第一篇：復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用

《飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)技術(shù)講座

（三）》結(jié)課報(bào)告

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日期：2016年 10月09日

復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用

前言

現(xiàn)代高科技的發(fā)展離不開(kāi)復(fù)合材料，復(fù)合材料[1] 對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有著十分重要的作用。復(fù)合材料的研究深度和應(yīng)用廣度及其生產(chǎn)發(fā)展的速度和規(guī)模，已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，全球復(fù)合材料市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，亞洲尤其中國(guó)市場(chǎng)增長(zhǎng)較快。2003～2008年間中國(guó)年均增速為15%，印度為9.5%，而歐洲和北美年均增幅僅為4%。

一．復(fù)合材料的簡(jiǎn)介

復(fù)合材料，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹(shù)脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。

復(fù)合材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草或麥秸增強(qiáng)粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復(fù)合而成。20世紀(jì)40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強(qiáng)塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復(fù)合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強(qiáng)度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強(qiáng)度、高模量纖維能與合成樹(shù)脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復(fù)合，構(gòu)成各具特色的復(fù)合材料。

二．在航空中常用的復(fù)合材料

60年代，為滿足航空航天等尖端技術(shù)所用材料的需要，先后研制和生產(chǎn)了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料，其比強(qiáng)度大于4×10厘米（cm），比模量大于4×10cm。為了與第一代玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料相區(qū)別，將這種復(fù)合材料稱為先進(jìn)復(fù)合材料。按基體材料不同，先進(jìn)復(fù)合材料分為樹(shù)脂基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。其使用溫度分別達(dá)250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先進(jìn)復(fù)合材料除作為結(jié)構(gòu)材料外，還可用作功能材料，如梯度復(fù)合材料(材料的化學(xué)和結(jié)晶學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、空隙等在空間連續(xù)梯變的功能復(fù)合材料)、機(jī)敏復(fù)合材料（具有感覺(jué)、處理和執(zhí)行功能，能適應(yīng)環(huán)境變化的功能復(fù)合材料）、仿生復(fù)合材料、隱身復(fù)合材料等。

目前航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較廣的復(fù)合材料航空主要包括樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料。

1．樹(shù)脂基復(fù)合材料

樹(shù)脂基復(fù)合材料有玻璃／酚醛、高硅氧／酚醛、石英／酚醛、碳／酚醛、滌綸／酚醛材料和以不同樹(shù)脂為基體的低密度燒蝕材料。其中玻璃／酚醛、高硅氧／酚醛和石英／酚醛材料屬于碳化--熔化型燒蝕村料，適用于中等焓值和中等熱流密度的工作環(huán)境再入飛行器和中等推力的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)防熱材料；碳／酚醛材料屬于碳化--升華型燒蝕材料，適用于能發(fā)揮升華效應(yīng)的較高焓值和較高熱流密度的工作環(huán)境，可用于更遠(yuǎn)距離再入飛行器和高性能固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等；滌綸／酚醛材料和低密度燒蝕材料適用于高焓、低熱流和較長(zhǎng)時(shí)間再入的航天飛行器如返回式衛(wèi)星和飛船等。樹(shù)脂基介電--防熱材料有高硅氧／聚四氟乙烯材料，它屬于升華--熔化型燒蝕材料，燒蝕過(guò)程中不生成碳，具有良好的透波性能，燒蝕性能與高硅氧／酚醛相匹配，用作航天器天線窗口材料。

