1.5復(fù)合材料構(gòu)件在飛行器上的應(yīng)用

先進復(fù)合材料技術(shù)的實際應(yīng)用在飛行器設(shè)計與制造中具有重要的地位。這是因為復(fù)合材料的許多優(yōu)異性能，如比強度和比模量高，優(yōu)良的抗疲勞性能，以及獨特的材料可設(shè)計性等，都是飛行器結(jié)構(gòu)盼望的理想性能。高性能飛行器要求結(jié)構(gòu)重量輕，從而可以減少燃料消耗，延長留空時間，飛得更高更快或具有更好的機動性；也可以安裝更多的設(shè)備，提高飛行器的綜合性能。1精選課件減輕結(jié)構(gòu)的重量可大大節(jié)約飛機的使用本錢，取得明顯的經(jīng)濟效益。據(jù)國外有關(guān)資料報告，先進戰(zhàn)斗機每減重1kg，就可節(jié)約1760美元。西方國家在很短的時間內(nèi)就實現(xiàn)了從非受力件和次受力件到主受力件應(yīng)用的過渡，無論是用量還是技術(shù)覆蓋面都有了很大的開展。目前正在研制的戰(zhàn)斗機中所使用的復(fù)合材料可占飛機結(jié)構(gòu)總重量的50%以上。飛機隱身技術(shù)的開展與應(yīng)用，進一步擴大了對復(fù)合材料技術(shù)的需求。在繼民用飛機中出現(xiàn)全復(fù)合材料飛機〔如LearFan2100，Starship和Vayager〕之后又出現(xiàn)了全復(fù)合材料機身的隱身轟炸機B2。此外，也只有采用了復(fù)合材料，才使前掠翼得以在X-29上實現(xiàn)。2精選課件LearFan21003精選課件B2隱形轟炸機4精選課件蘇－44蘇－47

前掠翼具有許多突出的優(yōu)點。前掠翼在高攻角時有更好的穩(wěn)定性和可控性,可增大飛機的轉(zhuǎn)彎角速度;阻力小;不會出現(xiàn)翼尖氣流分離現(xiàn)象,故可增大升力,從而顯著提高飛機的升阻比;另外還可改善布局,減小迎面對雷達波的反射面積。5精選課件6精選課件7精選課件F-18戰(zhàn)斗機8精選課件9精選課件波音767客機10精選課件11精選課件TAG公司推出全復(fù)合材料機體無人直升機12精選課件F-2213精選課件從國內(nèi)情況看，當前國內(nèi)飛機型號應(yīng)用復(fù)合材料的比例越來越高，應(yīng)用復(fù)合材料的部件越來越大，復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，復(fù)合材料構(gòu)件已經(jīng)逐步從次承力構(gòu)件到主承力構(gòu)件轉(zhuǎn)變，復(fù)合材料的垂直安定面、水平尾翼、前機身、艙門、整流罩等構(gòu)件已在多種型號飛機上使用并形成了批量生產(chǎn)能力。機翼、旋翼等主承力構(gòu)件也已經(jīng)在小批量生產(chǎn)。14精選課件目前國內(nèi)復(fù)合材料在飛機上應(yīng)用最多的是新研制的中、高空長航時無人機，其機體復(fù)合材料的使用量到達70%，機翼翼展18米，為全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；其中，機翼整體盒段運用設(shè)計工藝一體化技術(shù)，將機翼的前、后梁，上蒙皮和所有中間肋整體共固化成型，在復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)上有所突破。在自行設(shè)計制造的某新型武裝直升機上，大量采用了復(fù)合材料，其機身結(jié)構(gòu)、主槳葉、尾槳葉和尾段為全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。15精選課件長航時無人機某新型武裝直升機16精選課件17精選課件記者在哈航集團的生產(chǎn)車間里看到，工人們正在模具上進行“鋪層〞工作。幾名工人首先將一種薄得像布一樣的特殊材料鋪在模具上，然后在上面刷上一層特種膠水，隨后再鋪上一層“布〞。在鋪了假設(shè)干層“布〞后，經(jīng)過固化、成型，制成特殊復(fù)合材料。最后將根據(jù)尺寸要求，加工出具有流線形的殼體——整流罩。哈航集團為波音公司生產(chǎn)的整流罩將用于“波音787〞機體和機翼的結(jié)合部，可將裸露在機體外面的某一部件或裝置封閉起來，起到保護與減少空氣阻力的雙重作用。18精選課件19精選課件20精選課件21精選課件22精選課件23精選課件24精選課件25精選課件26精選課件27精選課件28精選課件密度1.6復(fù)合材料的性質(zhì):性能比較29精選課件拉伸強度30精選課件彈性模量31精選課件比強度比模量32精選課件比強度和比模量高

