先进复合材料与航空航天_杜善义.
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关键词:先进复合材料;航空航天;低成本;设计/评价一体化中图分类号:TB33文献标识码:
Advanced composite materials and aerospace engineering
DU Shanyi *
(H arbin Institute o f T echno log y , H arbin 150001, China
随着复合材料的广泛应用和人们在原材料、复合工艺、界面理论、复合效应等方面实践和理论研究的深入,使人们对复合材料有了更全面的认识。现在人们可以更能动地选择不同的增强材料(颗粒、片状物、纤维及其织物等与基体进行合理的性能(功能和力学设计(如宏观的铺层设计、微结构设计等,采用多种特殊的工艺使其复合或交叉结合,从而制造出高于原先单一材料的性能或开发出单一材料所不具备的性质和使用性能,如优异的力学性能、物理-化学多功能(电、热、磁、光、耐烧蚀等或生物效应的各类高级复合材料。因此“复合”涵盖的
国外自1980年的F -18军机开始,最新研究的歼击机全部采用复合材料机翼,而且在机身上也大量采用先进复合材料,占结构重量的25%～50%。如第四代机中的F22复合材料占结构重量的25%,法国Rafale占40%,瑞典JAS39占30%,欧洲EF2000则大于40%,美国的杀手锏武器B2战略轰炸机占50%。民机上的复合材料用量也有大幅度提高。波音B777共用复合材料9. 9吨,占结构总重的11%;“梦想飞机”B787用复合材料将达50%;A380大型客机可容纳乘客500～650人,仅碳纤维复合材料用量就达32吨左右,加上其他各种复合材料,总用量在25%左右,开创了大型民机大量使用复合材料的先河,见图4。其他如支线客机和公务机上复合材料用量可达10%～20%,轻型飞机和通用航空飞机上可达70%～90%,直升机可达50%～80%,无人机达50%～80%。A380(A350、B787、A400M (40%三大机种上复合材料
1先进复合材料是航空航天的重要物质基础与先导技术
1. 1先进复合材料已成为四大类材料之一
材料是社会发展的物质基础和先导,而新材料则是社会进步的重要里程碑。新材料技术是支撑当今人类文明的现代工业关键技术,新材料技术一直是世界各国科技发展规划之中一个十分重要的领域,它与信息技术、生物技术、能源技术一起,被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。复合化是新材料的重要发展方向,也是新材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一。复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一[1],见图1。复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料,它既能保留原有组分材料的主要特色,又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同,从而获得原组分材料无法比拟的优越性能,与
[5]进导航与飞行控制系统减重9%,说明了先进复
合材料的应用减重最明显。
提高复合材料用量对促进武器装备的轻量化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用。结构轻量化所带来的效益十分显著,如战略导弹固体火箭发动机第三级结构重量减少1kg ,可增程16km ,
图4复合材料在民机上的应用[4]
Fig. 4Application of composite m aterials on civil airplanes [4]
DOI牶牨牥牣牨牫牳牥牨牤j牣cn ki牣fhclxb牣牪牥牥牱牣牥牨牣牥牥牨
复合材料学报A cta M ateriae Co mpo sitae Sinica
文章编号:10003851(2007 01001201
第24卷 第1期2月2007年V ol . 24
No . 1
Februar y
20ຫໍສະໝຸດ Baidu7
(2材料与结构一体化。复合材料构件与材料是同时形成的,一般不再由“复合材料”加工成复合材料构件,使之结构的整体性好,大幅度减少零部件和连接件数量,从而缩短加工周期,降低成本,提高可靠性。
(3复合效应。复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的,但它不是几种材料的简单混合,而是按照复合效应形成的新的性能,这种复合效应是复合材料仅有的,图3显示了通过复合效应,复合材料可以克服单一材料的某种性能缺陷。
材料拥有吸波、透波、耐热、防热、隔热、导电、记忆、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功能;同时与其它先进技术相结合,如与纳米技术结合发展的纳米复合材料,与生物、医学科学相结合发展的生物复合材料,与微机电、控制、传感技术等相结合发展的智
