碳纤维复合材料在航空航天领域的应用课件.ppt

1、Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCMCenter for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM 引言引言 碳纤维复合材料在航天应用碳纤维复合材料在航天应用 碳纤维复合材料在航空应用碳纤维复合材料在航空应用 国产碳纤维复合材料应用基础研究进展国产碳纤维复合材料应用基础研究进展 结语结语Center for Composite Materials,Harbin Institute of Technolo

2、gyHITCCMHITCCM铝合金铝合金复合材料复合材料钛合金钛合金钢钢Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM大幅度减重大幅度减重可设计性可设计性结构整体优化结构整体优化降低全寿命成本降低全寿命成本2030 增加有效载荷增加有效载荷 提升飞行器功能提升飞行器功能 增大航程、增大航程、降低油耗降低油耗翼身融合、整体成型减少零件数翼身融合、整体成型减少零件数前掠翼、颤振前掠翼、颤振、承力承力/隐身一体化隐身一体化u应用效益B787机体维护成本与机体维护成本与B767相比大幅下降相比大幅下降C

3、enter for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCMR.Byron Pipes，ICCM-16复合材料研究领域1970-20002000-2010纤维高强/低成本高性能有机纤维树脂增韧/高温RTM树脂复合材料力学材料/结构相互作用渐进损伤耐久性寿命预报预埋器件环境考虑湿热烟毒工艺与制造非热压罐预浸料RTM净成型应用高效减重复合材料机翼、机身成本效益降低全寿命成本制造成本设计方法多尺度计算方法虚拟设计与制造验证积木式方法净成型结构验证The Evolution of Composites碳纤维复合材料在航

4、天应用碳纤维复合材料在航天应用Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM 以高性能碳以高性能碳(石墨石墨)纤维复合材料为典型代表纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构的先进复合材料作为结构、功能或结构/功功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤维复合越式提升和型号研制的

5、成败。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上体结构承力件上 Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM 高模量碳纤维质轻，刚性，尺寸稳定性和导热性好，高模量碳纤维质轻，刚性，尺寸稳定性和导热性好，很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天很早就应用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。现今

6、的人造卫星上的展开式太阳能电池板多线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作，而太空站和天地往返运采用碳纤维复合材料制作，而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材料作为主要材 料料 Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM 导弹发射筒采用先进复合材料保守估计可降低导弹发射筒采用先进复合材料保守估计可降低重量重量30%，对于提高地面生存能力至关重要，对于提高地面生存能力至关重要，同时，复合

7、材料的耐环境腐蚀、耐疲劳性能优同时，复合材料的耐环境腐蚀、耐疲劳性能优异等特点，可以显著提高发射筒的重复使用寿异等特点，可以显著提高发射筒的重复使用寿命，降低发射成本命，降低发射成本Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM 美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，美国三叉戟材料，美国三叉戟-2 导弹、战斧式巡航导弹、大力神一导弹、战斧式巡航导弹、大力神一4 火箭、法国的阿里安一火箭、法国的阿里安一2 火箭改型、日本的火箭改型

8、、日本的M-5火箭等发火箭等发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为抗拉强度为5.3GPa 的的IM-7 碳纤维，性能最高的是东丽碳纤维，性能最高的是东丽T-800 纤维，抗拉强度纤维，抗拉强度5.65Gpa、杨氏模量、杨氏模量300GPa Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM碳纤维复合材料在航空应用碳纤维复合材料在航空应用Center for Composite Materials,Harbin Institut

9、e of TechnologyHITCCMHITCCM飞机发展目标高比强可设计抗疲劳多功能耐腐蚀先进树脂基复合材料轻量化轻量化高可靠高可靠长寿命长寿命高效能高效能结构结构/功能功能Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM第三阶段（90年代末开始）受力复杂受力复杂规模大规模大中机身段、中央翼盒A380A380中央翼盒中央翼盒 用量用量25%25%B787 B787 机身机身 用量用量50%50%第四阶段（21世纪初开始）起落架用复合材料 F-16 F-16 起落架后撑杆起落架后撑杆NH-90