材料的強度除以密度稱為比強度；材料的剛度除以密度稱為比剛度。這兩個參量是衡量材料承載能力的重要指標。比強度和比剛度較高說明材料重量輕，而強度和剛度大。這是結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是航空、航天結(jié)構(gòu)設(shè)計對材料的重要要求。現(xiàn)代飛機、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等機體結(jié)構(gòu)正逐漸擴大使用纖維增強復(fù)合材料的比例。33精選課件耐疲勞性能好一般金屬的疲勞強度為抗拉強度的40～50%，而某些復(fù)合材料可高達70～80%。復(fù)合材料的疲勞斷裂是從基體開始，逐漸擴展到纖維和基體的界面上，沒有突發(fā)性的變化。因此，復(fù)合材料在破壞前有預(yù)兆，可以檢查和補救。纖維復(fù)合材料還具有較好的抗聲振疲勞性能。用復(fù)合材料制成的直升飛機旋翼，其疲勞壽命比用金屬的長數(shù)倍。34精選課件減振性能良好

纖維復(fù)合材料的纖維和基體界面的阻尼較大，因此具有較好的減振性能。用同形狀和同大小的兩種粱分別作振動試驗，碳纖維復(fù)合材料粱的振動衰減時間比輕金屬粱要短得多。35精選課件過載平安性好

在纖維增強復(fù)合材料的基體中有成千上萬根獨立的纖維。當用這種材料制成的構(gòu)件超載，并有少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個構(gòu)件不至于在短時間內(nèi)喪失承載能力。36精選課件耐熱性能好在高溫下，用碳或硼纖維增強的金屬其強度和剛度都比原金屬的強度和剛度高很多。普通鋁合金在400℃時，彈性模量大幅度下降，強度也下降；而在同一溫度下，用碳纖維或硼纖維增強的鋁合金的強度和彈性模量根本不變。復(fù)合材料的熱導(dǎo)率一般都小，因而它的瞬時耐超高溫性能比較好。37精選課件各向異性及性能可設(shè)計性各向異性是復(fù)合材料的一個突出特點，與之相關(guān)的是性能的可設(shè)計性。復(fù)合材料的力學(xué)、物理性能除了由纖維、樹脂的種類及體積含量而定外，還與纖維的排列方向、鋪層順序和層數(shù)密切相關(guān)。因此，可以根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的載荷分布及使用條件的不同，選取相應(yīng)的材料及鋪層設(shè)計來滿足既定的要求。復(fù)合材料的這一特點可以實現(xiàn)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計，做到平安可靠、經(jīng)濟合理。38精選課件工藝性好

纖維增強復(fù)合材料一般適合于整體成型，減少了零部件的數(shù)目及接頭緊固件，減少設(shè)計計算工作量并有利于提高計算的準確性。另外，制作纖維增強復(fù)合材料部件的步驟是把纖維和基體粘結(jié)在一起，先用模具成型，而后加溫固化，在制作過程中基體由流體變?yōu)楣腆w，不易在材料中造成微小裂紋，而且固化后剩余應(yīng)力很小。39精選課件1.7增強材料纖維

增強材料:能和聚合物復(fù)合，形成復(fù)合材料后其比強度和比模量超過現(xiàn)有金屬的物質(zhì)。反之，稱為填料。纖維增強材料粒子增強材料〔片狀、顆粒狀〕40精選課件主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量一般在90％以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的比強度。制造：由含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造化學(xué)纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化等工藝制成。應(yīng)用：與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，做成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中最高。在強度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復(fù)合材料都具優(yōu)勢。碳纖維41精選課件碳纖維碳纖維是以聚丙烯腈纖維、粘膠纖維或瀝青纖維為原絲，通過加熱除去碳以外的其它一切元素制得的一種高強度、高模量的纖維，它具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能，是高性能增強復(fù)合材料中的優(yōu)良結(jié)構(gòu)材料。以粘膠為原絲時，粘膠纖維可直接炭化和石墨化。纖維先進行枯燥，然后在氮或氬等惰性氣體保護下緩慢加熱到400℃。達400℃后，快速升溫至900~1000℃，使之完全炭化，可得含碳量達90%的碳纖維。假設(shè)以聚丙烯睛纖維為原絲，那么需先對原絲進行180~220℃、約10小時的預(yù)氧化處理，然后再經(jīng)過炭化和石墨化處理，由此制得具有優(yōu)良性能的碳纖維。42精選課件活性碳纖維的生產(chǎn)工藝流程PAN纖維瀝青纖維粘膠纖維預(yù)氧絲預(yù)氧絲預(yù)氧絲碳化活化ACF活性炭纖維活性碳纖維氈活性碳纖維布活性碳纖維紙不熔化預(yù)氧化催化浸清預(yù)氧化43精選課件碳纖維的分類按性能分類：高性能型碳纖維－抗拉強度在2000MPa以上，主要用于航天、航空和軍工等領(lǐng)域；通用型碳纖維－抗拉強度在600～1200MPa左右，主要用于機械制造、建筑和體育用品，如剎車片、軸承、密封材料等。其它：活性碳纖維、氣相生長碳纖維、納米碳纖維等按原料分類：粘膠基碳纖維〔<1%〕聚丙烯腈碳纖維PAN〔>90％〕瀝青基碳纖維〔<10%〕44精選課件碳纖維的制造方法:碳纖維制品有布、帶、粗紗、短纖維和氈等長絲----filament，根本的纖維結(jié)構(gòu)單元。本身是連續(xù)的，或至少遠遠長于其平均直徑〔通常其直徑為5～10微米〕紗------yarn，小束的連續(xù)長絲，一般不大于10000支，纖維輕輕的鉸合在一起以便像長絲那樣使用纖維織物----交織紗、纖維或長絲所編織的平面紡織品結(jié)構(gòu)氣相法有機纖維碳化法〔可制造連續(xù)長纖維〕45精選課件46精選課件1.7.2芳綸纖維:芳綸學(xué)名叫芳香族聚酰胺纖維，是以含苯環(huán)的二氨基化合物與含苯環(huán)的二羧基化合物為原料制成的，屬于聚酰胺纖維。芳綸所用原料不同有多種牌號，如尼龍6T、芳綸1414、芳綸14、芳綸1313等。其中以芳綸1414、芳綸1313最為成熟，產(chǎn)量最大，使用最多。47精選課件芳綸纖維:芳綸創(chuàng)造于20世紀60年代，由美國和蘇聯(lián)等首先研制成功，并于70年代投入工業(yè)化生產(chǎn)。目前美、德、日、俄等國已生產(chǎn)芳綸1414，總生產(chǎn)能力為4.1萬噸/年。美、日、俄等國生產(chǎn)芳綸1313，總生產(chǎn)能力為2.4噸年。我國于20世紀70年代開始研究芳綸，已根本上掌握了其生產(chǎn)技術(shù)及工藝條件，但這種產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程復(fù)雜，對技術(shù)與設(shè)備的條件要求很高，目前只有小規(guī)模生產(chǎn)。48精選課件芳綸纖維:芳綸1414的商品名叫凱芙拉〔Kevlar〕，所用原料是對苯二甲酰氯和對苯二胺。Kevlar被稱作高強度、高模量纖維，其強度是普通錦綸或滌綸纖維的4倍，為鋼絲的5倍、鋁絲的10倍。沖擊強度可比金屬高6倍。模量為錦綸的20倍，比玻璃纖維和碳纖維的模量都高。使用壽命比玻璃纖維長3～10倍。長期使用溫度為240℃，在400℃以上才開始燒焦。缺點是橫向強度低，壓縮和剪切性能差。49精選課件芳綸纖維:密度1.44，比各種金屬都要輕得多。化學(xué)性能很穩(wěn)定。主要用于航空航天和國防軍工領(lǐng)域，主要用于制作各種復(fù)合材料，用于空間飛行器、飛機、直升飛機等的內(nèi)部及外表，還可用于宇宙飛船、火箭發(fā)動機外殼、導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)。可用于制作防彈衣、防彈頭盔、輪胎簾子線和抗沖擊織物。50精選課件芳綸纖維:目前已實現(xiàn)工業(yè)化并廣泛使用的聚芳酰胺纖維Kevlar

特點：高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度。同時它也耐蠕變、耐疲勞，而且熱膨脹系數(shù)小。用Kevlar49作增強材料可代替鋁合金，它的沖擊強度可比金屬高6倍，使用壽命比玻璃纖維長3～10倍，

芳綸纖維的成纖工藝與碳纖維和玻璃纖維都不同，它用的是液晶紡絲工藝，用干噴濕紡法紡絲。芳綸纖維和其它增強纖維一樣，可以制成各種連續(xù)長纖維和粗、細紗。細紗可以紡織成各種織物，粗紗可以加工成各種粗紗布或單向帶。51精選課件Kevlar纖維成形：1、紡絲原液的制備：聚合物在少數(shù)強酸性溶液中〔濃硫酸〕溶解成適宜紡絲的濃溶液，使其具有典型的向列型液晶結(jié)構(gòu)；2、成形工藝：紡絲原液通過噴絲孔，在剪切力和拉伸流動下，向列型液晶微區(qū)沿纖維軸向取向，吐出噴絲孔后，由于壓力松弛，使取向的大分子鏈產(chǎn)生局部解取向傾向。很快液流受到拉伸應(yīng)力作用，又抑制解取向，在空氣中進一步細化伸長并獲得高度取向，到低溫的凝固浴中，冷卻凝固成凍結(jié)液晶相纖維，因此初生絲無需拉伸就能得到高強度高模量的纖維。52精選課件53精選課件

1.7.3玻璃纖維:

最早用于聚合物基復(fù)合材料的一種增強材料。美國于1893年即研究成功玻璃纖維，1938年工業(yè)化并作為商品出售，40年代初即應(yīng)用于航空工業(yè)。玻璃纖維熔制過程示意圖54精選課件玻璃纖維-glassfibre

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等。它是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝。最后形成各類產(chǎn)品，玻璃纖維單絲的直徑從幾微米到二十幾微米，相當于一根頭發(fā)絲的1/20-1/5，每束纖維原絲都有數(shù)百根甚至上千根單絲組成，通常作為復(fù)合材料中的增強材料。55精選課件玻璃纖維具有很高的拉伸強度，不僅超過了各種天然纖維和合成纖維，同時也超過一般鋼材的強度。玻璃纖維的強度與直徑和長度的大小有關(guān)，一般來說直徑越細，拉伸強度越高；拉伸試件越長，強度越小。玻璃纖維的彈性模量不高，與純鋁的模量接近，只有普通鋼的1/3。彈性模量低是其主要缺點。玻璃纖維受力時，其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性根本上是一條直線，沒有塑性變形階段，屬于具有脆性特征的彈性材料。它的扭轉(zhuǎn)強度、剪切強度均較其它纖維低。

56精選課件玻璃纖維還具有耐熱、耐腐蝕、優(yōu)良的電絕緣性能與光學(xué)性能。玻璃纖維外觀為光滑的圓柱體，斷面為圓形。由于其外表光滑，與樹脂結(jié)合力小，需加偶聯(lián)劑才能與樹脂結(jié)合。玻璃纖維生產(chǎn)用的最廣泛的方法是坩堝法拉絲和池窯漏板法拉絲兩種。玻璃纖維制品主要有纖維布、纖維氈和纖維帶等。玻璃纖維布可分為平紋布、斜紋布、無捻粗紗布〔方格布〕、單向布、無紡布等。玻璃纖維氈又分為短切纖維氈、外表氈及連續(xù)纖維氈等。57精選課件坩堝爐58精選課件池窯拉絲是國際上普遍采用的玻璃纖維生產(chǎn)新工藝，該技術(shù)特點是，采用重油或燃氣加熱單元窯，粉料直接熔化成玻璃，經(jīng)燃氣加熱的成型通路，由多臺（數(shù)十到上百臺）漏板同時拉制各種規(guī)格的玻璃纖維原絲。具有生產(chǎn)規(guī)模大、效率高、能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點，能適應(yīng)800至4000孔大漏板拉絲成型的要求，是生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本玻璃纖維材料的最佳方法。

59精選課件玻璃池窯60精選課件池窯拉絲61精選課件濕法氈生產(chǎn)線62精選課件連續(xù)原絲氈生產(chǎn)線63精選課件短切原絲氈生產(chǎn)線64精選課件離心棉生產(chǎn)線65精選課件玻璃纖維過濾布生產(chǎn)線66精選課件

1.7.4復(fù)合纖維的生產(chǎn)方法復(fù)合纖維的生產(chǎn)方法主要有復(fù)合紡絲法和共混紡絲法。復(fù)合紡絲法是將兩種性質(zhì)不同的高聚物，用兩根螺桿分別熔融、計量后，共同進入特殊設(shè)計的紡絲組件，經(jīng)噴絲孔噴出冷卻成形。復(fù)合紡絲采用專用的復(fù)合紡絲機生產(chǎn)。共混紡絲是將兩種或兩種以上的具有相容性的聚合物混合在一起進行紡絲的方法。這種方法可以用普通紡絲設(shè)備。67精選課件68精選課件1.8基體材料樹脂

復(fù)合材料是由增強材料和基體材料組成的。基體的三種主要作用是：把纖維粘在一起；分配纖維間的載荷；保護纖維不受環(huán)境影響。在復(fù)合材料的成形過程中，基體經(jīng)過一系列物理的、化學(xué)的和物理化學(xué)的復(fù)雜變化過程，與增強纖維復(fù)合成具有一定形狀的整體。因此，基體材料的性能直接影響復(fù)合材料的性能，而它的工藝性那么直接影響復(fù)合材料的成形方法與工藝參數(shù)的選擇。69精選課件

