复合材料在飞行器制造中的应用课件.ppt
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- 复合材料 飞行器 制造 中的 应用 课件
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1、1.5复合材料构件在飞行器上的应用复合材料构件在飞行器上的应用 1 23B2隐形轰炸机隐形轰炸机4567F-18战斗机战斗机891011121314151617 记者在哈航集团的生产车间里看到,工人们正在模记者在哈航集团的生产车间里看到,工人们正在模具上进行具上进行“铺层铺层”工作。几名工人首先将一种薄得像布工作。几名工人首先将一种薄得像布一样的特殊材料铺在模具上,然后在上面刷上一层特种一样的特殊材料铺在模具上,然后在上面刷上一层特种胶水,随后再铺上一层胶水,随后再铺上一层“布布”。在铺了若干层。在铺了若干层“布布”后,后,经过固化、成型,制成特殊复合材料。最后将根据尺寸经过固化、成型,制成特
2、殊复合材料。最后将根据尺寸要求,加工出具有流线形的壳体要求,加工出具有流线形的壳体整流罩。哈航集团整流罩。哈航集团为波音公司生产的整流罩将用于为波音公司生产的整流罩将用于“波音波音787”机体和机机体和机翼的结合部,可将裸露在机体外面的某一部件或装置封翼的结合部,可将裸露在机体外面的某一部件或装置封闭起来,起到保护与减少空气阻力的双重作用。闭起来,起到保护与减少空气阻力的双重作用。18192021222324252627287.82.84.521.451.61.42.12.650246810钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材料硼
3、纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料密度密度1.6复合材料的性质复合材料的性质:性性能能比比较较2900.20.40.60.811.21.41.61钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料拉伸强度拉伸强度3001231钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料弹性模量弹性模量3100.511.5212钢铝合金钛合金玻璃纤维复合材料高模碳纤维/环氧复合材料高模石墨纤维/环氧复合材料有机纤维/环氧复合材
4、料硼纤维/环氧复合材料硼纤维/铝复合材料比强度比强度比模量比模量32 比强度和比模量高比强度和比模量高 材料的强度除以密度称为比强度;材料材料的强度除以密度称为比强度;材料的刚度除以密度称为比刚度的刚度除以密度称为比刚度 。这两个参量。这两个参量是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和比刚度较高说明材料重量轻,而强度和刚度比刚度较高说明材料重量轻,而强度和刚度大。这是结构设计,特别是航空、航天结构大。这是结构设计,特别是航空、航天结构设计对材料的重要要求。现代飞机、导弹和设计对材料的重要要求。现代飞机、导弹和卫星等机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复卫星等机体结
5、构正逐渐扩大使用纤维增强复合材料的比例。合材料的比例。33 耐疲劳性能好耐疲劳性能好 一般金属的疲劳强度为抗拉强度的一般金属的疲劳强度为抗拉强度的404050%50%,而某些复合材料可高达,而某些复合材料可高达707080%80%。复。复合材料的疲劳断裂是从基体开始,逐渐扩合材料的疲劳断裂是从基体开始,逐渐扩展到纤维和基体的界面上,没有突发性的展到纤维和基体的界面上,没有突发性的变化。因此,变化。因此,复合材料在破坏前有预兆,复合材料在破坏前有预兆,可以检查和补救可以检查和补救。纤维复合材料还具有较。纤维复合材料还具有较好的抗声振疲劳性能。好的抗声振疲劳性能。用复合材料制成的用复合材料制成的直
