第二章复合材料在飞机上的应用综述Word下载.docx

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无人机制造中使用复材的主要特点

未来航空制造中使用复材的主要方向

重

点

难

教

具

复

习

提

问

启发复材可能还会使用的部位

新知识点考查

胶黏剂材料的选用方法、原则和依据

布置作业

课堂布置，见后面。

课后回忆

备注

教员

图1复合材料制作的零部件

图2民用大型飞机复合材料分布图

1.复合材料的应用特点

随着航空航天科学技术的不断进步,促进了新材料的飞速发展,其中尤以先进复合材料的发展最为突出。

目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、芳纶等增强的复合材料,耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料,隐身复合材料,梯度功能复合材料等。

飞机和卫星制造材料要求质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀,这些苛刻的条件,只有借助新材料技术才能解决。

复合材料具有质量轻,较高的比强度、比模量,较好的延展性,抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高（低）温,独特的耐烧蚀性、透电磁波,吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点,是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。

2.飞机机身上的应用

2.1.飞机机身结构上的应用

先进复合材料用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。

目前被大量地应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体结构制造上。

飞机用复合材料经过近40年的发展,已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件,可获得减轻质量（20~30）%的显著效果。

目前已进入成熟应用期,对提高飞机战术技术水平的贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑,其设计、制造和使用经验已日趋丰富。

迄今为止,战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30%左右,新一代战斗机将达到40%;

直升机和小型飞机复合材料用量将达到（70~80）%左右,甚至出现全复合材料飞机。

“科曼奇”直升机的机身有70%是由复合材料制成的,但仍计划通过减轻机身前下部质量,以及将复合材料扩大到配件和轴承中,以使飞机再减轻15%的质量。

“阿帕奇”为了减轻质量,将采用复合材料代替金属机身。

使用复合材料,未来的联合运输旋转翼（JTR）飞机的成本将减少6%,航程增加55%,或者载荷增加36%。

以典型的第四代战斗机F/A-22为例复合材料占24·

2%,其中热固性复合材料占23·

8%,热塑性复合材料占0·

4%左右。

热固性复合材料的70%左右为双马来酰亚胺树脂（BMI,简称双马）基复合材料[1],生产200多种复杂零件,其它主要为环氧树脂基复合材料,此外还有氰酸酯和热塑性树脂基复合材料等。

主要应用部位为机翼、中机身蒙皮和隔框、尾翼等。

近10年来,国内飞机上也较多的使用了复合材料。

例如由国内3家科研单位合作开发研制的某歼击机复合材料垂尾壁板,比原铝合金结构轻21kg,减质量30%。

北京航空制造工程研究所研制并生产的QY8911/HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。

由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C热塑性树脂单向碳纤维预浸料及其复合材料,具有优异的抗断裂韧性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲劳性能,适合制造飞机主承力构件,可在120℃下长期工作,已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。

在316℃这一极限温度下的环境中,复合材料不仅性能优于金属,而且经济效益高。

据波音公司估算,喷气客机质量每减轻1kg,飞机在整个使用期限内即可节省2200美元。

2.2.飞机隐身上的应用

近几十年来,隐身复合材料的研究取得了长足进展,正朝着“薄、轻、宽（频谱）、强（耐冲击、耐高温）”方向发展。

美国最先将隐身材料用在飞机上,用隐身材料最多的是F-117和F-22飞机。

F-117的隐身涂层十分复杂,有7种材料之多。

例如,它的机身、机翼、副翼及尾翼等采用了瓦片状吸波材料,为了加固这种瓦片状材料在底层采用了Filcoat材料,它是碳纤维增强的环氧预浸带,用自动铺带法叠在吸波涂层下面。

2000年,美空军对F-117的隐身材料进行更新,将原来的7种隐身材料涂层更换为1种,全部F-117将具有通用的维修程序和雷达波吸收材料,技术规程的数量减少大约50%。

改进后F-117的每飞行小时维修时间缩短一半以上,全部52架F-117的年维护费用从1450万美元降至690万美元。

F-22不采用全机涂覆吸波涂层的方法,但在机身内外的金属件上全部采用了铁氧体吸波涂层,它是一种有韧性的耐磨涂料,较之F-117的涂料易于喷涂且耐磨。

专家预测到本世纪30代,导电高分子电致变色材料、掺杂氧化物半导体材料、纳米复合材料和智能隐身等复合材料将实际用于飞机,它将使飞机的航电系统及控制方式发生根本性的变化。

3.航空发动机上的应用

3.1.涡轮发动机上的应用

由于具有密度小、比强度高和耐高温等固有特性,复合材料在航空涡轮发动机上应用的范围越来越广且比例越来越大,使航空涡轮发动机向“非金属发动机”或“全复合材料发动机”方向发展。