聚合物基復(fù)合材料的基體材料是樹脂。用作基材的樹脂首先要具有較高的力學(xué)性能、介電性能、耐熱性能和耐老化性能，并且要施工簡便，有良好的工藝性能。樹脂大致可分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩類。前者有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等；后者有聚酰胺、聚砜、聚酰亞胺、聚脂等。這兩類基體材料在使用方法上有很大的不同。70精選課件71精選課件復(fù)合材料的組成基體Matrix增強體Reinforcement界面Interface72精選課件a是玻纖增強PP的沖擊試樣的斷口掃描電鏡照片，（a）是加入MPP相容劑的玻纖增強體系，(a）中玻璃纖維與基體的結(jié)合較好，纖維拔出較少.73精選課件〔b〕是未加相容劑的玻纖增強體系。從中可以看出，而（b）中有大量的玻纖從基體中拔出，證明與基體的粘接性較差，因而體系的力學(xué)性能不高。74精選課件復(fù)合效應(yīng)復(fù)合效應(yīng)實質(zhì)上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互補充的結(jié)果。復(fù)合材料具有特殊的復(fù)合效應(yīng)，使得復(fù)合材料不但根本保持了原有組分的性能，還增添了原有組分沒有的性能。它表現(xiàn)為樹脂基復(fù)合材料的性能是其組分材料根底上的線性和非線性的綜合。復(fù)合效應(yīng)有正有負，性能的提高總是人們所期望的，但有些材料在復(fù)合之后某些方面的性能出現(xiàn)抵消甚至降低的現(xiàn)象是不可防止的。75精選課件

線性效應(yīng)非線性效應(yīng)界面效應(yīng)尺寸效應(yīng)各向異性效應(yīng)

復(fù)合效應(yīng)線性效應(yīng)可細分為平均效應(yīng)、平行效應(yīng)、相補效應(yīng)、相抵效應(yīng)。非線性效應(yīng)可細分為乘積效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、共振效應(yīng)。76精選課件1、線性效應(yīng)〔1〕平均效應(yīng)〔混合效應(yīng)〕復(fù)合材料的某項性能等于各組分的該項性能乘以該組分體積分數(shù)之和。可用混合物定律描述：Kc=ΣKiφi〔并聯(lián)模型〕1/Kc=Σφi/Ki〔串聯(lián)模型〕〔2〕平行效應(yīng)復(fù)合材料的某項性能與其中某一組分的該項性能根本相當。Kc≌Ki77精選課件〔3〕相補效應(yīng)復(fù)合材料各組分復(fù)合后相互補充，彌補各自的弱點，產(chǎn)生優(yōu)異的綜合性能。C=A×B〔4〕相抵效應(yīng)復(fù)合材料各組分之間出現(xiàn)性能相互制約，使其性能低于混合物定律預(yù)測值。Kc<ΣKiφi78精選課件以下舉例對其中的重要效應(yīng)簡單作一說明。平均效應(yīng)又可稱為加和效應(yīng)(MeanProperties)，反映在復(fù)合材料的混合定那么(RuleofMixture)中。該定那么通常用來計算增強材料和基體復(fù)合后對某一性質(zhì)產(chǎn)生的效果，即式中p―某一性質(zhì)，例如強度、模量、泊松比、熱導(dǎo)等Pc―復(fù)合材料的某一性質(zhì)；Pi―原始i材料的某一性質(zhì)；Φ―體積分數(shù)；Φi―N種原始材料中第i種材料體積分數(shù)n―由實驗確定，其范圍為-1≤n≤179精選課件例題：p(PA66)=81.3MPa,p(GF)=3232MPa,p(CF)=3500Φ1=0.7,Φ2=0.3n=1Pc1=81.3×0.7+3232×0.3=1026.51(MPa)Pc2=81.3×0.7+3500×0.3=1106.91(MPa)80精選課件相補效應(yīng)和相抵效應(yīng)AB81精選課件非線性效應(yīng)中，乘積效應(yīng)(ProductProPcnMs＞又叫傳遞特性，交叉耦合效應(yīng)。例如對材料X輸入時輸出為Y，即一種轉(zhuǎn)換功能材料Y/X(如磁場／壓力的換能材料)；而Y又作為另一種材料的第二次輸入，產(chǎn)生輸出Z，即為另一種換能材料Z／Y(如電阻／磁場轉(zhuǎn)換材料)。兩種材料復(fù)合得出一新的機能材料，即Y／X．Z／Y＝Z／X(即電阻／壓力轉(zhuǎn)換構(gòu)料)。乘積效應(yīng)對開發(fā)新型功能材料指出了方向，因為這種效應(yīng)不僅僅比單一材料獲得很強的性能，甚至還可利用它創(chuàng)造出任何單一材料都不存在的新的功能效應(yīng)。82精選課件2、非線性效應(yīng)相乘效應(yīng)〔X/Y〕?〔Y/Z〕=X/ZA組元性質(zhì)X/YB組元性質(zhì)Y/Z相乘性質(zhì)X/Z壓磁效應(yīng)壓磁效應(yīng)磁致伸縮熱致變形磁阻效應(yīng)電磁效應(yīng)壓阻效應(yīng)壓敏效應(yīng)壓阻效應(yīng)壓電效應(yīng)磁阻效應(yīng)熱敏效應(yīng)83精選課件當你在點燃煤氣灶或熱水器時，就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你效勞了一次。生產(chǎn)廠家在這類壓電點火裝置內(nèi)，藏著一塊壓電陶瓷，當用戶按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓，進而將電能引向燃氣的出口放電，于是，燃氣就被電火花點燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應(yīng)。反之施加電壓，那么產(chǎn)生機械應(yīng)力，稱為逆壓電效應(yīng)。84精選課件原理上利用鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷在電能與機械能之間相互轉(zhuǎn)換的正、逆壓電效應(yīng)，既在壓電陶瓷加一電信號，便產(chǎn)生機械振動而發(fā)射超聲波，當超聲波在空氣傳播途中碰到障礙物立即被反射回來，作用于它的陶瓷時，那么會有電信號輸出，通過數(shù)據(jù)處理時間差測距，計算顯示車與障礙物的距離及危險相撞時報警，可準確無誤地探測汽車尾部及駕車者視角盲區(qū)的微小障礙物，實用性相當強。超聲波傳感器用作汽車倒車防撞報警器裝置，也被稱為超聲波倒車雷達或倒車聲納系統(tǒng)，尤其適用于加長型裝載汽車、載重大貨車、礦山汽車等大型車輛。85精選課件1.9用作先進航天系統(tǒng)及武器的結(jié)構(gòu)和防熱復(fù)合材料(1)樹脂基復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強度和剛度高、阻尼大的特點，主要用于先進載人航天器、空間站和固體發(fā)動機的結(jié)構(gòu)件，是航天領(lǐng)域中用量較多的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。與常規(guī)金屬材料相比，可減輕構(gòu)件質(zhì)量20%～60%。主要材料有石墨/環(huán)氧、硼/環(huán)氧、石墨/聚酰亞胺和聚醚酮等。國內(nèi)外在防空導(dǎo)彈天線罩的制造中也應(yīng)用或正在開展應(yīng)用工作。86精選課件(2)金屬基復(fù)合材料以金屬或合金為基體、并以纖維、晶須、顆料等為增強體。按所用的基體金屬和增強體的不同，使用溫度范圍約在300～1200℃。高比強度、比剛度、良好韌性和塑性、低膨脹系數(shù)、良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性、抗輻射、抗激光及制造性能好，在太空環(huán)境不放氣，能在較高溫度〔200～800℃〕工作。用于先進載人器的起落架等機身輔助結(jié)構(gòu)以及慣性器件和儀表結(jié)構(gòu)等。主要材料有碳化硅/鋁、氧化鋁/鋁、碳化硅/鈦、碳化硅/鈦鋁化合物和石墨/銅等。87精選課件

