先进材料在飞机上的应用

天津中德职业技术学院毕业设计（论文）论文题目：先进复合材料在飞机上的应用与发展系（部）:航器系专业:飞机制造（机电一体化）班级：13飞机2班姓名：赵佳伟学号：13033040218指导教师：丁娜仁花(2015年4月)航空航天与汽车学院毕业设计（论文）-2-摘要本论文主要阐述了先进材料在飞机上的应用。首先介绍了先进材料的分类及其特点；其次对先进材料在飞机上的应用作了说明；在各章节列举例子（A380客机）上的先进材料进行了了具体分析。关键词：先进材料的分类、先进材料在飞机上的应用（新型且先进的金属材料、复合材料）、先进材料的加工技术（GLARE技术、激光焊技术）、举例A380客机上的新型材料分析。AbstractThispapermainlyexpoundstheadvancedmaterialsintheplaneoftheapplication.Firstlyintroducestheclassificationofadvancedmaterialsanditscharacteristics,Secondofadvancedmaterialsintheplaneoftheapplicationareexplained;Ineverychapterenumeratedexample(A380)oftheadvancedmaterialshowconcreteanalysis.Keywords:Advancedmaterialsclassification,advancedmaterialsintheplaneoftheapplication(newandadvancedmetalmaterials,compositematerials),advancedmaterialsprocessingtechnology(suretechnology,laserweldingtechnology),forexampleA380ofnewmaterialanalysis.-3-目录第一章.先进材料在上的应用..................51.1先进材料的概述.....................51.2传统飞机的材料....................61.3现代飞机上的新型材料.................6第二章.新型且先进的金属材料..................72.1高温合金.......................72.2铝合金.........................82.3钛合金...........................102.4.超高强度钢.......................错误!未定义书签。2.5新型且先进的金属材料在飞机上的应用..........错误!未定义书签。第三章.复合材料........................123.1复合材料的介绍........................123.2复合材料的分类.......................错误!未定义书签。3.3树脂基复合材料的发展史....................143.4先进复合材料工业上通常使用环氧树脂的品种、性能和特性.错误!未定义书签。3.5复合材料在飞机上应用.....................153.5.1应用先进复合材料可以显著提高战斗机作战性能.....153.5.2应用先进复合材料可以明显增大军用运输机有效载重量..163.5.3应用先进复合材料是高超声速飞行器能否上天的关键因素163．5.4应用先进复合材料能大幅增加无人战斗机载油量....173.5.5应用先进复合材料可以极大提升民用飞机市场竞争力...173.5.6应用先进复合材料在减重的同时改善了直升机抗坠毁性….173.5.7．先进复合材料在航空发动机上也得到成功应用......193.5.8先进战斗机用复合材料树脂基体...........错误!未定义书签。3.5.9飞机结构受力构件用的高性能环氧树脂复合材料.....错误!未定义书签。-4-3.5.10民用大飞机复合材料................213.5。11国内大飞机复合材料现状...............233.5.12国产大飞机的软肋还是技术问题............错误!未定义书签。第四章.先进材料的加工技术..................274.1先进材料的加工技术的介绍...............274.2先进材料的加工技术的分类...............274.2.1．GLARE技术....................274.2.2.激光焊技术.....................29第五章结论..........................31结束语..............................错误!未定义书签。谢辞.............................-31-参考文献...........................-31--5-第一章先进材料在飞机上的应用1.1先进材料的概述飞机的寿命要达到40-50年，因此必须选用先进且新型材料和工艺技术，为未来飞机搭建技术平台。这些技术不仅经过了大量全尺寸试验验证而且经过了航空公司维修专家的评审（符合检查和维修标准）。A380结构设计准则（图1）。重复的拉伸载荷加上载荷的变化将会在金属结构内产生微小的疲劳裂纹。裂纹增长速度以及残余强度（当裂纹产生时）将指导选择何种材料。为了防止结构由外物损伤，需要考虑材料的损伤容限性能。-6-图1A380机身及尾翼结构的一般结构设计准则压力载荷需要考虑采用屈服强度和刚度好的材料，以增加稳定性。抗腐蚀能力是选择材料和工艺的另一个重要准则，尤其是在机身下部。选择材料和工艺目标的一部分是使结构轻量化。因此，复合材料是很好的选择，但必须了解设计准则和维修需要。材料的选择不仅仅是考虑设计准则，同时还要考虑生产成本和采购问题。