（1）树脂基复合材料

凭借比强度高,比模量高,耐疲劳与耐腐蚀性好,阻噪能力强的优点,树脂基复合材料在航空发动机冷端部件（风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等）和发动机短舱、反推力装置等部件上得到广泛应用。

如JTAGG验证机的进气机匣采用碳纤维增强的PMR15树脂基复合材料,比采用铝合金质量减轻26%;

F136发动机采用与F110-132发动机相似的复合材料风扇机匣,使质量减轻9kg。

（2）碳化硅纤维增强的钛基复合材料

凭借密度小（有的仅为镍基合金的1/2）,比刚度和比强度高,耐温性好等优点,碳化硅纤维增强的钛基复合材料在压气机叶片、整体叶环、盘、轴、机匣、传动杆等部件上已经得到了广泛应用。

（3）陶瓷基复合材料

目前主要的陶瓷基复合材料产品是以SiC或C纤维增强的SiC和SiN基复合材料。

凭借密度较小（仅为高温合金的1/3~1/4）,力学性能较高,耐磨性及耐腐蚀性好等优点,陶瓷基复合材料,尤其是纤维增强陶瓷基复合材料,已经开始应用于发动机高温静止部件（如喷嘴、火焰稳定器）,并正在尝试应用于燃烧室火焰筒、涡轮转子叶片、涡轮导流叶片等部件上。

3.2.火箭发动机上的应用

由于火箭发动机喷管壁受到高速气流的冲刷,工作条件十分恶劣,因此C/C最早用作其喷管喉衬,并由二维、三向发展到四向及更多向编织。

同时火箭发动机设计者多年来一直企图将具有高抗热震的Ct/SiC用于发动机喷管的扩散段,但Ct的体积分数高,易氧化而限制了其广泛应用,随着CVD、CVI技术的发展,新的抗氧化Ct/SiC及C-C/SiC必将找到其用武之地。

Melchior等认为C纤维CMC、陶瓷纤维CMC以及C/C复合材料,特别是以SiC为纤维或基体的CMC抗氧化,耐热循环和烧蚀,是液体火箭发动机燃烧室和喷管的理想材料,并进行了总数为31个的长达20000s的燃烧室和喷管点火试验,内壁温度高达1732℃,一个600kg发动机成功地点火七次,温度为1449℃。

目前为解决固体火箭发动机结构承载问题,美国和法国正在进行陶瓷纤维混合碳纤维而编织的多向（6向）基质、以热稳定氧化物为基体填充的陶瓷复合材料。

SiC陶瓷制成的喉衬、内衬已进行多次点火试验。

今天作为火箭锥体候选材料的有A12O3、ZrO2、ThO2等陶瓷,而作为火箭尾喷管和燃烧室则采用高温结构材料有SiC、石墨、高温陶瓷涂层等。

4.卫星和宇航器上的应用

卫星结构的轻型化对卫星功能及运载火箭的要求至关重要,所以对卫星结构的质量要求很严。

国际通讯卫星VA中心推力筒用碳纤维复合材料取代铝后减质量23kg（约占30%）,可使有效载荷舱增加450条电话线路,仅此一项盈利就接近卫星的发射费用。

美、欧卫星结构质量不到总质量的10%,其原因就是广泛使用了复合材料。

目前卫星的微波通讯系统、能源系统（太阳能电池基板、框架）各种支撑结构件等已基本上做到复合材料化。

我国在“风云二号气象卫星”及“神舟”系列飞船上均采用了碳/环氧复合材料做主承力构件,大大减轻了整星的质量,降低了发射成本。

5.复合材料在飞机上的应用方向

目前，复合材料在飞机上的应用已非常广泛，但在20世纪90年代初复合材料市场曾一度陷入低靡，究其原因是由于复合材料设计制造的复杂性造成了成本壁垒，人们开始认识到只有重视性能和成本的平衡，才能使复合材料展现辉煌。

随着复合材料先进技术的成熟，使其性能最优和低成本成为可能，大大推动了复合材料在飞机上的广泛应用。

本文在介绍国外复合材料在飞机上广泛应用的基础上，对作为技术保障的数字化设计技术和先进制造技术进行了分析研究。

从国外情况看，各种先进的飞机都与复合材料的应用密不可分，复合材料在飞机上的用量和应用部位已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。

下面介绍复合材料在飞机上应用的发展趋势。

5.1.复合材料在飞机上的用量日益增多

复合材料用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比表示，纵观复合材料在民机上的发展情况发现，无论是波音公司还是空中客车公司，随着时间推移，复合材料的用量都呈增长趋势。