能复合材料等,赋予了先进复合材料新的内涵。
随着先进复合材料研究、研制及应用的不断扩大,其优越性能越来越得到充分发挥和扩大。1. 3先进复合材料已发展成为航空航天结构的基本材料
先进复合材料与航空航天
杜善义*
(哈尔滨工业大学,哈尔滨150001
摘 要:复合化是新材料的重要发展方向,先进复合材料已经成为航空航天结构的基本材料之一。本文中阐述了先进复合材料在航空航天领域的应用需求和现状,介绍了诸如点阵、纳米、多功能复合材料与结构等研发热点和前沿技术,并讨论了其研发与应用趋势。最后,重点讨论了复合材料的原材料技术、低成本技术、设计/评价一体化技术等亟待解决的问题。
[10, 11]
[9]
的大规模应用形成了复合材料在航空领域再度“起飞”的态势[7]。
等依赖性较大,同时也由于在成形过程中很难准确地控制工艺参数,使其性能的分散性较大。
(5多功能性和发展性。复合材料组成的多样性和随意性为复合材料具有除力学性能以外的许多与传统材料相比,复合材料具有如下特点:
。
杜善义:先进复合材料与航空航天3
流罩、固体火箭发动机和卫星承力结构、天线、太阳电池帆板以及坦克装甲、避弹产品等苛刻的工作环境及材料性能的要求,使复合材料成为优选材料。导弹发射筒采用复合材料可以减轻重量20%以上,这不仅带来相当大的经济效益,而且可以增加武器装备的机动性,还可以提高其抗疲劳、耐腐
4
复合材料学报
向、杂质和改善工艺条件,利用PAN或沥青纤维均可获得高强/高模纤维。事实上到目前为止,要稳定生产模量>700GPa和强度>5. 5GPa的高模高强碳纤维,仍然是非常困难的。碳纤维的压缩强度较低,离子注入技术可改善碳纤维的压缩强度,但这种工艺成本很高。2. 2低成本技术是先进复合材料拓展应用的根本手段与途径
一般材料的简单混合有本质的区别[2]。所谓先进复合材料(Advanced composite materials ,简称ACM是指用碳纤维等高性能增强相增强的复合材料,对于先进树脂基复合材料,在综合性能上与铝合金相当,但比刚度比强度高于铝合金。本文中主要针对先进复合材料(主要指先进树脂基复合材料及其在航空航天中的应用进行评述与讨论。
蚀性能。
航空领域的材料体系更强调性能与可靠性的综
图3复合材料的复合效应
Fig. 3Combined effect of comp os ite materials
合,先进复合材料的应用不仅具有减重的效益,而且还使飞机结构的其他性能得到提升。例如复合材料的气动剪裁技术可显著提高结构效率[6];整体成形技术可有效减少连接,提高结构可靠性,降低成本;复合材料耐腐蚀抗疲劳特点可降低维护成本。
(4材料性能对复合工艺的依赖性。复合材料结构在形成过程中有组分材料的物理和化学变化,因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程
图2先进复合材料与金属的比强度与比刚度[4]Fig. 2Specific strength and stiffness of advanced
comp os ite materials and metals [4]
[3]
收稿日期:20061027;收修改稿日期:20061206
, ,
2
复合材料学报
图1材料的相对重要性[1]
Fig. 1Relative importance of materials [1]
范围也越来越广:从宏观尺度的复合到微观尺度的复合;从结构材料到结构功能一体化材料和功能复合材料;从简单复合到非线性复合效应的复合;从复合材料到复合结构;从材料的机械设计到仿生设计。1. 2先进复合材料的优越性
A bstract :A dv anced co mpo site materia ls (A CM have become the basic materials o f the ae rospace enginee ring. In this paper , the requir ements and the applicatio ns o f A CM in the ae rospace e nginee ring wer e presented. So me hot -spo t technological fields , such a s la ttice ma te rials and structures , na no -composite materials and multi -functio nal materials , w ere introduced. T heir po tential applications and developments were prospected. Finally , the pr oblems to be resolved about raw ma te rials , lo w co st , integ ratio n o f desig n a nd evaluatio n in ACM w ere discussed. Keywords :advanced compo site ma te rials ; aero space ; low cost ; integ ra tion of design and evaluation
