全碳纤维复合材料结构2航空航天材料简史课件.ppt

1、L/O/G/O 航空工程材料航空工程材料一、绪论一、绪论刘传生：刘传生：， QQ：1727732739教师介绍教师介绍课程安排课程安排考核方法考核方法13周，周，36学时学时 平时表现：占平时表现：占40%，课堂表现、出勤率、课，课堂表现、出勤率、课堂小考、作业等堂小考、作业等期末考试，闭卷期末考试，闭卷内容提纲内容提纲材料的概念与分类材料的概念与分类1.1航空航天材料简史航空航天材料简史1.2材料的性能材料的性能材料的重要作用材料的重要作用举例：举例：旧石器时代旧石器时代 距今约距今约250万年万年新石器时代新石器时代 距今距今1万年万年青铜时代青铜时代 公元前公元前3000年年铁器时代铁器

2、时代 公元前公元前1000年年水泥、钢、塑料；合成纤维（如尼龙）取代自然纤维（如棉、麻，蚕丝）水泥、钢、塑料；合成纤维（如尼龙）取代自然纤维（如棉、麻，蚕丝） 信息时代：信息时代：20世纪世纪50年代，基于硅的集成电路取代分立式晶体管年代，基于硅的集成电路取代分立式晶体管 新材料时代：纳米材料、复合材料新材料时代：纳米材料、复合材料回顾历史，任何一个时代的变革，都是以新材料的产生为基础回顾历史，任何一个时代的变革，都是以新材料的产生为基础的，新材料总是：的，新材料总是：革命性的革命性的改变人们的生活和文化的进程改变人们的生活和文化的进程产生一种全新的工业产生一种全新的工业航空飞行器航空飞行器航

3、天飞行器航天飞行器要求要求：轻质高强：轻质高强：“克克计较克克计较”，对航天飞机来说，对航天飞机来说，每减重每减重1kg的经济效益逾万美元。的经济效益逾万美元。高温耐蚀：发动机材料、再入过程、宇宙射高温耐蚀：发动机材料、再入过程、宇宙射线、低地球轨道上原子氧等线、低地球轨道上原子氧等航空航天材料航空航天材料：泛指用于制造航空、航天飞行器的材料。泛指用于制造航空、航天飞行器的材料。重要作用重要作用：先导和基础作用。先导和基础作用。“一代材料，一代飞行器一代材料，一代飞行器”航空航天材料反映出材料发展的前沿，特别航空航天材料反映出材料发展的前沿，特别是代表了一个国家结构材料技术的最高水平。是代表了

4、一个国家结构材料技术的最高水平。大气层内航行大气层内航行如：飞机、飞艇、如：飞机、飞艇、热气球等热气球等大气层外航行大气层外航行如：人造卫星、宇如：人造卫星、宇宙飞船、空间站等宙飞船、空间站等1.1 材料的概念与分类材料的概念与分类1.1 材料的概念与分类材料的概念与分类复合材料复合材料金属材料金属材料铁合金材料铁合金材料钢钢铁铁非铁合金材料非铁合金材料铝及其合金铝及其合金铜及其合金铜及其合金钛及其合金钛及其合金镁及其合金镁及其合金镍及其合金镍及其合金非金属材料非金属材料有机聚合物有机聚合物纤维纤维橡胶橡胶塑料塑料无机材料无机材料水泥水泥玻璃玻璃陶瓷陶瓷树脂基树脂基颗粒增强颗粒增强纤维增强纤维

5、增强晶须增强晶须增强编织结构增强编织结构增强金属金属基复基复合材合材料料工程材料工程材料陶瓷陶瓷基复基复合材合材料料按组织成分分类按组织成分分类用于机械或建筑工程用于机械或建筑工程经人工提炼或制造，非经人工提炼或制造，非自然直接提供自然直接提供固体材料固体材料1.1 材料的概念与分类材料的概念与分类工程材料工程材料按使用功能分类按使用功能分类功能材料功能材料结构材料结构材料用于制造实现运动和传用于制造实现运动和传递动力的零件递动力的零件性能指标：力学性能（性能指标：力学性能（强度、硬度、刚度、塑强度、硬度、刚度、塑性、韧性、疲劳强度、性、韧性、疲劳强度、耐磨强度等）耐磨强度等）包括金属、高分子