最具代表意义的是空客公司的A380客机和波音公司最新推出的787客机。

在A380上仅碳纤维复合材料的用量就达32t左右，占结构总重的15%，再加上其他种类的复合材料，估计其总用量可达25%左右。

787上初步估计复合材料用量可达50%，远远超过了A380。

另外，复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势。

5.2.应用部位由次承力结构向主承力结构过渡

飞机上最初采用复合材料的部位有舱门、整流罩、安定面等次承力结构，目前已广泛应用于机翼、机身等部位，向主承力结构过渡。

从1982年开始用复合材料制造飞行操纵面（如A310-200飞机的升降舵和方向舵），空客公司在主承力结构上使用复合材料已有20多年的经验。

在A380上采用的碳纤维复合材料大型构件主要有中央翼盒、翼肋、机身上蒙皮壁板、机身后段、机身尾段、地板梁、后承压框、垂尾等，大量的主承力结构都采用了复合材料。

787复合材料的应用则更让世人瞩目，其机身和机翼部位采用碳纤维增强层合板结构代替铝合金;

发动机短舱、水平尾翼和垂直尾翼、舵面、翼尖等部位采用碳纤维增强夹芯板结构;

机身与机翼衔接处的整流蒙皮采用玻璃纤维增强复合材料。

与A380相比其用量更大，主承载部位的应用更加广泛，这将是世界上采用复合材料最多的大型商用喷气客机。

5.3.复合材料在复杂曲面构件上的应用越来越多

飞机上复杂曲面零件很多，复合材料的应用也越来越多，比如A380机身19段、19.1段和球面后压力隔框等均为采用复合材料的具有复杂曲面的大尺寸受力组件，分别采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。

在大型复杂曲面构件上应用复合材料最典型的例子，当属洛克希德·

马丁公司在JSF项目中的复合材料进气道。

采用纤维铺放技术制造的JSF进气道，通道截面沿S形轴线由矩形向圆形过渡，同时直径逐渐变小，形状非常复杂。

该进气道由4部分碳－环氧复合材料结构组成，采用夹芯结构增强刚度，实现减重并降低了成本。

在复杂曲面轮廓上应用复合材料存在潜在的制造变形问题，与铺层边界吻合的复杂曲面的铺层展开形状难以确定，更严重的是铺层甚至无法展开，在设计制造方面具有很大的难度，该类零件的设计具有挑战性。

5.4.构件向整体成型、共固化方向发展

飞机上大量采用复合材料的一个主要目的就是减重，而复合材料构件的共固化、整体成型能够成型大型整体部件，可以明显减少零件、紧固件和模具的数量。

减少装配是复合材料结构减重的重要措施，也是降低成本的有效方法。

构件整体成型最有代表性的例子是PremieⅠ商务机采用纤维铺放技术制造的整体成型机身结构。

该机身厚度为20.6mm，采用碳纤维增强复合材料作为面板的蜂窝夹层结构，消除了传统铝制机身中需要的桁条和框架，由此比相同尺寸的飞机增加了33%的客舱空间，并带来了25%的减重。

PremieⅠ商务机的机身只有两个整体成型的部件构成，整个机身质量小于273kg，而同样大小的铝合金机身结构将包括加强筋、框架、舱壁、外蒙皮等，零部件数目超过3000个，质量至少为454kg。

零部件数目的减少在很大程度上缩短了生产周期，减少了在制造和装配部件过程中的工时，从而大幅度降低成本。

然而，当越来越多的功能被集成到单一部件中时，复杂程度大大增加，使设计和制造具有更大难度，需要设计的创新以及制造集成零件的先进技术来保证。

6.技术保障

由于复合材料设计制造的独特性，设计、材料、工艺要求一体化以及在主承力结构、复杂曲面轮廓上应用复合材料和构件整体成型所带来的问题，使复合材料构件的成本、性能都受到影响。

大量复合材料的应用具有很大的挑战性，必须以先进的复合技术作为技术保障，主要包括复合材料数字化设计、先进制造技术以及设计、制造一体化等。

6.1.复合材料数字化设计

在复合材料数字化设计、制造环境下进行复合材料构件的结构设计、铺层设计、铺层展开以及制造数据准备等工作，复合材料专用设计/制造软件是不可缺少的工具。

目前世界领先的复合材料专用设计/制造软件有CATIACPD（CATIA-CompositeDesign）模块和VISTAGY公司开发的FiberSIM软件。

前者与CATIA系统全面集成，后者亦能完全集成到CATIA、Pro/E以及UG等CAD软件中。

复合材料设计/制造软件与已有CAD系统的集成提供了高效的复合材料数字化设计/制造工具。

复合材料数字化设计不仅包括构件的几何建模，更为关键的是体现制造信息的铺层设计。

复合材料数字化设计分为初步设计、详细设计和制造准备3个阶段。

在初步设计阶段，先采用三维CAD软件构建三维数字样机，定义构件的形状以及定位特征，以便在其工装设计以及数字化装配中应用。

在几何建模的基础上，定位构件的结构区域，完成层合板的定义。

初步设计之后，进入详细设计阶段。

依据分析软件的区域划分以及各区域的详细铺层定义数据，设计者定义构件的铺层集以及铺层集中的每一个铺层，包括几何轮廓、铺设角度、辅设顺序、材料类型、参考坐标系、相邻铺层集之间的铺层递减信息以及铺层集中铺层数目的定义等。