先进复合材料的高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等优势已被世人所共识,图2显示了复合材料高比强高比模的突出优势
。
机械及热、声、光、电、防腐、抗老化等性能都可按照构件的使用或服役环境条件要求,通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段,最大限度地达到预期的目的,以满足工程结构设计的使用性能,同时由于复合材料具有各向异性和非均匀性,可以通过合理的设计消除材料冗余,最大程度发挥材料及结构的潜力和效率。
航空航天追求性能第一的特点,使其成为先进复合材料技术的率先实验和转化的战场,航空航天工业的发展和需求推动了先进复合材料的发展,而先进复合材料的发展和应用又促进了航空航天的进步。先进复合材料继铝、钢、钛之后,迅速发展成四大结构材料之一,其用量成为航空航天结构的先进性标志之一。
将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20%～30%,这是其他先进技术很难达到的效果。美国NASA的Langley研究中心在航空航天用先进复合材料发展报告中指出,各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51%的减重(相对于起飞重量效益,其中,气动设计与优化技术减重4. 6%,复合材料机翼机身和气动剪裁技术减重24. 3%,发动机系统和热结构设计减重13. 1%,先
21世纪,先进复合材料的需求将以更快的速度增长,而其高成本已经成为制约复合材料广泛应用的重要瓶颈,低成本复合材料技术已成为目前世界上复合材料研究领域的一个核心问题。提高先进复合材料的性能价格比,除了在原材料、装配与维护等方面进行研究改进外,更重要的是降低复合材料制造成本。据统计先进复合材料的制造工艺成本占总成本的75%以上,复合材料产品的性能与成本之间存在明显的非线性关系。有时90%的性能只需60%的工艺成本,而其余10%的性能却需要40%的成本。在过去的30多年中,复合材料的研究与开发重点放在材料性能和工艺改进上,目前的重点是先进复合材料的低成本技术,各种低成本技术的开发和应用将是复合材料发展的主流,其中的重点是低成本制备技术和制备技术的优化。美国制定并实施了许多低成本复合材料研究开发计划。自动铺带技术和自动纤维丝束铺放技术具有高效、低成本的特点,特别适合于大尺寸和复杂构件的制造,减少了拼装零件的数目,节约了制造和装配成本,充分利用材料,并极大地降低了材料的废
Advanced composite materials and aerospace engineering
DU Shanyi *
(H arbin Institute o f T echno log y , H arbin 150001, China
随着复合材料的广泛应用和人们在原材料、复合工艺、界面理论、复合效应等方面实践和理论研究的深入,使人们对复合材料有了更全面的认识。现在人们可以更能动地选择不同的增强材料(颗粒、片状物、纤维及其织物等与基体进行合理的性能(功能和力学设计(如宏观的铺层设计、微结构设计等,采用多种特殊的工艺使其复合或交叉结合,从而制造出高于原先单一材料的性能或开发出单一材料所不具备的性质和使用性能,如优异的力学性能、物理-化学多功能(电、热、磁、光、耐烧蚀等或生物效应的各类高级复合材料。因此“复合”涵盖的
国外自1980年的F -18军机开始,最新研究的歼击机全部采用复合材料机翼,而且在机身上也大量采用先进复合材料,占结构重量的25%～50%。如第四代机中的F22复合材料占结构重量的25%,法国Rafale占40%,瑞典JAS39占30%,欧洲EF2000则大于40%,美国的杀手锏武器B2战略轰炸机占50%。民机上的复合材料用量也有大幅度提高。波音B777共用复合材料9. 9吨,占结构总重的11%;“梦想飞机”B787用复合材料将达50%;A380大型客机可容纳乘客500～650人,仅碳纤维复合材料用量就达32吨左右,加上其他各种复合材料,总用量在25%左右,开创了大型民机大量使用复合材料的先河,见图4。其他如支线客机和公务机上复合材料用量可达10%～20%,轻型飞机和通用航空飞机上可达70%～90%,直升机可达50%～80%,无人机达50%～80%。A380(A350、B787、A400M (40%三大机种上复合材料
1先进复合材料是航空航天的重要物质基础与先导技术
1. 1先进复合材料已成为四大类材料之一