10、 NH-90 直升机起落架直升机起落架受力很大受力很大代替钢结构代替钢结构舱门、口盖、整流罩、方向舵、襟副翼、雷达罩、起落架舱门第一阶段（70年代初完成）受载不大受载不大简单零部件简单零部件第二阶段（80年代初开始）尾翼(垂尾、平尾)、前机身段、机翼 F F14 14 硼硼/环氧复合材料平尾环氧复合材料平尾 F/A-18 F/A-18 机翼机翼 用量用量1313AV-8BAV-8B 机翼和前机身机翼和前机身 用量用量26%26%承力大承力大规模较大规模较大国外航空复合材料发展历程国外航空复合材料发展历程Center for Composite Materials,Harbin Institut

11、e of TechnologyHITCCMHITCCMMirageF18CDC17AV 8BRafaleF18 E/FUCAVEuro FighterF35F/A 22B2A-380A-320A-340A-330F15787Premier HorizonCenter for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM飞机结构复合材料用量飞机结构复合材料用量是飞机先进性的重要标志是飞机先进性的重要标志F22 25%F35 35%EF2000 40%F16 2%Center for Composite Materia

12、ls,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCMTiger 80%V-22 50%Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM 全球全球鹰（鹰（Global HawkGlobal Hawk）捕食者捕食者(P Predatorredator）暗星（暗星（Dark StarDark Star）先锋（先锋（P Pioneerioneer）搜索者（搜索者（SearcherSearcher）X-45C 90%P PredatorredatorCenter for

13、 Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCMu民机应用 复合材料22%Glare 3%铝61%钛和钢 10%其他5%Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCMCarbon laminateCarbon sandwichFiberglassAluminumAluminum/steel/titanium pylonsComposites50%Titanium15%Other5%Steel10%Aluminum20%

14、Primary Structure Weight by Material机机身身结结构构机机翼翼结结构构Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM机翼结构中央翼盒中央翼盒Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCMBoeing787 Boeing787 第一个全尺寸复合材料机身段，长第一个全尺寸复合材料机身段，长7m 7m 宽宽6m6m，减重，减重20%20%Center for Compo

15、site Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM 5%Titanium 15%Aluminium 15%Steel 65%Composites 15%Steel 65%Aluminium 15%CompositesTitanium 5%2000年年 2020年（预测）年（预测）飞机飞机机体机体结构结构材料材料Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM国产碳纤维复合材料国产碳纤维复合材料航空结构应用标准航空结构应用标准指导支撑纤

16、维树脂界面国产碳纤维高效可靠应用复合材料外翼Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCMq第二阶段：第二阶段：20072007年年0505月月20082008年年0202月月拉伸强度拉伸强度 拉伸模量拉伸模量q第一阶段：第一阶段：20052005年年0606月月20072007年年0404月月q第三阶段：第三阶段：20082008年年0303月月20092009年年0505月月Center for Composite Materials,Harbin Institute of Technolo

17、gyHITCCMHITCCMp拉伸模量、拉伸强度、断裂延伸率拉伸模量、拉伸强度、断裂延伸率l综合力学性能测试p碳纤维碳纤维压缩强度压缩强度p碳纤维碳纤维断裂韧性断裂韧性p碳纤维单丝的拉伸性能碳纤维单丝的拉伸性能p碳纤维泊松比碳纤维泊松比压缩强度(GPa)拉伸强度(GPa)CCF 3002.293.28T3002.023.53T700SC2.455.30M40JB2.074.46M55JB1.684.08CCF3001/20.92 MpamICKCCF300断裂截面强度：1.34rH：1.56rH/c：4.2Center for Composite Materials,Harbin Instit

18、ute of TechnologyHITCCMHITCCM 碳纤维及其复合材料行业面临良好的发展机遇；碳纤维及其复合材料行业面临良好的发展机遇；加强先进复合材料基础研究和应用基础研究，科加强先进复合材料基础研究和应用基础研究，科学表征、准确评价、有效预报和优化设计；学表征、准确评价、有效预报和优化设计；工业部门、研究院所与高等学校优势互补，以务实、工业部门、研究院所与高等学校优势互补，以务实、科学的态度追求行业创新、发展！科学的态度追求行业创新、发展！(试验为主试验为主)(模拟为主模拟为主)Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMHITCCM