飞行器结构用复合材料核心技术及发展

质质轻轻
可可设设计计
强强度度高高
复合材料特点
整整体体成成型型
抗抗疲疲劳劳
结结构构//功功能能
非常适合于飞行器结构，特别是碳纤维复合材料
一、航空航天结构与先进复合材料
军
高机动性能
结构要求 轻量化
高比强
先 进
机 发
高隐身性能
高可靠
可设计
树
脂
展
超声速巡航
长寿命
抗疲劳
基
目 标
超视距空战
高效能
复
耐腐蚀
合
结构/功能
2014年度第20届全国玻璃钢/复合材料学术年会, 武汉
飞行器结构用复合材料 核心技术及发展
张佐光 顾轶卓
2014. 9.21
提纲
一、航空航天结构与先进复合材料 二、航空航天用先进复合材料态势 三、主体结构复合材料技术关键 四、北航复合材料简介 五、结束语
一、航空航天结构与碳纤维复合材料
一、航空航天结构与先进复合材料
发展非确定分析方法 确定性方法
非确定性方法
通过安全系数 覆盖不确定性因素
概率 性能、载荷、环境
•载荷 •制造 •分析 •衰变
1.5~4.0
失效概率与可靠度定量分析 保障结构安全
减小安全系数冗余
F16: 1.32, EF2000: 1.4
提高结构效率
三、主体结构复合材料技术关键
发展非确定分析方法
¡ 传统确定性方法导致保守设计和较低结构效率，非确定性方法可实现结构 可靠性的定量评价，体现不同结构部位的相对重要性
先进制造技术——数字化制造技术
2.液体成形技术
热压罐流场模拟
模具温度场模拟
基于传热要求的模具结构优化
复合材料固化变形模拟
制造成本估算
三、主体结构复合材料技术关键
评价技术方面
三、主体结构复合材料技术关键
Ø 发展用于复合材料的高精度、深层无损检测设备 Ø 发展健康监测技术 Ø 制定规范标准 MIL HDBK-17F→CMH-17G
结构/功能一体化
三、主体结构复合材料技术关键
结构/功能一体化与智能材料
结构/防热
承载/隐身
防热/透波/结构
结构电容
电损伤
实现力学性能与功能特性一体化，探明电、磁等功能环境下性能变化
三、主体结构复合材料技术关键
结构/功能一体化与智能材料
形状来自百度文库忆复合材料
健康检测
自愈合
发展健康监测与自愈合、可控大范围力学性能变异智能复合材料
远程化
二、航空航天用先进复合材料态势
二、航空航天用先进复合材料态势
用量成为军机先 进性重要标志
F35 35%
F16 2%
F/A18 12%
F22 24%
F/A-22： IM7/5250-4、IM7/977-3 (高性能) 双马为17.2%，环氧6.6%
F-35： IM7/977-3、 IM7/5250-4 (低成本) 环氧30%，双马为4%
三、主体结构复合材料技术关键
制造技术方面
三、主体结构复合材料技术关键
自动化制造技术——ATL、AFP
三、主体结构复合材料技术关键
自动化制造技术——ATL
ATL是针对机翼、壁板构件 等大尺寸，中小曲率的部 件在20世纪60年代开发的 四项采用预浸带快速自动 铺放的复合材料自动化制 造技术
目前已广泛应用于飞机机翼、尾翼壁板的制造
增强纤维评定 基体表征 预浸料材料表征 复合材料性能测试 结构元件表征 统计方法 生产材料和工艺过程质量控制
复合材料结构积木式方法 设计与分析 连接的结构特性 损伤阻抗、耐久性和损伤容限 结构可靠性 厚截面复合材料 环境管理
三、主体结构复合材料技术关键
验证评价技术——碳纤维验证评价
“积木式”验证评价路线
A340： 14% B777： 11%
B757： 4% B767： 4%
A350
机体材料 重大变化
波音787
复合材料
A380
A340
波音757/767
波音777
轻金属
1980
1990
2000
2010
二、航空航天用先进复合材料态势
n 民机应用——A380
二、航空航天用先进复合材料态势
n 民机应用——B787
可达60％，力学性能好 l 容易实现整体成形、降低制造难度、降低
连接工作量、大大降低成本 l 可以结合纤维缝合技术、泡沫缝合技术
VARI成形A400M货舱门
三、主体结构复合材料技术关键
先进制造技术——低成本制造技术
空 气
真空 袋
真空 泵
复合材 料坯料
模 具
基于真空袋法的非热压罐工艺
快速成型工艺
三、主体结构复合材料技术关键
¡ NASA 、Boeing、Airbus等机构开展了大量研究
三、主体结构复合材料技术关键
发展新的分析验证方法
(试验为主)
(模拟为主)
三、主体结构复合材料技术关键