6、、复包括金属、高分子、复合材料等合材料等 利用物理特性及其对外部利用物理特性及其对外部环境的响应实现信息处理环境的响应实现信息处理和能量转换和能量转换性能指标：声、光、电、性能指标：声、光、电、磁、热等物理性能磁、热等物理性能隐身、减振、隔热、信息、隐身、减振、隔热、信息、电子材料电子材料1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空孔明灯和热气球：纸、漆布（亚麻）孔明灯和热气球：纸、漆布（亚麻）1903年年12月月17日，莱特兄弟制造出世界上第一架动力飞机日，莱特兄弟制造出世界上第一架动力飞机 “飞行者飞行者1号号”。这是一架。这是一架用轻质木料为骨架、帆布为蒙皮的双翼机。其中木材占用

7、轻质木料为骨架、帆布为蒙皮的双翼机。其中木材占47,钢占钢占35，布占，布占18,飞机飞机的飞行速度只有的飞行速度只有16公里公里/时。时。铝合金时代铝合金时代：铝合金、镁合金：铝合金、镁合金 1906年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，使制造全金属结构的飞机成为可年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，使制造全金属结构的飞机成为可能。能。 40年代出现的全金属结构飞机的承载能力已大大增加，飞行速度超过了年代出现的全金属结构飞机的承载能力已大大增加，飞行速度超过了600公里公里/时。时。高温合金时代高温合金时代：钛基高温合金、镍基高温合金：钛基高温合金、镍基高温合金 在合金强化理论的基础上

8、发展起来的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不在合金强化理论的基础上发展起来的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不断提高。断提高。 50年代年代钛合金钛合金的研制成功和应用对克服机翼蒙皮的的研制成功和应用对克服机翼蒙皮的“热障热障”问题起了重大作用，飞机问题起了重大作用，飞机的性能大幅度提高的性能大幅度提高,最大飞行速度达到了最大飞行速度达到了3倍音速。倍音速。SR-71“黑鸟黑鸟”（Black Bird），美国空军高空高速），美国空军高空高速侦察机。机身采用低重量、侦察机。机身采用低重量、高强度的钛合金作为结构材高强度的钛合金作为结构材料料 最大飞行高度：最大飞行高度：30000

9、米米最大速度：最大速度：3.5马赫马赫1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空 先进复合材料时代（现阶段）先进复合材料时代（现阶段）：聚合物基、陶瓷基、金属基、金属间化物基复合材料复合材料代替铝，可实现复合材料代替铝，可实现20-40%的减重。的减重。复合材料的用量及其性能水平已成为飞行器先进性的重要标志之一。复合材料的用量及其性能水平已成为飞行器先进性的重要标志之一。 - 1959年，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维在日本问世 - 60年代中期生产出碳纤维复合材料 - 70年代初碳纤维增强复合材料被首先应用于军机1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空1.2 航空航天材料简

10、史：航空航空航天材料简史：航空飞机型号 设计年代钛合金（%）复合材料（%）铝合金（%）钢（%）F1419692413917F18197813124917F2219894124115B219882650196军用飞机结构材料用量对比（整机重量百分比）军用飞机结构材料用量对比（整机重量百分比）1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空三代战机：F-14：平尾等受力小的部分，复合材料用量1% F-18：机翼等部位，复合材料用量12%F14战斗机F18战斗机1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空四代战机：机翼、机身、垂尾、平尾、进气道、起落架等大面积使用复合材料，F-22：24

