树脂基复合材料在航空航天领域的应用
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
弹性模量
5
2 1.5 1 0.5 0
比强度
比模量
钢 1 2 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
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。
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。
民机应用——A380
• • • • • 复合材料22% Glare 3% 铝61% 钛和钢 10% 其他5%
波音767客机
21
22
民机应用——B787
机 身 结 构
Carbon laminate Carbon sandwich Fiberglass Aluminum
Primary Structure Weight by Material Aluminum/steel/titanium pylons
树脂基复合材料 在航空航天中的应用
2016
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
1、引言
密度
10
复 合 材 料 的 性 能 比 较
8 6 4 2 0
7.8 4.5 2.8 2 1.45 1.6 1.4 2.1 2.65
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 3 硼纤维/铝复合材料
• • • • • 全球鹰（Global Hawk） 捕食者(Predator） 暗星（Dark Star） 先锋（Pioneer） 搜索者（Searcher）
Predator
X-45C 90%
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是一种舰载战斗机，绰号 “大黄蜂”． F-18战斗机
15
16
2.2 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。
Steel 10% Other 5%
Titanium 15%
Composites 50%
机 翼 结 构
Aluminum 20%
民机应用——B787
Boeing787 第一个全尺寸复合材料机身百度文库，长7m 宽6m，减重20%
机 翼 结 构
中央翼盒
应用趋势
——复合材料成为飞机结构最为重要的基本材料 Titanium
5%
15% Composites
65% Composites 15% Steel 15% Aluminium
飞机 机体 结构 材料
65% Aluminium
15% Steel
5% Titanium
2000年
2020年（预测）
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，
1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
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
4
拉伸强度 1
3 2 1 0 钢 1 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
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
2.1在军事领域的应用
军机应用
EF2000 40%
F35 35% F22 25%
飞机结构复合材料用量 是飞机先进性的重要标志
F16 2%
直升机应用
V-22 50%
Tiger 80%
无人机应用
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。
5
2 1.5 1 0.5 0
比强度
比模量
钢 1 2 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
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。
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。
民机应用——A380
• • • • • 复合材料22% Glare 3% 铝61% 钛和钢 10% 其他5%
波音767客机
21
22
民机应用——B787
机 身 结 构
Carbon laminate Carbon sandwich Fiberglass Aluminum
Primary Structure Weight by Material Aluminum/steel/titanium pylons
树脂基复合材料 在航空航天中的应用
2016
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
1、引言
密度
10
复 合 材 料 的 性 能 比 较
8 6 4 2 0
7.8 4.5 2.8 2 1.45 1.6 1.4 2.1 2.65
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 3 硼纤维/铝复合材料
• • • • • 全球鹰（Global Hawk） 捕食者(Predator） 暗星（Dark Star） 先锋（Pioneer） 搜索者（Searcher）
Predator
X-45C 90%
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是一种舰载战斗机，绰号 “大黄蜂”． F-18战斗机
15
16
2.2 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。
Steel 10% Other 5%
Titanium 15%
Composites 50%
机 翼 结 构
Aluminum 20%
民机应用——B787
Boeing787 第一个全尺寸复合材料机身百度文库，长7m 宽6m，减重20%
机 翼 结 构
中央翼盒
应用趋势
——复合材料成为飞机结构最为重要的基本材料 Titanium
5%
15% Composites
65% Composites 15% Steel 15% Aluminium
飞机 机体 结构 材料
65% Aluminium
15% Steel
5% Titanium
2000年
2020年（预测）
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，
1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
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
4
拉伸强度 1
3 2 1 0 钢 1 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
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
2.1在军事领域的应用
军机应用
EF2000 40%
F35 35% F22 25%
飞机结构复合材料用量 是飞机先进性的重要标志
F16 2%
直升机应用
V-22 50%
Tiger 80%
无人机应用
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。