发展新的分析验证方法
全尺寸 部件 次部件 元件
传 材料 统
6-8年
15000试验
未
材料参量
全尺寸验证
来
2-3年
1500试验
保保障障可可靠靠性性，，降降低低结结构构重重量量，，提提高高结结构构效效率率
美国：PMR-Ⅱ, AFR-700B 中国： BMP350、KH-307, KH-320 系列
美国：PMR-15, LaRC-RP46 中国： BMP316、KH-304, KH-308
三、主体结构复合材料技术关键
热塑性树脂体系
三、主体结构复合材料技术关键
复合材料结构设计方面
三、主体结构复合材料技术关键
材料宽度： 3.2mm 6.4mm 12.7mm
三、主体结构复合材料技术关键
丝束铺放技术在B787上的应用
丝束铺放技术在A380上的应用 丝束铺放技术在商务机上的应用
雷神首相I 机身纤维铺放
三、主体结构复合材料技术关键
先进制造技术——大型结构整体化成型
整体化结构设计：根据整体化结构结构的承/传载特点并考虑工艺可 行性优化结构单元，进行结构集成，实现结构高效化。
四. 北航复合材料简介
二、航空航天用先进复合材料态势
n 大飞机工程（2007.3.19见报，2008.5.11商飞）
¡ 标志性工程 ¡ 高科技工程 ¡ 战略性产业
大客机：>150人，单航程>3000Km 军机：>100吨，载重>30吨，单航程>3000Km
n 波音：10万零部件，1600家企业，带动70多个工业产业和 行业的技术升级；1：34…——胡思远《工程研究 ——跨学科
机 身 结 构
Carbon laminate
Carbon sandwich
Fiberglass
Aluminum
Aluminum/steel/titanium pylons Primary Structure Weight by Material
Steel 10%
Other 5%
Titanium 15%
F/A-18E/F：AS4/977-3、IM7/977-3 (低成本) 全用环氧
二、航空航天用先进复合材料态势
国内军机用复合材料
JH7A 2％
J10 6％
四代机 X％ J11B 9％
二、航空航天用先进复合材料态势
50%
复
合 40%
材
料 用
30%
量
20%
10%
0%
1970
A350： 52% B787： 50% A380： 25%
n 我国大型客机目标机型复合材料的应用
¡ 座级150 (130～200座)
¡ 复合材料25%
固定前缘 后缘壁板 前后整流罩 中央翼 机身上壁板 雷达罩
垂直安
外副翼
定面盒
水平安 段
外襟翼
定面盒
襟副翼
段
内襟翼
地板梁
方向舵
机身尾 段 升降舵
后气密端框
机身整流罩 内外扰流板
襟翼滑轨 整流罩
主起舱门 前起舱门
验证评价技术——无损检测技术 空气耦合超声检测
相控阵超声R角检测
C型图
ms
三、主体结构复合材料技术关键
验证评价技术——无损检测技术
大型超声自动扫描成 p 多达20检测通道
像检测系统
p 检测效率提高15-20倍
p 可适应6000mm宽，几十米长的复
合材料构件的高效自动扫描检测
三、主体结构复合材料技术关键
A350框架
A340扰流板铰接接头，采用PRIFORM预成型体， 实现复材高韧性
三、主体结构复合材料技术关键
RFI技术
A380 后承压框
采用RFI工艺，PMI泡沫为筋条芯模
三、主体结构复合材料技术关键
VARI成型
特点： l 无需热压罐，设备投入及使用费用低廉 l 产品质量高，零孔隙含量、纤维体积含量
三、主体结构复合材料技术关键
A380襟翼蒙皮
A380中央翼盒
波音777飞机尾翼
采用自动铺带技术生产的波音787机翼
A350XWB中央翼
三、主体结构复合材料技术关键
自动化制造技术——AFP
通过多轴联动的铺放头将不同数量的预浸丝束在压辊下集束成带，通过传 送，加热，压实等功能，按照程序设定的路径将预浸丝束铺叠在模具上，制成零 件的预成形体。适用于机身等复杂曲面类结构，可使飞机复材用量达到50%。
发房
二、航空航天用先进复合材料态势
n 我国大飞机远期目标： 外翼-演示验证 机身-预研
外翼
二、航空航天用先进复合材料态势
航天应用
卫星主承力筒
太阳帆板基板
二、航空航天用先进复合材料态势
固体火箭发动机
壳体
喷管
某第三级固体发动机壳体采用碳/环 氧复合材料后，结构质量由原来的 116千克降为46千克，仅此就将导弹
二、航空航天用先进复合材料态势
n 竞争机型
V.S.