材料是社会发展的物质基础和先导,而新材料则是社会进步的重要里程碑。新材料技术是支撑当今人类文明的现代工业关键技术,新材料技术一直是世界各国科技发展规划之中一个十分重要的领域,它与信息技术、生物技术、能源技术一起,被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。复合化是新材料的重要发展方向,也是新材料的重要组成部分和最具生命力的分支之一。复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一[1],见图1。复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料,它既能保留原有组分材料的主要特色,又通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联与协同,从而获得原组分材料无法比拟的优越性能,与
[5]进导航与飞行控制系统减重9%,说明了先进复
合材料的应用减重最明显。
提高复合材料用量对促进武器装备的轻量化、小型化和高性能化起到了至关重要的作用。结构轻量化所带来的效益十分显著,如战略导弹固体火箭发动机第三级结构重量减少1kg ,可增程16km ,
图4复合材料在民机上的应用[4]
Fig. 4Application of composite m aterials on civil airplanes [4]
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复合材料学报A cta M ateriae Co mpo sitae Sinica
文章编号:10003851(2007 01001201
第24卷 第1期2月2007年V ol . 24
No . 1
Februar y
20ຫໍສະໝຸດ Baidu7
(2材料与结构一体化。复合材料构件与材料是同时形成的,一般不再由“复合材料”加工成复合材料构件,使之结构的整体性好,大幅度减少零部件和连接件数量,从而缩短加工周期,降低成本,提高可靠性。
(3复合效应。复合材料是由各组分材料经过复合工艺形成的,但它不是几种材料的简单混合,而是按照复合效应形成的新的性能,这种复合效应是复合材料仅有的,图3显示了通过复合效应,复合材料可以克服单一材料的某种性能缺陷。
材料拥有吸波、透波、耐热、防热、隔热、导电、记忆、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功能;同时与其它先进技术相结合,如与纳米技术结合发展的纳米复合材料,与生物、医学科学相结合发展的生物复合材料,与微机电、控制、传感技术等相结合发展的智
能复合材料等,赋予了先进复合材料新的内涵。
随着先进复合材料研究、研制及应用的不断扩大,其优越性能越来越得到充分发挥和扩大。1. 3先进复合材料已发展成为航空航天结构的基本材料
先进复合材料与航空航天
杜善义*
(哈尔滨工业大学,哈尔滨150001
摘 要:复合化是新材料的重要发展方向,先进复合材料已经成为航空航天结构的基本材料之一。本文中阐述了先进复合材料在航空航天领域的应用需求和现状,介绍了诸如点阵、纳米、多功能复合材料与结构等研发热点和前沿技术,并讨论了其研发与应用趋势。最后,重点讨论了复合材料的原材料技术、低成本技术、设计/评价一体化技术等亟待解决的问题。
[10, 11]
[9]
的大规模应用形成了复合材料在航空领域再度“起飞”的态势[7]。
等依赖性较大,同时也由于在成形过程中很难准确地控制工艺参数,使其性能的分散性较大。
(5多功能性和发展性。复合材料组成的多样性和随意性为复合材料具有除力学性能以外的许多与传统材料相比,复合材料具有如下特点:
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杜善义:先进复合材料与航空航天3
流罩、固体火箭发动机和卫星承力结构、天线、太阳电池帆板以及坦克装甲、避弹产品等苛刻的工作环境及材料性能的要求,使复合材料成为优选材料。导弹发射筒采用复合材料可以减轻重量20%以上,这不仅带来相当大的经济效益,而且可以增加武器装备的机动性,还可以提高其抗疲劳、耐腐
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复合材料学报
向、杂质和改善工艺条件,利用PAN或沥青纤维均可获得高强/高模纤维。事实上到目前为止,要稳定生产模量>700GPa和强度>5. 5GPa的高模高强碳纤维,仍然是非常困难的。碳纤维的压缩强度较低,离子注入技术可改善碳纤维的压缩强度,但这种工艺成本很高。2. 2低成本技术是先进复合材料拓展应用的根本手段与途径
一般材料的简单混合有本质的区别[2]。所谓先进复合材料(Advanced composite materials ,简称ACM是指用碳纤维等高性能增强相增强的复合材料,对于先进树脂基复合材料,在综合性能上与铝合金相当,但比刚度比强度高于铝合金。本文中主要针对先进复合材料(主要指先进树脂基复合材料及其在航空航天中的应用进行评述与讨论。
蚀性能。
航空领域的材料体系更强调性能与可靠性的综
图3复合材料的复合效应
Fig. 3Combined effect of comp os ite materials
合,先进复合材料的应用不仅具有减重的效益,而且还使飞机结构的其他性能得到提升。例如复合材料的气动剪裁技术可显著提高结构效率[6];整体成形技术可有效减少连接,提高结构可靠性,降低成本;复合材料耐腐蚀抗疲劳特点可降低维护成本。