1.2传统的飞机材料飞机材料的范围较广，分为机体材料（包括结构材料和非结构材料）、发动机材料和涂料，其中最主要的是机体结构材料和发动机材料。非结构材料包括：透明材料，舱内设施和装饰材料，液压、空调等系统用的附件和管道材料，天线罩和电磁材料，轮胎材料等。非结构材料量少而品种多，有：玻璃、塑料、纺织品、橡胶、铝合金、镁合金、铜合金和不锈钢等。1.3现代飞机上的新型材料机翼是飞机的主要部件，早期的低速飞机的机翼为木结构，用布作蒙皮。这种机翼的结构强度低，气动效率差，早已被金属机翼所取代。机翼内部的梁是机翼的主要受力件，一般采用超硬铝和钢或钛合金；翼梁与机身的接头部分采用高强度结构钢。机翼蒙皮因上下翼面的受力情况不同，分别采用抗压性能好的超硬铝及抗拉和疲劳性能好的硬铝。为了减轻重量，机翼的前后缘常采用玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）或铝蜂窝夹层（芯）结构。尾翼结构材料一般采用超硬铝。有时歼击机选用硼或碳纤维环氧复合材料，以减轻尾部重量，提高作战性能。尾翼上的方向舵和升降舵采用硬铝。飞机在高空飞行时，机身增压座舱承受内压力，需要采用抗拉强度高、耐疲劳的硬铝作蒙皮材料。机身隔框一般采用超硬铝，承受较大载荷的加强框采用高强度结构钢或钛合金。很多飞机的机载雷达装在机身头部，一般采用玻璃纤维增强塑料做成的头锥将它罩住以便能透过电磁波。驾驶舱的座舱盖和风挡玻璃采用丙烯酸酯透明塑料（有机玻璃）。飞机在着陆时主起落架要在一瞬间承受几百千牛乃至几兆牛（几十吨力至几百吨力）的撞击力，因此必须采用冲击韧性好的超高强度结构钢。前起落架受力较小，通常采用普通合金钢或超硬铝。从60年代末期开始，在飞机上使用的复合材料，已由当初只应用于口盖和舱门等非承力构件，逐步扩大应用到减速板和尾翼等次承力构件，而且正向用于机翼甚至前机身等主承力构件的方向发展。另外，为提高突防攻击能力、不被敌方雷达捕获，已在飞机上采用吸波材料.-7-第二章新型且先进的金属材料金属材料基本概念2.1.高温合金高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关，尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出很高要求，早期英国研制了Ni3(Al、Ti)强化的Nimonic80合金，用作涡轮喷气发动机涡轮叶片材料，同时，又相继发展了Nimonic系列合金。美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和Udmit等合金系列。在高温合金发展过程中，制造工艺对合金的发展起着极大的推进作用。由于真空熔炼技术的出现，合金中有害杂质和气体的去除，特别是合金成分的精确控制，使高温合金性能不断提高。随后，定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究成功，推动了高温合金的迅猛发展。其中定向凝固技术最为突出，采用定向凝固工艺制出的定向、单晶合金，其使用温度接近初熔点的90%。因此，目前各国先进航空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。从国际范围来看，镍基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。粉末高温合金也由第一代650℃发展到750℃、850℃粉末涡轮盘和双性能粉末盘，用于先进高性能发动机。我国高温合金随航空发动机的发展研制和生产需求而发展。我国高温合金的创业和起步于20世纪70年代前，由于我国第一、二代发动机的需求，我国研制和-8-发展了GH系列的变形高温合金以及K系列的铸造高温合金，同时发展了许多新的制造技术，如真空熔炼和铸造、空心叶片铸造、等温锻造等。70年代后，在高温合金的研制中，我国引进了欧美技术，按国外的技术标准进行研制和生产，对材料的纯洁度和综合性能提出了更高要求，研制了高性能变形高温合金、铸造高温合金。尤其是DZ系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的单晶合金的研究与发展，使我国高温合金在生产工艺技术和产品质量控制上了一个新台阶。近几年来，根据新型飞机的研制发展需求，我国高温合金研发又进入新阶段。通过新材料、新工艺的发展和应用，我国研制和生产了一系列高性能新合金。2.2.铝合金铝合金的比强度和比刚度与钢相似，但由于其密度较低，在同样的强度水平下可提供截面更厚的材料，在受压时的抗屈曲能力更佳，因此铝合金成了经典的飞机结构材料。20世纪80年代末至90年代中期，精密热处理技术及合金成分精确控制等关键技术取得突破，第四代耐损伤铝合金2524-T3和7150-T77研制成功，这是航空铝合金研究跨时代的进步。传统铝合金因此完成了向高性能铝合金的里程碑式大发展。在第四代铝合金技术发展的同时，铝锂合金也被运用在先进的特大型民用飞机上。空客A380选用铝锂合金制造地板梁，空客A350选用铝锂合金制造机身蒙皮和地板结构等，其用量预计高达总结构重量的23%。第四代铝合金技术研制成功之后，国际上正在进行低成本铝合金的研制开发工作。下面从A380选材的分布来看一下（图2）.铝合金占的比重最大，达机体结构重量的61%，因此要实现性能改进，必须-9-开发创新的铝合金材料和工艺技术，具体是提高强度和损伤容限，加强稳定性并提高抗腐蚀能力。尤其是在A380机翼部位（机翼的80%以上是铝合金材料）要提高性能。A380-800飞机在铝合金结构上取得的主要成就包括：1.在机身壁板上引用了很宽的钣金材料，减少了连接件从而减轻了重量在主地板横梁上采用了先进的铝锂合金挤压件，在这一部位的应用可与碳纤维增强塑料相媲美。2.在机翼大梁和翼肋上选择了新型7085合金，这种合金在很薄的板材和很大锻件上性能优于通常的高强度合金；钛合金由于具有高强度、低密度，高损伤容限和抗腐蚀能力使其代替钢而广泛应用，但是它的高价格使其应用受