6、升飞机旋翼,其疲劳寿命比用金属的长直升飞机旋翼,其疲劳寿命比用金属的长数倍数倍。34 减振性能良好减振性能良好 纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼较大,因此具有较好的减振性能。用同形较大,因此具有较好的减振性能。用同形状和同大小的两种粱分别作振动试验,碳状和同大小的两种粱分别作振动试验,碳纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属粱要短得多。粱要短得多。35 过载安全性好过载安全性好 在纤维增强复合材料的基体中有成千在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载,并
7、有少量纤维断裂时,载荷会构件超载,并有少量纤维断裂时,载荷会迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上,迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上,因此整个构件不至于在短时间内丧失承载因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。能力。36 耐热性能好耐热性能好 在高温下,用碳或硼纤维增强的金在高温下,用碳或硼纤维增强的金属其强度和刚度都比原金属的强度和刚属其强度和刚度都比原金属的强度和刚度高很多。普通铝合金在度高很多。普通铝合金在400400时,弹时,弹性模量大幅度下降,强度也下降;而在性模量大幅度下降,强度也下降;而在同一温度下,用碳纤维或硼纤维增强的同一温度下,用碳纤维或硼纤维增强的铝合金的强度和弹性模量基
8、本不变。铝合金的强度和弹性模量基本不变。复复合材料的热导率一般都小,因而它的瞬合材料的热导率一般都小,因而它的瞬时耐超高温性能比较好时耐超高温性能比较好。37各向异性及性能可设计性各向异性及性能可设计性 各向异性是复合材料的一个突出特点,各向异性是复合材料的一个突出特点,与之相关的是性能的可设计性。复合材料与之相关的是性能的可设计性。复合材料的力学、物理性能除了由的力学、物理性能除了由纤维、树脂的种纤维、树脂的种类及体积含量类及体积含量而定外,还与而定外,还与纤维的排列方纤维的排列方向、铺层顺序和层数向、铺层顺序和层数密切相关。因此,可密切相关。因此,可以根据工程结构的载荷分布及使用条件的以根
9、据工程结构的载荷分布及使用条件的不同,选取相应的材料及铺层设计来满足不同,选取相应的材料及铺层设计来满足既定的要求。复合材料的这一特点可以实既定的要求。复合材料的这一特点可以实现构件的优化设计,做到安全可靠、经济现构件的优化设计,做到安全可靠、经济合理。合理。38工艺性好工艺性好 纤维增强复合材料一般适合于整体成纤维增强复合材料一般适合于整体成型,型,减少了零部件的数目及接头紧固件,减少了零部件的数目及接头紧固件,减少设计计算工作量并有利于提高计算的减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。准确性。另外,制作纤维增强复合材料部另外,制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体粘结在一起,先件
10、的步骤是把纤维和基体粘结在一起,先用模具成型,而后加温固化,在制作过程用模具成型,而后加温固化,在制作过程中基体由流体变为固体,中基体由流体变为固体,不易在材料中造不易在材料中造成微小裂纹,而且固化后残余应力很小成微小裂纹,而且固化后残余应力很小。391.7 增强材料纤维增强材料纤维 增强材料增强材料:能和聚合物复合,形成复合材料后其比强能和聚合物复合,形成复合材料后其比强度和比模量超过现有金属的物质。反之,称为度和比模量超过现有金属的物质。反之,称为填料填料。纤纤维维增增强强材材料料粒子增粒子增强材料强材料(片状、(片状、颗粒状)颗粒状)40主要是由碳元素组成的一种特种纤维,其含碳量一般主要