(4材料性能对复合工艺的依赖性。复合材料结构在形成过程中有组分材料的物理和化学变化,因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程
图2先进复合材料与金属的比强度与比刚度[4]Fig. 2Specific strength and stiffness of advanced
comp os ite materials and metals [4]
[3]
收稿日期:20061027;收修改稿日期:20061206
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复合材料学报
图1材料的相对重要性[1]
Fig. 1Relative importance of materials [1]
范围也越来越广:从宏观尺度的复合到微观尺度的复合;从结构材料到结构功能一体化材料和功能复合材料;从简单复合到非线性复合效应的复合;从复合材料到复合结构;从材料的机械设计到仿生设计。1. 2先进复合材料的优越性
A bstract :A dv anced co mpo site materia ls (A CM have become the basic materials o f the ae rospace enginee ring. In this paper , the requir ements and the applicatio ns o f A CM in the ae rospace e nginee ring wer e presented. So me hot -spo t technological fields , such a s la ttice ma te rials and structures , na no -composite materials and multi -functio nal materials , w ere introduced. T heir po tential applications and developments were prospected. Finally , the pr oblems to be resolved about raw ma te rials , lo w co st , integ ratio n o f desig n a nd evaluatio n in ACM w ere discussed. Keywords :advanced compo site ma te rials ; aero space ; low cost ; integ ra tion of design and evaluation
先进复合材料的高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等优势已被世人所共识,图2显示了复合材料高比强高比模的突出优势
。
机械及热、声、光、电、防腐、抗老化等性能都可按照构件的使用或服役环境条件要求,通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段,最大限度地达到预期的目的,以满足工程结构设计的使用性能,同时由于复合材料具有各向异性和非均匀性,可以通过合理的设计消除材料冗余,最大程度发挥材料及结构的潜力和效率。
航空航天追求性能第一的特点,使其成为先进复合材料技术的率先实验和转化的战场,航空航天工业的发展和需求推动了先进复合材料的发展,而先进复合材料的发展和应用又促进了航空航天的进步。先进复合材料继铝、钢、钛之后,迅速发展成四大结构材料之一,其用量成为航空航天结构的先进性标志之一。
将先进复合材料用于航空航天结构上可相应减重20%～30%,这是其他先进技术很难达到的效果。美国NASA的Langley研究中心在航空航天用先进复合材料发展报告中指出,各种先进技术的应用可以使亚音速运输机获得51%的减重(相对于起飞重量效益,其中,气动设计与优化技术减重4. 6%,复合材料机翼机身和气动剪裁技术减重24. 3%,发动机系统和热结构设计减重13. 1%,先
21世纪,先进复合材料的需求将以更快的速度增长,而其高成本已经成为制约复合材料广泛应用的重要瓶颈,低成本复合材料技术已成为目前世界上复合材料研究领域的一个核心问题。提高先进复合材料的性能价格比,除了在原材料、装配与维护等方面进行研究改进外,更重要的是降低复合材料制造成本。据统计先进复合材料的制造工艺成本占总成本的75%以上,复合材料产品的性能与成本之间存在明显的非线性关系。有时90%的性能只需60%的工艺成本,而其余10%的性能却需要40%的成本。在过去的30多年中,复合材料的研究与开发重点放在材料性能和工艺改进上,目前的重点是先进复合材料的低成本技术,各种低成本技术的开发和应用将是复合材料发展的主流,其中的重点是低成本制备技术和制备技术的优化。美国制定并实施了许多低成本复合材料研究开发计划。自动铺带技术和自动纤维丝束铺放技术具有高效、低成本的特点,特别适合于大尺寸和复杂构件的制造,减少了拼装零件的数目,节约了制造和装配成本,充分利用材料,并极大地降低了材料的废