先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料是以高性能纖維為增強(qiáng)體、高性能樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的鋼、鋁合金結(jié)構(gòu)材料相比,它的密度約為鋼的1/5,鋁合金的1/2,且比強(qiáng)度與比模量遠(yuǎn)高于后 二者。目前用途最廣的主要有碳纖維復(fù)合材料(CFRP)和芳綸纖維復(fù)合材料(AFRP)。CFRP 具有比強(qiáng)度高、耐高溫、減振性好、耐疲勞性能優(yōu)越等突出優(yōu)點(diǎn),是目前民用飛機(jī)上用量最大,也是航空航天等尖端科技領(lǐng)域發(fā)展較為成熟的先進(jìn)復(fù)合材料[2]。AFRP熱穩(wěn)定性好,耐介質(zhì)性能優(yōu)良,可作為復(fù)合裝甲材料,有較強(qiáng)的防護(hù)力。國(guó)外近年致力于將該種材料用于制作軍、民用飛機(jī)的“光譜屏蔽”材料,其關(guān)鍵性能指標(biāo)------抗沖擊性能相當(dāng)出色。

2.金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料主要是指以Al、Mg等輕金屬為基體的復(fù)合材料。在航空和宇航方面主要用它來(lái)代替輕但有毒的鈹。這類材料具有優(yōu)良的橫向性能、低消耗和優(yōu)良的可加工性,已成為在許多應(yīng)用領(lǐng)域最具商業(yè)吸引力的材料,并且在國(guó)外已實(shí)現(xiàn)商品化。而在我國(guó)僅有少量批量生產(chǎn),以汽車(chē)及機(jī)械零件為主,年產(chǎn)量?jī)H5000噸左右,與國(guó)外差距較大[3]。

3.陶瓷基復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料和碳/碳復(fù)合材料屬于耐熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。目前美國(guó)和西歐各國(guó)側(cè)重于對(duì)陶瓷基復(fù)合材料在航空和軍事應(yīng)用上的研究。美國(guó)國(guó)防部一直把這項(xiàng)技術(shù)列入重點(diǎn)投資項(xiàng)目,僅1992年美國(guó)投入陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用研究的經(jīng)費(fèi)就高達(dá)3500萬(wàn)美元[4]；法國(guó)SEP公司用陶瓷基復(fù)合材料制成的SCD-SEP火箭試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)已通過(guò)點(diǎn)火試車(chē),并使結(jié)構(gòu)減重50%[5]。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始進(jìn)行該領(lǐng)域的研究,目前尚未有批量生產(chǎn)的報(bào)道。

我國(guó)獲得應(yīng)用的陶瓷基耐高溫防熱／透波阻及防熱，透波，承載多功能復(fù)合材料主要為二氧化硅基復(fù)合材料。二氧化硅基透波復(fù)合材料是以二氧化硅材料為基體，采用高硅氧纖維織物或石英纖維織物作為增強(qiáng)體，經(jīng)浸漬增密、熱處理、防潮處理等工藝技術(shù)途徑制備的復(fù)合材料，具有優(yōu)良的防熱、耐熱、透波、承載及抗沖擊等功能。

三.應(yīng)用現(xiàn)狀

1.飛機(jī)機(jī)身上的應(yīng)用

先進(jìn)復(fù)合材料用于加工主承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)、其剛度和強(qiáng)度性能相當(dāng)于或超過(guò)鋁合金的復(fù)合材料。目前被大量地應(yīng)用在飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)制造上和小型無(wú)人機(jī)整體結(jié)構(gòu)制造上。

飛機(jī)用復(fù)合材料經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展,已經(jīng)從最初的非承力構(gòu)件發(fā)展到應(yīng)用于次承力和主承力構(gòu)件, 可獲得減輕質(zhì)量(20-30)% 的顯著效果。目前已進(jìn)入成熟應(yīng)用期,對(duì)提高飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)水平的貢獻(xiàn)、可靠性、耐久性和維護(hù)性已無(wú)可置疑, 其設(shè)計(jì)、制造和使用經(jīng)驗(yàn)已日趨豐富。迄今為止, 戰(zhàn)斗機(jī)使用的復(fù)合材料占所用材料總量的30%左右,新一代戰(zhàn)斗機(jī)將達(dá)到40%;直升機(jī)和小型飛機(jī)復(fù)合材料用量將達(dá)到(70-80)%左右, 甚至出現(xiàn)全復(fù)合材料飛機(jī)。[5]“科曼奇”直升機(jī)的機(jī)身有70% 是由復(fù)合材料制成的,但仍計(jì)劃通過(guò)減輕機(jī)身前下部質(zhì)量,以及將復(fù)合材料擴(kuò)大到配件和軸承中,以使飛機(jī)再減輕15%的質(zhì)量。“阿帕奇”為了減輕質(zhì)量,將采用復(fù)合材料代替金屬機(jī)身。使用復(fù)合材料,未來(lái)的聯(lián)合運(yùn)輸旋轉(zhuǎn)翼(JTR)飛機(jī)的成本將減少6% ,航程增加55% ,或者載荷增加36%，以典型的第四代戰(zhàn)斗機(jī)F/A-22為例復(fù)合材料占24.2% , 其中熱固性復(fù)合材料占23.8%,熱塑性復(fù)合材料占0.4%左右。熱固性復(fù)合材料的70% 左右為雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂(BMI,簡(jiǎn)稱雙馬)基復(fù)合材料[6]，生產(chǎn)200多種復(fù)雜零件,其它主要為環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料,此外還有氰酸酯和熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料等。主要應(yīng)用部位為機(jī)翼、中機(jī)身蒙皮和隔框、尾翼等。近10年來(lái),國(guó)內(nèi)飛機(jī)上也較多的使用了復(fù)合材料。例如由國(guó)內(nèi)3家科研單位合作開(kāi)發(fā)研制的某殲擊機(jī)復(fù)合材料垂尾壁板, 比原鋁合金結(jié)構(gòu)輕21kg, 減質(zhì)量30%。北京航空制造工程研究所研制并生產(chǎn)的QY8911/HT3。雙馬來(lái)酰亞胺單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料已用于飛機(jī)前機(jī)身段、垂直尾翼安定面、機(jī)翼外翼、阻力板、整流壁板等構(gòu)件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C熱塑性樹(shù)脂單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料,具有優(yōu)異的抗斷裂韌性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲勞性能,適合制造飛機(jī)主承力構(gòu)件,可在120℃下長(zhǎng)期工作,已用于飛機(jī)起落架艙護(hù)板前蒙皮。在316℃這一極限溫度下的環(huán)境中,復(fù)合材料不僅性能優(yōu)于金屬,而且經(jīng)濟(jì)效益高。據(jù)波音公司估算,噴氣客機(jī)質(zhì)量每減輕 1kg,飛機(jī)在整個(gè)使用期限內(nèi)即可節(jié)省2200美元。

2.航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

由于具有密度小、比強(qiáng)度高和耐高溫等固有特性,復(fù)合材料在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣且比例越來(lái)越大,使航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)向“非金屬發(fā)動(dòng)機(jī)”或“全復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)”方向發(fā)展。

(1)樹(shù)脂基復(fù)合材料

憑借比強(qiáng)度高,比模量高,耐疲勞與耐腐蝕性好,阻噪能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件(風(fēng)扇機(jī)匣、壓氣機(jī)葉片、進(jìn)氣機(jī)匣等)和發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、反推力裝置等部件上得到廣泛應(yīng)用。如JTAGG驗(yàn)證機(jī)的進(jìn)氣機(jī)匣采用碳纖維增強(qiáng)的PMR15樹(shù)脂基復(fù)合材料,比采用鋁合金質(zhì)量減輕26%；F136發(fā)動(dòng)機(jī)采用與F110-132發(fā)動(dòng)機(jī)相似的復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣,使質(zhì)量減輕9kg。

(2)碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料[7]

憑借密度小(有的僅為鎳基合金的1/2),比剛度和比強(qiáng)度高,耐溫性好等優(yōu)點(diǎn),碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料在壓氣機(jī)葉片、整體葉環(huán)、盤(pán)、軸、機(jī)匣、傳動(dòng)桿等部件上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

(3)陶瓷基復(fù)合材料[8]

目前主要的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品是以SiC或C纖維增強(qiáng)的SiC和SiN基復(fù)合材料。憑借密度較小(僅為高溫合金的1/3-1/4),力學(xué)性能較高,耐磨性及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn),陶瓷基復(fù)合材料,尤其是纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料,已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫靜止部件(如噴嘴、火焰穩(wěn)定器),并正在嘗試應(yīng)用于燃燒室火焰筒、渦輪轉(zhuǎn)子葉片、渦輪導(dǎo)流葉片等部件上。

3.航空隱身材料上的應(yīng)用

新型隱身材料對(duì)于飛機(jī)和導(dǎo)彈屏蔽或衰減雷達(dá)波或紅外特征，提高自身生存和突防能力，具有至關(guān)重要的作用。在雷達(dá)波隱身材料方面，除涂層外，復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)隱身材料正日益引起人們的關(guān)注，主要為碳纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料（如C/EP、C/PI或C/BMI）和熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料（如C/PEEK，C/PPS），目前已經(jīng)得到了某些應(yīng)用。

四.發(fā)展前景

復(fù)合材料是未來(lái)發(fā)展我國(guó)航空航天工程最有前途的材料,在未來(lái)的研制中渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)材料必須在抗拉強(qiáng)度、蠕變阻力、低和高循環(huán)疲勞、耐高溫腐蝕和耐沖擊損傷等方面滿足要求。提高復(fù)合材料高耐熱性、強(qiáng)度和韌性是發(fā)展復(fù)合材料的關(guān)鍵,今后在耐高溫材料上應(yīng)重點(diǎn)研制結(jié)構(gòu)陶瓷、陶瓷復(fù)合材料, 和微疊層復(fù)合材料。同時(shí)要在研究低成本復(fù)合材料的制造技術(shù)上加大力度。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)復(fù)合材料網(wǎng)

[2] 科學(xué)研究動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中心.戰(zhàn)略高技術(shù)研究動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)快報(bào)[R].成都: 中科院成都文獻(xiàn)情報(bào)中心, 2005 [3] 孫晉良.當(dāng)前中國(guó)尖端材料發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)[R].上海: 中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì), 2004.[4] OKOJIE R S, SAVRUN E, NGUYEN P, et al Relirbility Evaluation of Direct Chip Attached Silicon Carbide Pressure Transducers[A].3rd International Conference on Sensors[ C].Vienna, Austria: 2004.24-27.[5] 張佐光.功能復(fù)合材料[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.22-30.[6] 鄧云, 王欣, 李建國(guó), 等.新型海冰調(diào)查設(shè)備--冰樣壓縮機(jī)[J].海洋技術(shù), 2006, 25(1): 50-53 [7] 張世銀, 汪仁和.多功能凍土三軸試驗(yàn)機(jī)的研制與應(yīng)用[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī), 2007, 47(1): 67-70 [8] 高向群, T.H.Jacka.人造冰和冰芯冰蠕變和方位組構(gòu)發(fā)展對(duì)比[J].冰川凍土, 1995, 17(4): 343-349

對(duì)所學(xué)專業(yè)的認(rèn)識(shí)和發(fā)展的打算

飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)（代碼 082501）屬于工學(xué)大類，航空航天類。一般設(shè)有飛行器設(shè)計(jì)、飛行力學(xué)與控制、直升機(jī)設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)、飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等專業(yè)方面，主要研究的是各種航天飛行器，包括人造衛(wèi)星、宇宙飛船、空間站、深空探測(cè)器運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)等空間飛行器及導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)。

飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)畢業(yè)生一般可從事飛行器結(jié)構(gòu)工程、民用機(jī)械、交通運(yùn)輸工程、船舶與海洋工程、工業(yè)與民用建筑工程、軟件工程等方面的設(shè)計(jì)與科研、教學(xué)工作，從事航天器、火箭、導(dǎo)彈等的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、研究、運(yùn)行維護(hù)等工作，還可從事航空和其他國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門(mén)的技術(shù)和管理工作。主要從事飛行器(包括航天器與運(yùn)載器)總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與試驗(yàn)，并從事通用機(jī)械設(shè)計(jì)及制造的工作。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的強(qiáng)大，在國(guó)際上的地位逐漸提高，以及國(guó)際間綜合國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，國(guó)家會(huì)對(duì)本專業(yè)相關(guān)職、行業(yè)的發(fā)展給以足夠的重視。而且，次新科技革命的興起、信息化時(shí)代的到來(lái)，對(duì)飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)的教育與科研也是一次極大的推動(dòng)。借助這樣的國(guó)際環(huán)境和國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及良好的政策氛圍和廣闊的消費(fèi)市場(chǎng)，本專業(yè)在未來(lái)肯定會(huì)有一個(gè)質(zhì)與量的飛躍。

由于國(guó)家大力發(fā)展航空及相關(guān)事業(yè)，所以近年來(lái)飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)的畢業(yè)生在找工作時(shí)真可謂炙手可熱、供不應(yīng)求，北京、上海、西安等地航天科技院所的骨干和其他高新技術(shù)的研制與開(kāi)發(fā)人員多半是從這一專業(yè)走出。但本專業(yè)的畢業(yè)生在擇業(yè)時(shí)，應(yīng)時(shí)刻謹(jǐn)記自己肩上的歷史重任，把在學(xué)校所學(xué)到的過(guò)硬專業(yè)知識(shí)無(wú)私地奉獻(xiàn)給祖國(guó)的藍(lán)天事業(yè)，力爭(zhēng)將“好鋼用在刀刃上。”不要因?yàn)樨潏D了眼前一時(shí)的利益，被暫時(shí)物質(zhì)利益所誘惑，而放棄了自己多年的專業(yè)學(xué)習(xí)。我國(guó)的空間技術(shù)研究的歷史還不是很長(zhǎng)，這方面的后備人才非常短缺。而培養(yǎng)出一個(gè)專門(mén)人才，國(guó)家會(huì)付出太大的代價(jià)，太多的時(shí)間。如此，出于對(duì)國(guó)家的利益，擇業(yè)時(shí)的選擇應(yīng)該拿準(zhǔn)。近年來(lái)，本專業(yè)的畢業(yè)生還有一個(gè)趨勢(shì)——出國(guó)深造。這種選擇未嘗不可。到國(guó)外學(xué)習(xí)了他人先進(jìn)的技術(shù)，再回國(guó)為祖國(guó)的空間技術(shù)獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策獻(xiàn)力，走一條“師夷長(zhǎng)技以制夷”的捷徑，可以縮短自己在黑暗中摸索的時(shí)間。

個(gè)人的計(jì)劃打算是，畢業(yè)后先不急于尋找工作，先去讀研深造，等自身有了較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)和較高的能力水準(zhǔn)后再投入到工作中去!從而可以發(fā)揮更大的價(jià)值！

第二篇：材料在航空中的應(yīng)用

題目：

材料在航空中的應(yīng)用

學(xué) 生： 南冬冬 學(xué) 號(hào)： 201103020121 院（系）：

資源與環(huán)境 專 業(yè)：

服裝設(shè)計(jì)與工程 指導(dǎo)教師： 王秀峰

2013年6月10日

材料是人們生活和生產(chǎn)必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。也是人類進(jìn)化的重要里程碑。材料科學(xué)主要研究材料的成分、分子或原子機(jī)構(gòu)、微觀及宏觀組織以及加工制造工藝和性能之間的關(guān)系。它是一門(mén)邊緣新科學(xué)，主要一固態(tài)物理和固態(tài)化學(xué)、晶體學(xué)、熱力學(xué)等位基礎(chǔ)，結(jié)合冶金化工及各種高新科技術(shù)來(lái)探討材料內(nèi)在規(guī)律和應(yīng)用。材料是人類用來(lái)制造機(jī)器、構(gòu)件、器件和其他產(chǎn)品的物質(zhì)。按物理化學(xué)屬性分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料。實(shí)際應(yīng)用中又常分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，用以制造以受力為主的構(gòu)件。結(jié)構(gòu)材料也有物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)的要求，如光澤、熱導(dǎo)率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等，根據(jù)材料用途不同，對(duì)性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質(zhì)的物