目标机型
波音737的后继机 波音737RS
空客A320后继机 NSR飞机
Q 复合材料用量将远大于25%的水平 Q 这将是我们面对的一个重要挑战!
二、航空航天用先进复合材料态势
n 我国大飞机第一步目标：15%——2014年
二、航空航天用先进复合材料态势
视野中的工程》2010,2(1)
n 三大关键技术
¡ 发动机、机载、复合材料
二、航空航天用先进复合材料态势
n 大飞机工程
üB737,A320
一个
1
目标
两个 2 市场
ü国内 ü国际
ü减阻 5% ü减重 20% ü减排 50%
COMAC919
三个 3
四个 4
减少
特性
ü安全性（确保） ü经济性（提高） ü舒适性（改善） ü环保性（关注）
三、主体结构复合材料技术关键
验证评价技术——先进微观测试表征技术
在纳米尺度研究复合材料力学性能 在纳米尺度研究界面化学组成与结构 精确测定界面微观剪切强度 无损分析复合材料内部微观缺陷
检测技术向高精度、高分辨、 可检测多相体系发展
纳米压痕
C型图
高分辨TEM
纳米红外
高频涡流
微米CT
三、主体结构复合材料技术关键
T700级 T300级
T800级 M40级
三、主体结构复合材料技术关键
连续纳米增强体
碳纳米纱线
碳纳米薄膜
编织
碳纳米管和碳纳米纱线增强技术是 复合材料领域十分重要的前沿与新兴技术
三、主体结构复合材料技术关键
连续纳米增强体
力学性能 电池
电、热 传感器
防弹
连续碳纳米管增强体是新一代结构/功能复合材料重要的增强体
射程提高1000Km以上
燃料贮箱
三. 主体结构复合材料技术关键
三、主体结构复合材料技术关键
先进 复合 材料 技术 关键
材料 设计 制造 评价
基础 根本 关键 保障
三、主体结构复合材料技术关键
复合材料体系方面
(增强纤维与树脂)
三、主体结构复合材料技术关键
碳纤维的性能等级与应用
三、主体结构复合材料技术关键
三、主体结构复合材料技术关键
热固性树脂体系
国外
国内
三、主体结构复合材料技术关键
高性能树脂体系——聚酰亚胺
第二代
(350～370℃）
更高推重比发动机冷
端部件，高速飞行器
第三代
瞬时耐高温部位
(280～310℃）
发动机冷端部件，
高速飞行器瞬时耐
高温部位
第三代 (400～420℃）
试验室状态
美国：DMBZ-15 中国： BMP420、 KH309 、KH-310 系列
材
短距起降
多功能
料
一、航空航天结构与先进复合材料
民
安全性
结构要求 轻量化
高比强
先
进
机
经济性
高可靠
可设计
树
发 展 要 求
舒适性
长寿命 高效能 吸能强
脂
抗疲劳
基
复
耐腐蚀
合
材
环保性
高阻尼
料
一、航空航天结构与先进复合材料
复
质轻
合
材
可设计
料
优 势
抗烧蚀
结构/功能
轻量化
航 天
超高速 器
发
高突防
展
精确化
目 标
Composites 50%
Aluminum 20%
机 翼 结 构
二、航空航天用先进复合材料态势
n 民机应用——A350
Airbus’ 18 metre-long A350 XWB demonstrator fuselage helped validate the production process for this widebody jetliner’s composite airframe (10 August 2009)
F-35
三、主体结构复合材料技术关键
先进制造技术——大型结构整体化成型
经过多个研究计划的实施验证，国外整体化成形技术已成熟，广泛应 用于大型复合材料结构的制造。
A380中央翼盒
大型复合材料机翼23*4m
三、主体结构复合材料技术关键
先进制造技术——液体成型技术
2.液体成形技术 低成本制造的主要 方向，包括RTM、 RFI、VARI等