(3)陶瓷基復(fù)合材料具有使用溫度高、抗氧化性和抗微裂紋性能好、質(zhì)量輕、強度和剛度高特點，可用于航天飛機的機頭錐、機翼前緣熱結(jié)構(gòu)和蓋板結(jié)構(gòu)。主要材料有碳/碳化硅、碳化硅/碳化硅、硼化鋯/碳化硅和硼化鉿/碳化硅等，其中硼化物陶瓷基復(fù)合材料被認為是抗氧化最強的高溫材料，耐熱溫度達2200℃。88精選課件(4)碳/碳復(fù)合材料以碳或石墨纖維為增強體。具有良好的抗氧化性、耐高溫和高應(yīng)力，是現(xiàn)有復(fù)合材料中工作溫度最高的材料。主要用于載人再入航天器的熱結(jié)構(gòu)、面板結(jié)構(gòu)和發(fā)動機噴管燒蝕防熱結(jié)構(gòu)等。材料有增強碳/碳〔RCC〕和進行碳/碳〔ACC〕。超輕、超剛性結(jié)構(gòu)用的石墨泡沫材料〔SGF〕目前正在研究中，它有可能用于包括機翼、無人機及衛(wèi)星在內(nèi)的結(jié)構(gòu)件。89精選課件一半以上的碳/碳復(fù)合材料用于飛機剎車裝置，具有重量輕、耐高溫、比熱容大、壽命長、剎車力矩平穩(wěn)、噪音小等優(yōu)點。前蘇聯(lián)的“暴風(fēng)雪〞號航天飛機所用的復(fù)合材料達5t之多，在機翼前緣和頭錐罩應(yīng)用了碳/碳復(fù)合材料充當最重要的隔熱局部，工作溫度1600℃。美國“哥倫比亞〞號航天飛機在頭錐和機翼前緣也使用了碳/碳復(fù)合材料，工作溫度大于1200℃。美國國防部將研制碳/碳部件和輕質(zhì)航天器作為2001～2005年航天材料技術(shù)開展的重要目標。90精選課件1.10復(fù)合材料構(gòu)件在其他方面的應(yīng)用