11、是由碳元素组成的一种特种纤维,其含碳量一般在在90以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性,如以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性,如等,但与一般碳等,但与一般碳素材料不同的是,其外形有显著的素材料不同的是,其外形有显著的。碳纤维比重小,因此有很高的比强度。碳纤维比重小,因此有很高的比强度。制造制造:由含碳量较高,在热处理过程中不熔融的人造:由含碳量较高,在热处理过程中不熔融的人造化学纤维,经化学纤维,经及及等等工艺制成。工艺制成。应用应用:与树脂、金属、陶瓷等基体复合,做成结构材:与树脂、金属、陶瓷等基体复合,做成结构材料。料。,在强度、刚度在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温
12、、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都具优势。、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都具优势。41碳纤维碳纤维 碳纤维是以碳纤维是以聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维、粘胶纤维粘胶纤维或或沥青纤维沥青纤维为为原丝,通过加热除去碳以外的其它一切元素制得的一种原丝,通过加热除去碳以外的其它一切元素制得的一种高强度、高模量的纤维,它具有很高的化学稳定性和耐高强度、高模量的纤维,它具有很高的化学稳定性和耐高温性能,是高性能增强复合材料中的优良结构材料。高温性能,是高性能增强复合材料中的优良结构材料。以粘胶为原丝时,粘胶纤维可直接炭化和石墨化。以粘胶为原丝时,粘胶纤维可
13、直接炭化和石墨化。纤维先进行干燥,然后在氮或氩等惰性气体保护下缓慢纤维先进行干燥,然后在氮或氩等惰性气体保护下缓慢加热到加热到400。达。达400 后,快速升温至后,快速升温至9001000 ,使之完全炭化,可得含碳量达使之完全炭化,可得含碳量达90%的碳纤维。的碳纤维。若以聚丙烯睛若以聚丙烯睛 纤维为原丝,则需先对原丝进行纤维为原丝,则需先对原丝进行180220 、约、约10小时的预氧化处理,然后再经过炭化小时的预氧化处理,然后再经过炭化和石墨化处理,由此制得具有优良性能的碳纤维。和石墨化处理,由此制得具有优良性能的碳纤维。42活性碳纤维的生产工艺流程活性碳纤维的生产工艺流程PAN纤维纤维沥
14、青纤维沥青纤维粘胶纤维粘胶纤维预氧丝预氧丝预氧丝预氧丝预氧丝预氧丝碳化活化碳化活化ACF活性炭纤维活性炭纤维活性碳纤维毡活性碳纤维毡活性碳纤维布活性碳纤维布活性碳纤维纸活性碳纤维纸不熔化不熔化预氧化预氧化催化浸清催化浸清预氧化预氧化43按性能分类:按性能分类:高性能型碳纤维抗拉强度在高性能型碳纤维抗拉强度在2000MPa以上,主要用于航天、以上,主要用于航天、航空和军工等领域;航空和军工等领域;通用型碳纤维抗拉强度在通用型碳纤维抗拉强度在6001200MPa左右,主要用于左右,主要用于 机械制造、建筑和体育用品,如刹车片、轴承、密封材料等。机械制造、建筑和体育用品,如刹车片、轴承、密封材料等。
