树脂基复合材料在航空航天领域的应用

2016树脂基复合材料在航空航天中的应用田露2016.03.09主要内容1、引言2、树脂基复合材料的应用3、结语7.82.84.521.451.61.42.12.650246810钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料密度复合材料的性能比较31、引言00.20.40.60.811.21.41.61钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料拉伸强度401231钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料弹性模量500.511.5212钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料比强度比模量6高性能树脂基复合材料以其典型的轻量特性，卓越的比强度、比模量，独特的耐烧蚀和隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等受到世界各国的青睐。采用复合材料可实现武器系统的轻量化，从而提高快速反应能力，并在高威力、大射程、精确打击等方面起到巨大作用，尤其在以航空为主的国防工业已得到普遍应用。目前采用复合材料制造的零、部件现已成为航空、航天、兵器、船舶等国防产品结构的主要组成部分。2、树脂基复合材料的应用在军事领域的应用在民机上的应用在航空发动机上的应用在卫星结构中的应用飞机结构复合材料用量是飞机先进性的重要标志F2225%F3535%EF200040%F162%军机应用2.1在军事领域的应用Tiger80%直升机应用V-2250%无人机应用•全球鹰（GlobalHawk）•捕食者(Predator）•暗星（DarkStar）•先锋（Pioneer）•搜索者（Searcher）X-45C90%Predator为满足新一代战斗机高机动性、超音速巡航及隐身的要求，进入20世纪90年代以后，美国战机无一例外的大量采用了复合材料结构，用量一般都在20%以上，有的甚至达到35%，结构减重效率达30%。复合材料应用部件几乎遍布飞机的基体，包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。图1给出了战斗机典型的复合材料部件。图1战斗机上典型的复合材料部件F-18战斗机15F-18是一种舰载战斗机，绰号“大黄蜂”．162.2在民机上的应用因为材料的选择将直接影响到飞机的购买费用（原材料费用和加工成本）、燃油费用（飞机重量）和维护费用（检查和维修），所以在民用飞机的设计当中，对材料的选择非常关键。图2给出了典型的民用飞机直接运营成本的分解情况，从图中可以看出，民机的选材将直接影响民机的运营费用。师姐表明，用树脂基复合材料制造飞机部件比传统航空材料通常减重20%-30%,使用和维护成本比金属材料低15%-25%。图2飞机运营成本分解图除了费用以外，安全因素也是民用飞机设计选材时必须考虑的重要因素，任何一种新材料在民用飞机上的应用都是漫长的（常为5-10年）和昂贵的（为常用材料的1-5倍）。但是，航空安全对材料性能的苛刻要求又促使先进材料的发展，迫使工业界采取最先进的制造技术来提高材料的性能和降低成本。民用飞机中复合材料部件的使用率一直在不断增加。民机应用——A380•复合材料22%•Glare3%•铝61%•钛和钢10%•其他5%波音767客机2122CarbonlaminateCarbonsandwichFiberglassAluminumAluminum/steel/titaniumpylonsComposites50%Titanium15%Other5%Steel10%Aluminum20%PrimaryStructureWeightbyMaterial机身结构机翼结构民机应用——B787Boeing787第一个全尺寸复合材料机身段，长7m宽6m，减重20%民机应用——B787机翼结构中央翼盒5%Titanium15%Aluminium15%Steel65%Composites15%Steel65%Aluminium15%CompositesTitanium5%2000年2020年（预测）应用趋势——复合材料成为飞机结构最为重要的基本材料飞机机体结构材料2.3在航空发动机上的应用随着航空发动机性能不断提高，特别是质量不断减轻，在依靠整体叶盘、整体叶环、空心叶片和对转涡轮等新颖结构的同时，还将越来越多的依赖于高比强度、低密度、高刚度和耐高温能力强的先进复合材料，见图3。经过多年的实验和经验积累，航空发动机上越来越多的部件采用复合材料部件，而且各国纷纷都向这个方向努力。图3发动机主体材料用量的变化趋势2.4在卫星结构中的应用树脂基复合材料在卫星结构中应用的部位一般归纳为4类：1）卫星本体结构，包括卫星外壳、中心承力筒、各种仪器安装结构板；2）太阳电池阵结构，包括太阳电池基板和连接架；3）天线结构，包括反射器、支撑结构和馈源结构；4）桁架结构，包括接头和杆件等。上述4类卫星结构部件广泛应用树脂基复合材料，主要有碳/环氧复合材料、凯芙拉/环氧复合材料和蜂窝夹层结构件等，在卫星结构中基本应用情况见图4。图4卫星结构示意图卫星和空间站3、结语先进树脂基复合材料在航空工业中的应用是技术推动和需求牵引双重作用下的结果。一方面随着材料性能提高、工艺改进、成本降低等方面取得重大进展，先进树脂基复合材料在航空工业中的应用更加广泛，从而提高了军民用飞机及发动机的技术性能和经济性能；另一方面新一代军民用飞机及发动机的发展又对材料性能提出了更高要求，迫使工业界采取最先进的设计和制造技术来提高材料的性能和降低成本，从而又促使先进树脂基复合材料的发展。所以，随着材料技术的发展和新型飞行器的研制，先进树脂基复合材料将在航空工业中得到越来越广泛的应用。