1.5 聚合物基复合材料的应用.ppt

新材料的研究与应用一直是当代高技术的主要内容之一，材料科学是当代整个科学技术的前沿，材料的复合化是研制新材料的重要手段。 复合材料的三大应用领域： 航空航天领域：约占18%； 体育休闲用品：约占37%； 各类工业应用：约占45%。 1.5.1 先进复合材料在军机上的应用 飞机设计及其性能的不断提高一直与采用性能优异的新材料尤其是ACM密切相关。 ACM：先进复合材料。ACM中大量应用的是碳纤维复合材料(CFRP)：高比强、高比模。 先进复合材料在飞机结构上的应用大致分为3个阶段。30多年来走过了一条由小到大，由弱到强、由少到多、由结构到功能的发展道路。三个阶段具体如下： 1、第一阶段 用于舱门、口盖、整流罩以及襟、副翼、方向舵等操纵面上。受力较小、规模较小，于60年代末~70年代初完成。 2、第二阶段 用于垂尾、平尾等受力较大、规模较大的尾翼一级部件，自70年代初始，至今仍在延续，现军机尾翼一级部件已均为复合材料。 其中F-14的硼/环氧复合材料平尾于1971年前后研制成功，是复合材料发展史上一个重要里程碑，此后则有F-15、F-16、F-18、B1-B、幻影2000和幻影4000等，此时复合材料用量一般不超过结构总重的5%。 3、第三阶段 代表了近况，用于机翼、机身等主要受力结构上、受力很大、规模很大。 其中美国麦道飞机公司于1976年率先研制F-18的复合材料机翼，并于1982年进入服役，把复合材料用量提高到了13%，此后该公司又将复合材料用于AV-8B的机翼和前机身上，其用量为26%，使复合材料在飞机上的应用跨入了第3个阶段，自80年代初始至今。 目前军机上复合材料用量占结构总重的20~50%左右不等。 F/A-22“猛禽”的复合材料应用： 目前世界上唯一的4代战机（隐身、超音速巡航、推力矢量），F/A-22大量应用了复合材料，复合材料约占其结构总重的23～25%左右。 主要应用部位：机翼（蒙皮和部分梁）、垂尾、平尾及平尾大轴、前、中机身蒙皮等。 双马树脂体系：17.2%；环氧树脂体系：6.6%； 热塑性复合材料：0.4%； 首飞时间：1997年；交付使用：2003年1月；单价：1.2亿美元（不含研制成本）。 F-35 复合材料应用： F-35是美国最新研制的轻型、低成本、多用途、隐身战斗机，复合材料用量约为30～35%。 主要应用部位：机翼、机身、垂尾、平尾、进气道等。 用材体系：30%的碳/环氧、2%的碳/双马、2%玻纤/双马。大量用环氧树脂体系，强调低成本、因其Mmax=2。 研制费用达到绝对空前的2000亿美元，洛克希德.马丁主持，8国参与，素有“世界战斗机”之称。 受经费困扰，首飞时间从2005年秋延至2006年8月，到目前为止，尚未交付使用。 B-2轰炸机复合材料应用： 复合材料约占其结构总重的50%左右。 洛斯罗普公司研制，1989年首飞，能执行核轰炸和常规轰炸双重任务，单价高达22.2亿美元，是世界上迄今为止最昂贵的飞机。 机身采用翼身融合、无尾翼的飞翼构形，机翼前缘交接于机头处，机翼后缘呈锯齿形。 机身机翼大量采用石墨/碳纤维复合材料，表面有吸波涂层，发动机喷口置于机翼上方，独特的外形设计和选材，能有效躲避雷达的探测，达到良好的隐身效果。 最高时速0.85马赫，升限19000m，最大航程11000km。接到指令后，能在几小时内攻击世界上任何地区的目标。 1.5.2 先进复合材料在民机上的应用 民机既强调安全性、经济性，但也强调性能，继军机之后亦早于70年代初就开始了应用先进复合材料的进程。 1、大型民机 大型民机又称商用干线客机，在先进复合材料问世之初的70年代就开始了其研究应用，以美国而言大致可分为四个阶段： 第一阶段：受力很小的构件，如前缘、口盖、整流罩、扰流板等，该阶段约70年代中期结束。 第二阶段：受力较小的部件，如升降舵、方向舵、襟副翼等。 1975年NASA开始执行ACEE计划（飞机节能计划）：减重、节油、增加商载。该阶段约于80年代初结束。 第三阶段：受力较大的部件，如平尾、垂尾。仍在ACEE计划下执行，该阶段约于85年前后完成。 第四阶段：在生产型飞机上正式设计应用，如B757，B767，B7