15、其它:活性碳纤维、气相生长碳纤维、纳米碳纤维等其它:活性碳纤维、气相生长碳纤维、纳米碳纤维等按原料分类:按原料分类:粘胶基碳纤维(粘胶基碳纤维(90)沥青基碳纤维(沥青基碳纤维(10%)44碳纤维的制造方法碳纤维的制造方法:碳纤维制品有布、带、粗纱、短纤维和毡等碳纤维制品有布、带、粗纱、短纤维和毡等气相法气相法有机纤维碳化法(可制造连续长纤维)有机纤维碳化法(可制造连续长纤维)454647484950511、纺丝原液的制备:聚合物在少数强酸性、纺丝原液的制备:聚合物在少数强酸性溶液中(浓硫酸)溶解成适宜纺丝的浓溶液,溶液中(浓硫酸)溶解成适宜纺丝的浓溶液,使其具有典型的使其具有典型的向列型液晶
16、结构向列型液晶结构;2、成形工艺:纺丝原液通过喷丝孔,在剪、成形工艺:纺丝原液通过喷丝孔,在剪切力和拉伸流动下,向列型液晶微区沿纤维轴切力和拉伸流动下,向列型液晶微区沿纤维轴向取向,吐出喷丝孔后,由于压力松弛,使取向取向,吐出喷丝孔后,由于压力松弛,使取向的大分子链产生部分向的大分子链产生部分解取向解取向倾向。很快液流倾向。很快液流受到拉伸应力作用,又抑制解取向,在空气中受到拉伸应力作用,又抑制解取向,在空气中进一步细化伸长并获得进一步细化伸长并获得高度取向高度取向,到低温的凝,到低温的凝固浴中,冷却凝固成冻结液晶相纤维,因此初固浴中,冷却凝固成冻结液晶相纤维,因此初生丝无需拉伸就能得到高强度
17、高模量的纤维。生丝无需拉伸就能得到高强度高模量的纤维。5253 最早用于聚合物基最早用于聚合物基复合材料的一种增复合材料的一种增强材料。美国于强材料。美国于18931893年即研究成功年即研究成功玻璃纤维,玻璃纤维,19381938年年工业化并作为商品工业化并作为商品出售,出售,4040年代初即年代初即应用于航空工业。应用于航空工业。玻璃纤维熔制过程示意图玻璃纤维熔制过程示意图5455 玻璃纤维具有很高的拉伸强度,不仅超过玻璃纤维具有很高的拉伸强度,不仅超过了各种天然纤维和合成纤维,同时也超过一般了各种天然纤维和合成纤维,同时也超过一般钢材的强度。玻璃纤维的强度与直径和长度的钢材的强度。玻璃纤
18、维的强度与直径和长度的大小有关,一般来说大小有关,一般来说直径越细,拉伸强度越高;直径越细,拉伸强度越高;拉伸试件越长,强度越小拉伸试件越长,强度越小。玻璃纤维的弹性模。玻璃纤维的弹性模量不高,与纯铝的模量接近,只有普通钢的量不高,与纯铝的模量接近,只有普通钢的1/31/3。弹性模量低是其主要缺点弹性模量低是其主要缺点。玻璃纤维受力时,。玻璃纤维受力时,其拉伸应力其拉伸应力-应变特性基本上是一条直线,没有应变特性基本上是一条直线,没有塑性变形阶段,属于具有脆性特征的弹性材料。塑性变形阶段,属于具有脆性特征的弹性材料。它的它的扭转强度、剪切强度均较其它纤维低扭转强度、剪切强度均较其它纤维低。56
19、57坩坩埚埚炉炉58 池窑拉丝是国际上普遍采池窑拉丝是国际上普遍采用的玻璃纤维生产新工艺,该用的玻璃纤维生产新工艺,该技术特点是,采用重油或燃气技术特点是,采用重油或燃气加热单元窑,粉料直接熔化成加热单元窑,粉料直接熔化成玻璃,经燃气加热的成型通路,玻璃,经燃气加热的成型通路,由多台(数十到上百台)漏板由多台(数十到上百台)漏板同时拉制各种规格的玻璃纤维同时拉制各种规格的玻璃纤维原丝。具有生产规模大、效率原丝。具有生产规模大、效率高、能耗低、产品质量好等优高、能耗低、产品质量好等优点,能适应点,能适应800至至4000孔大漏孔大漏板拉丝成型的要求,是生产高板拉丝成型的要求,是生产高质量、低成本
20、玻璃纤维材料的质量、低成本玻璃纤维材料的最佳方法。最佳方法。5960616263646566 1.7.4复合纤维的生产方法复合纤维的生产方法 复合纤维的生产方法主要有复合纤维的生产方法主要有复合纺丝法复合纺丝法和和共共混纺丝法混纺丝法。复合纺丝法是将两种性质不同的高聚物,用两复合纺丝法是将两种性质不同的高聚物,用两根螺杆分别熔融、计量后,共同进入特殊设计的纺根螺杆分别熔融、计量后,共同进入特殊设计的纺丝组件,经喷丝孔喷出冷却成形。复合纺丝采用专丝组件,经喷丝孔喷出冷却成形。复合纺丝采用专用的复合纺丝机生产。用的复合纺丝机生产。共混纺丝是将两种或两种以上的具有相容性的共混纺丝是将两种或两种以上的