11、%，钛合金41% F-35：35% 1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空其他军机：其他军机：B-2隐形轰炸机：隐形轰炸机：50% Tiger虎式武装直升机：虎式武装直升机：45%1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空我国的歼我国的歼-10：三代半战机，机翼为全金属，复合材料用：三代半战机，机翼为全金属，复合材料用量很少量很少歼歼-10战斗机是我国第一架完全独立拥有自主知识产权的战斗机，战斗机是我国第一架完全独立拥有自主知识产权的战斗机，2005年正式装备部队并在很短的时间内成建制、系统地形成了战斗年正式装备部队并在很短的时间内成建制、系统地形成了战斗力。力。大型客

12、机：大型客机：铝合金铝合金（%）钢钢（%）钛合金钛合金（%）复合材料复合材料（%）B-747811341B-757781263B-767801423B-77770117101.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空A-380: 25%，中心翼盒用复合材料，中心翼盒用复合材料5.3吨，吨，实现减重实现减重1.5吨。吨。 B-787: 50%，有史以来第一款在主体结构，有史以来第一款在主体结构（机翼和机身）上采用先进复合材料的大型客（机翼和机身）上采用先进复合材料的大型客机。机。A-350：40%波音与空客对决的关键：复合材料！波音与空客对决的关键：复合材料！2008年年6月月2日，在四

13、川省北川县擂鼓镇，一架前苏联日，在四川省北川县擂鼓镇，一架前苏联米米26直升机完成唐家山堰塞湖抢险设备向外吊运工直升机完成唐家山堰塞湖抢险设备向外吊运工作后离开。作后离开。 通用飞机：通用飞机：除从事定期客运、除从事定期客运、货运等公共航空运输飞机之货运等公共航空运输飞机之外的其他民用航空活动的所外的其他民用航空活动的所有飞机的总称。有飞机的总称。赛斯纳赛斯纳 172超轻型喷气飞超轻型喷气飞机机Learjet 85：全碳纤维复合全碳纤维复合材料结构材料结构1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空总结总结：通过以上对航空材料发展历程的回顾，我们看通过以上对航空材料发展历程的回顾，我们

14、看到，无论是军机还是民机，钢和铝合金的用量到，无论是军机还是民机，钢和铝合金的用量都在日渐减少，而都在日渐减少，而高温钛合金高温钛合金和和先进复合材料先进复合材料是今后重点发展的航空材料。是今后重点发展的航空材料。1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空1.2 航空航天材料简史：航天航空航天材料简史：航天航天与航空材料有什么相同点和不同点？航天与航空材料有什么相同点和不同点？应用背景应用背景：当航天飞行器（导弹、火箭、飞船等）以高超音速冲出大当航天飞行器（导弹、火箭、飞船等）以高超音速冲出大气和返回地面时，在气动加热下，其表面温度可达气和返回地面时，在气动加热下，其表面温度可达10

15、003000 C。固体火箭发动机工作时，燃烧室压强可达固体火箭发动机工作时，燃烧室压强可达200个大气压，个大气压，产生产生2000 C的高温，燃气在喷喉处的流速达的高温，燃气在喷喉处的流速达1马赫数。马赫数。航天材料要求：不仅要轻质高强，还要耐高温耐腐蚀航天材料要求：不仅要轻质高强，还要耐高温耐腐蚀热防护是关键问题！热防护是关键问题！热防护材料发展热防护材料发展：20世纪世纪50年代以后，材料年代以后，材料烧烧蚀防热理论蚀防热理论的出现以及的出现以及烧蚀材料烧蚀材料的研制成功，解的研制成功，解决了弹道导弹弹头及航天器的再入防热问题。决了弹道导弹弹头及航天器的再入防热问题。 1969年年7月月