完成铺层定义后，利用铺层分析工具对定义好的铺层进行分析，如指定位置的夹芯检查、剖切面检查以及重量和面积计算等，检验实际铺层与预期铺层定义的差别，并指导铺层的修改。

复合材料的制造准备阶段完成材料余量定义、三维实体生成、铺层展开以及技术文档的自动生成等。

一旦设计者对铺层几何感到满意，一方面生成构件的三维实体以便在数字化预装配、工装设计等过程中应用；

另一方面将构件的三维实体模型逐层展开，生成铺层展开数据，为制造应用做数据准备。

设计信息在模型内定义后，使用复合材料设计/制造软件基于三维CAD模型可以自动生成工程图纸、材料表、工艺流程卡、铺层页、箭标、铺层表等，是指导复合材料构件生产和装配的依据。

一旦设计模型有所改动，文档自动更新以适应变化，极大缩短了设计时间。

6.2.复合材料设计、制造一体化

除上述的数字化设计功能之外，复合材料专用设计/制造软件还提供数据接口以联系设计和制造环节，使制造与设计定义直接结合，实现设计、制造的一体化。

三维模型建好以后，一边用于工装的设计制造，一边输入复合材料专用设计/制造软件完成基于三维模型的铺层展开。

铺层展开数据进一步提取通过数据接口生成下料机专用的排样下料文件、直接支持Virtek和GeneralScanning激光投影系统的激光投影编码（或提供中介APT格式文件）以及用于纤维铺放的铺层文件等，通过数据接口将上述文件信息分别输入到排样系统、自动剪裁机、激光铺层定位系统和纤维铺放机等制造设备，自动进行优化排样、下料、各铺层精确定位以及纤维铺放等。

复合材料设计、制造一体化实现了零件三维模型到制造的无缝集成，极大地减少了不准确的铺层尺寸和铺设方向，提高了产品质量，同时自动切割和优化排样减少了材料浪费，激光铺层定位消除了手工切割样板和手工铺层样本，降低了成本。

6.3.复合材料先进制造技术

传统的复合材料制造技术自动化程度低，致使复合材料构件存在质量分散性大，生产成本居高不下等问题。

近年来出现的各种各样的自动化程度较高的复合材料先进制造技术，比如纤维铺放、树脂膜转移成型/树脂膜渗透成型及电子束固化等，对提高生产效率、提高构件质量、降低成本起到了关键作用。

纤维铺放技术是自动铺丝束技术和自动窄带铺放技术的统称，是在已有缠绕和自动铺放基础上发展起来的一种全自动制造技术，适用于机身等大型、复杂型面结构的制造。

纤维铺放技术是近年来发展最快、最有效的复合材料自动化制造技术之一，应用也非常广泛。

预成型体复合材料液体成型工艺技术（LCM）是先进树脂基复合材料低成本制造技术的一个重要方面，目前已获得相当成功的有RTM和RFI工艺，为制造集成零件的最先进技术之一。

在零件固化方面，传统的热压罐固化初期投资大，要求高温高压，大型制品还受到成型设备大小的限制，采用电子束固化的目的是显著降低大型、复杂、整体结构复合材料构件的固化成本。

另外，电子束固化与纤维铺放技术相结合，能够成型大型整体部件，对构件的整体成型、共固化有重要意义。

先进的复合材料技术为飞机制造企业带来了巨大的效益，对提高飞机的性能起着极重要的作用。

例如，JSF飞机在复合材料进气道的研制中由于采用了数字化设计和纤维铺放等先进技术，最终将其设计时间由300h减少到150h，制造时间由450h减少到200h；

西科斯基公司在S-92直升机坐舱罩的研制中通过采用先进技术，降低开发时间27%，减少更改超过90%；

在整体成型PremieⅠ机身的过程中采用了纤维铺放技术，与手工铺层相比，使结构重量减少了20%，材料浪费减少了60%。

7.作业

7.1.简要陈述复合材料在飞机机身上的应用实例

7.2.简要陈述复合材料在飞机上的应用方向

7.3.简要陈述复合材料制造的主要技术保障条件

8.主要才考文献

《复合材料在飞机上的应用评述》

《复合材料在航空航天中的应用》