复合材料结构修理-1.1 复合材料在现代民用飞机上的应用(2)

2. 飞机结构重量百分比发展趋势
民机结构材料重量百分比发展趋势
比强度和比模量高
• 拉伸强度与密度之比称为比强度；弹性模量与密 度之比称为比模量。 • 比强度和比模量是度量材料承载能力的一个极其 重要的指标。复合材料与金属材料相比，具有高 的比强度和比模量。例如，铝合金的比强度和比 模量分别是0.17和0.26，而碳纤维/环氧树脂复合 材料的比强度和比模量分别是0.63和1.50。因此， 在飞机上采用复合材料结构，可以减轻飞机重量。 一般说来，用复合材料结构代替铝合金结构，可 以减轻20％或更多的重量。
• 吸能性能好
– 复合材料的纤维与基体的界面具有较大的吸振 能力，即使产生了振动也会很快衰减下来
电性能好
• 复合材料具有优良的电性能。通过选择不 同的树脂基体、增强材料和辅助材料，可 以将其制成绝缘材料或导电材料。例如， 玻璃纤维增强的树脂基复合材料具有优良 的电绝缘性能，并且不受电磁作用，不反 射无线电波，微波透过性能良好。复合材 料通过原材料的选择和适当的成型工艺可 以制成导电复合材料，如金属基复合材料 具有良好的导电和导热性能。
第1章 飞机复合材料结构的识别
1.1 复合材料在现代民用飞机上的应用
1.1.1复合材料的定义
复合材料的定义
• 由两种或两种以上物理和化学性质不同的 材料组分，经人工复合而成后形成的各组 分材料之间具有明显界面、且具有新性能 的材料
常见的复合材料
• • • • • • 土坯：稻草与泥土构成 混凝土：钢筋与水泥、沙石构成 石棉瓦：石棉与水泥构成 轮胎：帘子线与橡胶构成 玻璃钢：玻璃纤维与树脂构成 。。。
破损-安全性好
• 纤维增强复合材料中有大量独立的纤维， 存在多传力路线，当构件有少量纤维断裂 时，其载荷会通过基体受剪传到其他没有 断裂的纤维上
成型性能好
• 容易制成外形复杂的结构件
1.1.2 复合材料的特性 ——缺点
1. 冲击韧性差 2. 层间强度低 3. 环境因素影响较大
冲击韧性差
• 复合材料比较脆，抗冲击载荷能力差，甚 至低能量的冲击也会使材料产生内部损伤
The dome web and tear straps are made from resin infused carbon fabric
The wing box on the 787 is largely constructed utilizing CFRP material. Specifically, the skin panels, stringers, and spars are fabricated using BMS 8-276, form 3, grade 190 tape.
1.1.3 复合材料在现代民用飞机上的 应用发展趋势
1．由次要结构，逐渐向主要结构、复杂受力 结构发展 2．飞机上的用量日益增多 3．在复杂曲面构件上的应用越来越多 4．构件向整体成型、共固化方向发展
1. 飞机结构应用部位发展趋势
应用发展阶段
• 第一阶段——受载不大的次要结构件。如各类接 近口盖、整流罩、起落架/空调舱等非增压边界舱 门、舵面等。对这类结构件，据统计可减重20% 左右。 • 第二阶段——主要结构件。如垂直安定面、水平 安定面、客舱地板梁等。据估计可减重 25%∼30%。 • 第三阶段——复杂受力结构部位。如机身、中央 翼盒、机身增压端框等。据估计可减重30%。
复材在波音737CL飞机上的应用 （第一阶段）
复材在空客A320飞机上的应用 （第二阶段）
复材在波音777飞机上的应用 （第二阶段）
复材在波音787飞机上的应用 （第三阶段）
The beams are made of CFRP I sections made of BMS 8-276 tape.
层间强度低
• 复合材料的层间强度低，易产生分层破坏， 降低其承载能力
环境因素
• 除了极高的温度，一般不考虑湿热对金属 强度的影响。但复合材料结构则必须考虑 湿热环境的联合作用。这是因为复合材料 的基体通常为高分子材料，湿热的联合作 用会降低其玻璃化转变温度，从而引起由 基体控制的力学性能，如压缩、剪切等的 明显下降。 • 紫外线影响
具有可设计性
• 复合材料的性能除了取决于纤维和基体本 身的性能外（内因），在很大程度上还取 决于纤维的含量和铺层方式（外因）。因 此，可以根据构件的实际需要，通过选择 组分材料以及铺层设计对复合材料本身进 行优化设计。例如，承受内压作用的圆筒， 其环向应力是纵向应力的两倍。因此，在 铺层设计时，可以按2:1的比例在环向与纵 向铺设纤维
抗腐蚀性能好
• 复合材料具有优良的抗腐蚀性能。很多种 复合材料具有优异的抗酸碱腐蚀能力。例 如，玻璃纤维酚醛树脂复合材料可在含氯 离子的酸性介质中长期使用
减振性能好
• 自振频率高
– 结构的自振频率除了与结构本身形状有关外， 还与材料比模量的平方根成正比。因为复合材 料的比模量高, 所以，其自振频率也高，可以 避免构件在一般工作状态下产生共振。
The main torque box is a co-cured BMS8-276 carbon structure that uses a multi-spar design
The main torque box consists of CFRP I stiffened skin panels, BMS8-276 CFRP channel front and rear spars,
先进复合材料 (Advanced Composites)
• 指以碳纤维、芳纶纤维、硼纤维或高性能 玻璃纤维等材料为增强材料、以各种树脂 等材料为基体构成的、比强度和比模量较 高的高性能复合材料
复合材料的组成部分
• 基体材料 • 增强材料
1.1.2 复合材料的特性 ——优点
1. 比强度和比模量高 2. 可设计性 3. 抗疲劳性能好 4. 抗腐蚀性能好 5. 减振性能好 6. 电性能好 7. 破损安全性好 8. 成型性能好
抗疲劳性能好
• 疲劳破坏是材料在交变载荷的作用下，由 于裂纹的形成和扩展而产生的低应力破坏。
– 纤维与基体的界面可以使扩展裂纹尖端变钝或 改变方向, 从而能阻止裂纹迅速扩展 – 树脂基复合材料ห้องสมุดไป่ตู้缺口、应力集中的敏感性小
• 复合材料的抗疲劳性能优于金属材料。大 多数金属材料的疲劳极限是其拉伸强度的 40%~50%，而碳纤维聚酯树脂复合材料的 疲劳极限可达其抗拉强度的70％~80%。