16、20日人类首次登月，此后航天事业大日人类首次登月，此后航天事业大发展！发展！ 1.2 航空航天材料简史：航天航空航天材料简史：航天天地往返运输系统的运载工具：载人飞船、航天飞机天地往返运输系统的运载工具：载人飞船、航天飞机第一代航天飞机第一代航天飞机：垂直起飞，水平降落，部分多次重复使用，飞行次数：垂直起飞，水平降落，部分多次重复使用，飞行次数100次。次。 采用防热采用防热-结构分开设计的思想：冷结构结构分开设计的思想：冷结构+热防护系统热防护系统第二代航天飞机第二代航天飞机：水平起飞，：水平起飞，二级入轨二级入轨，部分重复使用。，部分重复使用。 部分部分热结构设计热结构设计为主与冷结构为主

17、与冷结构+热防护系统相结合热防护系统相结合创新处：创新处：1. 二级入轨：用超高音速飞机把二级飞行器用火箭发动机送入空间二级入轨：用超高音速飞机把二级飞行器用火箭发动机送入空间 轨道，飞机返回地面。轨道，飞机返回地面。 2. 热结构设计：把承力结构设计和热防护的隔热防热设计结合在一热结构设计：把承力结构设计和热防护的隔热防热设计结合在一起。起。空天飞机空天飞机：水平起飞，一级入轨，完全重复使用：水平起飞，一级入轨，完全重复使用 全机采用热结构设计全机采用热结构设计1.2 航空航天材料简史：航天航空航天材料简史：航天应用部位应用部位材料材料适用范围适用范围备注备注头锥帽，机翼前缘头锥帽，机翼前缘

18、抗氧化碳抗氧化碳/碳碳1260 C已实用已实用机身，机翼下表面机身，机翼下表面刚性陶瓷瓦刚性陶瓷瓦650-1260 C已实用已实用机身，机翼上表面机身，机翼上表面柔性陶瓷隔热毡柔性陶瓷隔热毡370-650 C已实用已实用美国航天飞机热防护系统所用材料情况美国航天飞机热防护系统所用材料情况1.2 航空航天材料简史：航天航空航天材料简史：航天u美研制美研制X-37高速飞行高速飞行(2005(2005年年6 6月月2121日日搭乘搭乘“白骑士白骑士”首次飞行首次飞行 ) )无人驾驶，全机身复合材料，二级入轨，水平降落。若成功可在两小时内对地球任何地点进行打击无人驾驶，全机身复合材料，二级入轨，水平降

19、落。若成功可在两小时内对地球任何地点进行打击1.2 航空航天材料简史：航天航空航天材料简史：航天uX-33飞行器TPSu美研制美研制X-33无人驾驶、一级入轨。无人驾驶、一级入轨。 2001 年年 3 月，由于存在诸多难以突破的技月，由于存在诸多难以突破的技术难关，术难关，NASA 取消了已经耗资了取消了已经耗资了 13 亿美元的亿美元的 X-33 项目项目1.2 航空航天材料简史：航天航空航天材料简史：航天1.3 材料的性能材料的性能1.3.1 静载荷作用下材料的力学性能静载荷作用下材料的力学性能1. 强度强度（1）弹性极限和弹性模量）弹性极限和弹性模量（2）屈服强度）屈服强度（3）抗拉强度

20、）抗拉强度2. 塑性塑性（1）延伸率）延伸率（2）断面收缩率）断面收缩率3.硬度硬度（1）布氏硬度：适用于较软材料）布氏硬度：适用于较软材料（2）洛氏硬度：适用于较硬材料）洛氏硬度：适用于较硬材料飞行器选材与设计时，必须考虑材料的使用性能和工艺性能。飞行器选材与设计时，必须考虑材料的使用性能和工艺性能。1.3 材料的性能材料的性能1.3.2 动载荷作用下材料的力学性能动载荷作用下材料的力学性能1. 冲击韧性：材料在冲击力作用下所具有的抵抗变形和断裂的能力冲击韧性：材料在冲击力作用下所具有的抵抗变形和断裂的能力2. 断裂韧性：材料的应力强度因子断裂韧性：材料的应力强度因子KI在动载荷加载过程中增

