合材料研制和应用的可持续发展，必须坚持自主创新原则，解决原材料问题，低成本技术问题以及材料新型开发问题。参考文献:[1]朱剑等著.复合材料及其发展概况[j].科技咨询导报.2007(06)[2]王维新；王剑；赵志忠等著.复合材料及其发展现状[j].辽宁工学院学报.1996(03)[3]陈绍杰等著.复合材料技术发展及其对我国航空工业的挑战[j].高科技纤维与应用.2010(01)[4]王恩青；张斌等著.复合材料在航空航天中的发展现状和未来展望[j].科技信息.2011(33)[5]刘彩棉等著.浅析21世纪材料的发展前景[j].科技信息.2010(05)