----以碳纖維或碳化硅纖維增強的鋁基復(fù)合材料，在500℃時仍能保持足夠的強度和模量，比未增強的鋁好得多；碳化硅纖維與鈦復(fù)合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動機風(fēng)扇葉片。91精選課件----非金屬基復(fù)合材料由于密度小，用于汽車可減輕重量、提高車速、節(jié)約能源。如用碳纖維增強塑料制成的車身和發(fā)動機罩，其重量可比金屬制的輕一半以上；用碳纖維與玻璃纖維混合制成的復(fù)合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大五倍多的鋼片彈簧相等。----碳化硅纖維與氮化硅陶瓷復(fù)合，使用溫度可達1500℃，比超合金渦輪葉片的使用溫度高很多。92精選課件----復(fù)合材料范圍廣，品種多，性能優(yōu)異，有很大的開展前途。玻璃纖維增強熱固性塑料中的片狀模塑料開展很快，已出現(xiàn)了許多分支，其制品已由非受力件擴大到受力件如傳動支架等。玻璃纖維增強熱塑性塑料的用途越來越廣，其開展速度在有的國家已超過熱固性的增長率。----高級復(fù)合材料的開展方向是降低本錢，擴大應(yīng)用范圍。用兩種或兩種以上的不同纖維作為增強材料，不但可降低本錢，且其混合效應(yīng)超過一般的混合規(guī)律。航空中的結(jié)構(gòu)件、工業(yè)用機器人、海洋開發(fā)用的結(jié)構(gòu)材料、汽車片彈簧和驅(qū)動軸等，將越來越多采用混合纖維增強復(fù)合材料。93精選課件----由碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。因為航天飛行器的重量的減少可大大減輕運載火箭的重量。同樣，飛機重量的減輕也可以節(jié)省油耗，提高航速。有一種垂直起落戰(zhàn)斗機，它所用的碳纖維復(fù)合材料已占全機重量的1/4，占機翼重量的1/3。據(jù)報道，美國航天飛機上3只火箭推進器的關(guān)鍵部件的噴嘴以及先進的MX導(dǎo)彈發(fā)射管等，都是用先進的碳纖維復(fù)合材料制成的。94精選課件復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用〔1〕土木建筑領(lǐng)域主要是橋梁和抗震補強材料，在日本和臺灣省大地震后，需求量大增。另外，伴隨著信息社會的興旺，出現(xiàn)了機密泄露和通過內(nèi)外部的各種情報、通信設(shè)備而相互干擾等社會問題，其對策便是利用碳纖維網(wǎng)格混入混凝土中形成電磁波屏蔽墻加以解決。此外，碳纖維管制的桁梁構(gòu)架屋頂，比鋼制品輕1/2，使大型結(jié)構(gòu)物到達了實用化的水平，而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。95精選課件〔2〕汽車天然纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中主要用于車門內(nèi)裝飾板、司機用雜物箱、貨車車廂地板、備胎蓋、座位靠背。還可以用于儀表板、座椅扶手、儀表板雜件箱、后擱物架、車頂內(nèi)村、遮陽板、座椅架行李倉裝飾板、座椅頭枕襯墊等。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，北美地區(qū)2000—2005年間天然纖維復(fù)合材料汽車零部件的平均年增長率為50％左右。2005年，汽車工業(yè)對天然纖維的年需求量超過4.5萬噸。96精選課件汽車零部件纖維種類聚合物纖維含量，%車門板/襯墊洋麻/大麻，50/50聚丙烯50木纖維聚丙烯50雜物箱/后擱物架洋麻聚丙烯50亞麻聚丙烯50木纖維酚醛樹脂85座位靠板/貨車車廂地板亞麻聚丙烯50備胎蓋/車身后壁板亞麻聚丙烯50木纖維聚丙烯50其它內(nèi)裝飾板