21、大至某一数值时，在动载荷加载过程中增大至某一数值时，突然快速脆断，这一临界值称为断裂韧性，用突然快速脆断，这一临界值称为断裂韧性，用KIC表示。表示。测试标准：美国测试标准：美国ASTM D5045-99试验方法试验方法1：三点弯试验：三点弯试验试验方法试验方法2：拉伸试验：拉伸试验1.3 材料的性能材料的性能3. 疲劳强度：在交变载荷下，经过一段时间后，材料发生断裂，此时材料所受的应力称为疲劳强度。测试方法：通过测定钢在106107周期和非铁金属在107108周期加载而不断裂的最大应力而得到，单位MPa。1.3 材料的性能材料的性能1.3.3 材料高温和低温下的力学性能材料高温和低温下的力学

22、性能1. 高温性能高温性能蠕变蠕变：当材料在高温下长时间工作，应力小于屈服强度时，：当材料在高温下长时间工作，应力小于屈服强度时，会发生缓慢塑性变形会发生缓慢塑性变形 现象，称为蠕变。现象，称为蠕变。蠕变程度的指标：蠕变程度的指标：蠕变强度、持久强度蠕变强度、持久强度2. 低温性能低温性能在低温环境下，大多数材料会出现脆性，使其在不大的应力在低温环境下，大多数材料会出现脆性，使其在不大的应力下发生断裂，称作脆断。下发生断裂，称作脆断。脆化温度脆化温度TK越低，材料越不易脆断，其越低，材料越不易脆断，其低温韧性低温韧性越好。越好。1.3 材料的性能材料的性能1.3.4 材料的物理性能材料的物理性

23、能1. 密度密度比强度：比强度：b/ 比弹性模量：比弹性模量：E/ 2. 导电性导电性金属金属合金合金非金属非金属3. 磁性磁性软磁材料：容易磁化，也容易退磁，如硅钢片软磁材料：容易磁化，也容易退磁，如硅钢片硬磁材料：外磁场去掉后，仍能保持磁性，如稀土钴硬磁材料：外磁场去掉后，仍能保持磁性，如稀土钴铜、铝、铅、非金属为无磁性材料。铜、铝、铅、非金属为无磁性材料。1.3 材料的性能材料的性能4. 导热性导热性 热防护结构中及液氧贮箱结构中都应用了最好的绝热防护结构中及液氧贮箱结构中都应用了最好的绝热材料。热材料。5. 熔点熔点 航空航天器上的高温部件使用高熔点材料。航空航天器上的高温部件使用高熔

24、点材料。6. 热膨胀性热膨胀性 线膨胀系数：单位温度升高引起的材料两点之间距线膨胀系数：单位温度升高引起的材料两点之间距离的膨胀或收缩与这两离的膨胀或收缩与这两 点之间原距离的比值点之间原距离的比值 陶瓷陶瓷金属金属高分子材料高分子材料1.3 材料的性能材料的性能1.3.5 材料的耐蚀性能材料的耐蚀性能1. 化学腐蚀化学腐蚀 金属的氧化、硫化、和氯化金属的氧化、硫化、和氯化 高分子的氧化和有机溶剂溶蚀高分子的氧化和有机溶剂溶蚀 无机非金属材料常温下不易被化学腐蚀无机非金属材料常温下不易被化学腐蚀2. 电化学腐蚀电化学腐蚀 金属在酸、碱、盐等环境中，易发生电化学反应，使金属在金属在酸、碱、盐等环境中，易发生电化学反应，使金属在电解液中被不断的溶解。电解液中被不断的溶解。 特点：腐蚀速度快，量大特点：腐蚀速度快，量大 防电化学腐蚀方法：钝化防电化学腐蚀方法：钝化1.3 材料的性能材料的性能1.3.6 材料的工艺性能材料的工艺性能材料加工难易程度即是材料的工艺性能。材料加工难易程度即是材料的工艺性能。