21、具有相容性的聚合物混合在一起进行纺丝的方法。这种方法可以聚合物混合在一起进行纺丝的方法。这种方法可以用普通纺丝设备。用普通纺丝设备。6768 69 聚合物基复合材料的基体材料是树聚合物基复合材料的基体材料是树脂。用作基材的树脂首先要具有脂。用作基材的树脂首先要具有较高的较高的力学性能、介电性能、耐热性能和耐老力学性能、介电性能、耐热性能和耐老化性能,并且要施工简便,有良好的工化性能,并且要施工简便,有良好的工艺性能艺性能。树脂大致可分为。树脂大致可分为热固性树脂热固性树脂和和热塑性树脂热塑性树脂两类。前者有环氧树脂、两类。前者有环氧树脂、酚醛树脂等;后者有聚酰胺、聚砜、聚酚醛树脂等;后者有聚酰
22、胺、聚砜、聚酰亚胺、聚脂等。这两类基体材料在使酰亚胺、聚脂等。这两类基体材料在使用方法上有很大的不同。用方法上有很大的不同。7071复合材料的组成复合材料的组成基体基体Matrix增强体增强体Reinforcement界面界面Interface72a是玻纤增强是玻纤增强PP的冲击试样的断口扫描电镜照片,的冲击试样的断口扫描电镜照片,(a)是加入)是加入MPP相容剂的玻纤增强相容剂的玻纤增强体系,体系,(a)中玻璃)中玻璃纤维与基体的结合纤维与基体的结合较好,纤维拔出较较好,纤维拔出较少少.73(b)是未加相容剂的玻纤增强体系。)是未加相容剂的玻纤增强体系。从中可以看出,而从中可以看出,而(b)
23、中有大量的玻)中有大量的玻纤从基体中拔出,证纤从基体中拔出,证明与基体的粘接性较明与基体的粘接性较差,因而体系的力学差,因而体系的力学性能不高。性能不高。74复合效应复合效应 复合效应实质上是原相材料及其所形成的界面复合效应实质上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互补充的结果。相互作用、相互依存、相互补充的结果。复合材料具有特殊的复合效应,使得复合材料复合材料具有特殊的复合效应,使得复合材料不但基本保持了原有组分的性能,还增添了原有组不但基本保持了原有组分的性能,还增添了原有组分没有的性能。分没有的性能。它表现为树脂基复合材料的性能是其组分材料它表现为树脂基复合材料的性能是其组分
24、材料基础上的线性和非线性的综合。复合效应有正有负,基础上的线性和非线性的综合。复合效应有正有负,性能的提高总是人们所期望的,但有些材料在复合性能的提高总是人们所期望的,但有些材料在复合之后某些方面的性能出现抵消甚至降低的现象是不之后某些方面的性能出现抵消甚至降低的现象是不可避免的。可避免的。75 线性效应线性效应非线性效应非线性效应界面效应界面效应尺寸效应尺寸效应各向异性效应各向异性效应 复合效应复合效应线性效应可细分为平均效应、平行效应、相补效应、相抵线性效应可细分为平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应。效应。非线性效应可细分为乘积效应、系统效应、诱导效应、共非线性效应可细分为乘积效应、系
25、统效应、诱导效应、共振效应。振效应。761 1、线性效应、线性效应(1 1)平均效应(混合效应)平均效应(混合效应)复合材料的某项性能等于各组分的该项性能乘以该复合材料的某项性能等于各组分的该项性能乘以该组分体积分数之和。可用混合物定律描述:组分体积分数之和。可用混合物定律描述:Kc=Kii Kc=Kii (并联模型)(并联模型)1/Kc=i/Ki 1/Kc=i/Ki (串联模型)(串联模型)(2 2)平行效应)平行效应 复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基复合材料的某项性能与其中某一组分的该项性能基本相当。本相当。Kc Ki Kc Ki 77(3 3)相补效应)相补效应 复合材料各组
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