洋麻聚丙烯50亞麻聚丙烯5097精選課件〔3〕PAN(聚丙烯腈)系活性碳纖維由東邦人造絲首先產(chǎn)業(yè)化和上市，具有起吸附作用的微孔，吸脫附速度快，在低濃度下的吸附性能優(yōu)良，可用于清酒的脫色、凈化器濾材等。〔4〕海底油田上的油管等作為深海海底油田的輸送管，具有輕、強、耐腐蝕等特性。此外，平臺支架、鉆井套管等也需CFRP〔碳纖維增強熱固性樹脂〕材料。98精選課件世界碳纖維的主要生產(chǎn)商為日本的東麗、東邦人造絲、三菱人造絲三大集團和美國的卓爾泰克〔ZOLTEK〕、阿克蘇〔AKZO〕、阿爾迪拉〔ALDIL1〕和德國的SGL公司等。其中日本三大集團占世界生產(chǎn)能力的75％。世界CT型碳纖維總生產(chǎn)能力為22100噸/年；LT型碳纖維總生產(chǎn)能力為9550噸/年，實際生產(chǎn)量約為7000噸/年。99精選課件〔5〕風(fēng)力發(fā)電用翼片歐洲的風(fēng)力發(fā)電翼片都采用CFRP材料，而隨著其大型化，考慮到20-40m長的翼片其強度和質(zhì)量，已開始采用CFRP。〔6〕其它CFRP和CFRPT〔碳纖維增強熱塑性樹脂〕可用于印刷軸承、凸輪、殼體、VTR(影象錄放器)、CD部件、齒輪、制動器、泵、照相機部件、眼鏡架等，目前CFRPT還用得很少。100精選課件1.11復(fù)合材料飛機構(gòu)件的特點1.11.1復(fù)合材料飛機構(gòu)件：根據(jù)復(fù)合材料飛機構(gòu)件的形式、增強劑、所用的原材料可以分為三個方面：1.不同類型構(gòu)件(1)由梁、肋、長桁、框、壁板組成的或一次固化成形的機體構(gòu)件，目前應(yīng)用最廣泛。零件可以分散制造，成形工藝簡單，質(zhì)量良好。(2)用于承受軸向拉、壓載荷及扭矩的管狀構(gòu)件，如飛機操縱桿。(3)操縱面上普遍使用的夾層結(jié)構(gòu)，如方向舵面，副翼翼面等。夾層結(jié)構(gòu)的芯子可以由不同材料組成，如硬質(zhì)泡沫塑料、蜂窩芯子等。夾層結(jié)構(gòu)的特點在于比剛度和比強度高，能承受均布的氣動力，所以在飛機上的活動操縱面上使用很適宜。101精選課件2.不同種類增強劑制造的構(gòu)件復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)件的增強劑主要限于硼、碳及Kevlar的連續(xù)纖維。硼纖維有優(yōu)秀的機械性能，但價格昂貴，纖維直徑較粗，零件成形時限制比碳纖維多，至今使用不廣。在美國的F-111、F-14及法國的幻影2000等飛機上，碳纖維的使用量占首位。碳纖維品種規(guī)格齊全，可根據(jù)設(shè)計要求選用，價格也比硼纖維廉價。Kevlar纖維具有很高的抗拉強度，密度小，韌性好，但抗壓模量低，在主受力構(gòu)件中應(yīng)用受到限制。但與其它纖維混用，可以改善層壓板性能。102精選課件在復(fù)合材料構(gòu)件中使用的主要增強劑有：(1)單一增強劑(2)混雜型增強劑混雜型增強劑在層壓板中存在的形式有：層間混雜不同纖維層在層間按一定規(guī)律相互交替存在。層內(nèi)混雜在同一層內(nèi)，存在不同的纖維，如Kevlar纖維與碳纖維的編織物。纖維間混雜一束纖維中有兩種以上不同的纖維。(3)單向纖維與編織物復(fù)合材料的原材料以預(yù)浸料形式提供使用。103精選課件3.金屬與復(fù)合材料混合的構(gòu)件(1)全復(fù)合材料構(gòu)件如強-五飛機的垂直安定面。這種結(jié)構(gòu)當受熱時不會因材料不同引起不同膨脹而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，也不會發(fā)生金屬材料的腐蝕問題。(2)金屬材料與碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料混用于同一結(jié)構(gòu)中它們之間可以采用機械連接或膠接連接，也可以在復(fù)合材料構(gòu)件固化過程中把金屬件嵌入層壓板中，但可能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和腐蝕。104精選課件1.11.2飛機復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)工藝性：

在先進復(fù)合材料零件的制造中，普遍應(yīng)用纏繞法制造筒體或桿狀件和以預(yù)浸料鋪疊成坯件，然后固化成各種零部件。等截面的型材可用拉擠法成形。目前預(yù)浸料法是飛機構(gòu)件主要的制造方法。105精選課件

復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)工藝性是以飛機構(gòu)件制造難易程度為依據(jù)的。一個具有良好工藝性的復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)該使構(gòu)件容易制造，不需太復(fù)雜的技術(shù)和大量的模具；容易控制質(zhì)量，構(gòu)件內(nèi)部不要產(chǎn)生分層、孔隙、樹脂分布不均等缺陷，容易保證尺寸外形精確度，制品具有良好的互換協(xié)調(diào)性；易于實現(xiàn)制造過程機械化和自動化；生產(chǎn)準備簡單，不需大規(guī)模技術(shù)改造，生產(chǎn)周期短，效率高。

106精選課件1.結(jié)構(gòu)工藝別離面劃分復(fù)合材料的