第二章复合材料在飞机上的应用综述综述

课

题

第二章复合材料在飞机上的应用综述

目的与要求复材在航空制造中的重要地位

航空发动机制造中使用复合材料的分布和比重先进民机使用复材的部位和作用

无人机制造中使用复材的主要特点

未来航空制造中使用复材的主要方向

重点航空发动机制造中使用复合材料的分布和比重先进民机使用复材的部位和作用

难

点

复材在航空制造中的重要地位

教

具

复习提问无人机制造中使用复材的主要特点未来航空制造中使用复材的主要方向启发复材可能还会使用的部位

新知

识点

考查

胶黏剂材料的选用方法、原则和依据

布置

作业

课堂布置，见后面。

课后回忆先进民机使用复材的部位和作用无人机制造中使用复材的主要特点

备注教员

第二章复合材料在飞机上的应用综述第2 页共8 页图1 复合材料制作的零部件

图2 民用大型飞机复合材料分布图

第二章复合材料在飞机上的应用综述第3 页共8 页

1.复合材料的应用特点

随着航空航天科学技术的不断进步,促进了新材料的飞速发展,其中尤以先进复

合材料的发展最为突出。目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、芳纶等增

强的复合材料,耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料,隐身复合材料,梯度功能复合材料

等。飞机和卫星制造材料要求质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀,这些苛刻的条件,只

有借助新材料技术才能解决。

复合材料具有质量轻,较高的比强度、比模量,较好的延展性,抗腐蚀、导热、隔

热、隔音、减振、耐高(低)温,独特的耐烧蚀性、透电磁波,吸波隐蔽性、材料性能的

可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点,是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事

武器的理想材料。

2.飞机机身上的应用

2.1.飞机机身结构上的应用

先进复合材料用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或

超过铝合金的复合材料。目前被大量地应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体

结构制造上。

飞机用复合材料经过近40年的发展,已经从最初的非承力构件发展到应用于次

承力和主承力构件,可获得减轻质量(20~30)%的显著效果。目前已进入成熟应用期,对

提高飞机战术技术水平的贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑,其设计、制造

和使用经验已日趋丰富。迄今为止,战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30%左

右,新一代战斗机将达到40%;直升机和小型飞机复合材料用量将达到(70~80)%左右,

甚至出现全复合材料飞机。

“科曼奇”直升机的机身有70%是由复合材料制成的,但仍计划通过减轻机身前

下部质量,以及将复合材料扩大到配件和轴承中,以使飞机再减轻15%的质量。“阿帕

奇”为了减轻质量,将采用复合材料代替金属机身。使用复合材料,未来的联合运输旋

转翼(JTR)飞机的成本将减少6%,航程增加55%,或者载荷增加36%。以典型的第四代

战斗机F/A-22为例复合材料占24·2%,其中热固性复合材料占23·8%,热塑性复合材

料占0·4%左右。

热固性复合材料的70%左右为双马来酰亚胺树脂(BMI,简称双马)基复合材料[1],

生产200多种复杂零件,其它主要为环氧树脂基复合材料,此外还有氰酸酯和热塑性树

脂基复合材料等。主要应用部位为机翼、中机身蒙皮和隔框、尾翼等。近10年来,

国内飞机上也较多的使用了复合材料。例如由国内3家科研单位合作开发研制的某歼

击机复合材料垂尾壁板,比原铝合金结构轻21 kg,减质量30%。

北京航空制造工程研究所研制并生产的QY8911/HT3双马来酰亚胺单向碳纤维

预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整

流壁板等构件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C热塑性树脂单向碳纤维预

浸料及其复合材料,具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳性

能,适合制造飞机主承力构件,可在120℃下长期工作,已用于飞机起落架舱护板前蒙

皮。在316℃这一极限温度下的环境中,复合材料不仅性能优于金属,而且经济效益高。

据波音公司估算,喷气客机质量每减轻1 kg,飞机在整个使用期限内即可节省2200美

元。

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2.2.飞机隐身上的应用

近几十年来,隐身复合材料的研究取得了长足进展,正朝着“薄、轻、宽(频谱)、

强(耐冲击、耐高温)”方向发展。美国最先将隐身材料用在飞机上,用隐身材料最多的

是F-117和F-22飞机。F-117的隐身涂层十分复杂,有7种材料之多。

例如,它的机身、机翼、副翼及尾翼等采用了瓦片状吸波材料,为了加固这种瓦片

状材料在底层采用了Filcoat材料,它是碳纤维增强的环氧预浸带,用自动铺带法叠在吸

波涂层下面。2000年,美空军对F-117的隐身材料进行更新,将原来的7种隐身材料涂

层更换为1种,全部F-117将具有通用的维修程序和雷达波吸收材料,技术规程的数量

减少大约50%。

改进后F-117的每飞行小时维修时间缩短一半以上,全部52架F-117的年维护费

用从1450万美元降至690万美元。F-22不采用全机涂覆吸波涂层的方法,但在机身内

外的金属件上全部采用了铁氧体吸波涂层,它是一种有韧性的耐磨涂料,较之F-117的

涂料易于喷涂且耐磨。专家预测到本世纪30代,导电高分子电致变色材料、掺杂氧化

物半导体材料、纳米复合材料和智能隐身等复合材料将实际用于飞机,它将使飞机的

航电系统及控制方式发生根本性的变化。

3.航空发动机上的应用

3.1.涡轮发动机上的应用

由于具有密度小、比强度高和耐高温等固有特性,复合材料在航空涡轮发动机上

应用的范围越来越广且比例越来越大,使航空涡轮发动机向“非金属发动机”或“全

复合材料发动机”方向发展。

(1)树脂基复合材料

凭借比强度高,比模量高,耐疲劳与耐腐蚀性好,阻噪能力强的优点,树脂基复合材

料在航空发动机冷端部件(风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱、反推

力装置等部件上得到广泛应用。如JTAGG验证机的进气机匣采用碳纤维增强的

PMR15树脂基复合材料,比采用铝合金质量减轻26%;F136发动机采用与F110-132发

动机相似的复合材料风扇机匣,使质量减轻9kg。

(2)碳化硅纤维增强的钛基复合材料

凭借密度小(有的仅为镍基合金的1/2),比刚度和比强度高,耐温性好等优点,碳化

硅纤维增强的钛基复合材料在压气机叶片、整体叶环、盘、轴、机匣、传动杆等部件

上已经得到了广泛应用。

(3)陶瓷基复合材料

目前主要的陶瓷基复合材料产品是以SiC或C纤维增强的SiC和SiN基复合材

料。凭借密度较小(仅为高温合金的1/3~1/4),力学性能较高,耐磨性及耐腐蚀性好等优

点,陶瓷基复合材料,尤其是纤维增强陶瓷基复合材料,已经开始应用于发动机高温静

止部件(如喷嘴、火焰稳定器),并正在尝试应用于燃烧室火焰筒、涡轮转子叶片、涡轮

导流叶片等部件上。

3.2.火箭发动机上的应用

由于火箭发动机喷管壁受到高速气流的冲刷,工作条件十分恶劣,因此C/C最早

用作其喷管喉衬,并由二维、三向发展到四向及更多向编织。