理、化學(xué)性質(zhì)或生物現(xiàn)象等對(duì)外界變化產(chǎn)生的不同反應(yīng)而制成的一類材料。

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代，人們把信息、材料和能源作為社會(huì)文明的支柱。80年代，隨著高技術(shù)群的興起，又把新材料與信息技術(shù)、生物技術(shù)并列作為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。現(xiàn)代社會(huì)，材料已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和人民生活的重要組成部分。

航空航天大多是在極端條件下進(jìn)行的，所以對(duì)材料的要求很高。經(jīng)過(guò)幾十年的航空航天材料研究，研制出了納米顆粒炸藥、碳納米管高硬度材料、鋁氧納米管材料和新型密封材料、電子絕緣聚合物材料、新型“熱塑料”材料以及原子級(jí)硅記憶材料和鋁－硅合金等，并發(fā)現(xiàn)了納米孔隙網(wǎng)材料等。而且新材料工藝也取得了重大突破：采用溫軋法、粉末冶金法、非晶復(fù)合技術(shù)工藝、急速凝固法、樹(shù)脂膜浸漬法和等溫化學(xué)氣相浸滲法制造出了高強(qiáng)度合金材料、梯度功能材料以及抗損傷復(fù)合材料編制機(jī)等。與此同時(shí)，新材料在航空航天應(yīng)用上也有重大進(jìn)展，形狀記憶合金、量子隧道效應(yīng)復(fù)合材料等高性能材料得到了廣泛應(yīng)用；火箭尾噴管應(yīng)用納米復(fù)合涂層、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵應(yīng)用陶瓷基復(fù)合材料葉盤(pán)；采用復(fù)合材料排布機(jī)編制燃料箱；采用紅外材料制成手提式定向反射儀以及用氮化物基材料制造出電子器件等

復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各種材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一材料的缺陷，擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、彈性優(yōu)良、耐化學(xué)腐蝕和耐候性好等特點(diǎn)，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、電子電氣、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年更是得到了飛速發(fā)展。

復(fù)合材料在美國(guó)和歐洲主要用于航空航天、汽車(chē)等行業(yè)。2000年美國(guó)汽車(chē)零件的復(fù)合材料用量達(dá)14.8萬(wàn)噸，歐洲汽車(chē)復(fù)合材料用量到2003年估計(jì)可達(dá)10.5萬(wàn)噸。而在日本，復(fù)合材料主要用于住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)備等，此類產(chǎn)品在2000年的用量達(dá)7.5萬(wàn)噸，汽車(chē)等領(lǐng)域的用量?jī)H為2.4萬(wàn)噸。不過(guò)從全球范圍看，汽車(chē)工業(yè)是復(fù)合材料最大的用戶，今后發(fā)展?jié)摿θ允志薮螅壳斑€有許多新技術(shù)正在開(kāi)發(fā)中。例如，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，增加轎車(chē)的舒適性，正著力開(kāi)發(fā)兩層冷軋板間粘附熱塑性樹(shù)脂的減振鋼板；為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)向高速、增壓、高負(fù)荷方向發(fā)展的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿、軸瓦已開(kāi)始應(yīng)用金屬基復(fù)合材料。為滿足汽車(chē)輕量化要求，必將會(huì)有越來(lái)越多的新型復(fù)合材料將被應(yīng)用到汽車(chē)制造業(yè)中。與此同時(shí)，隨著近年來(lái)人們對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日益重視，高分子復(fù)合材料取代木材方面的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復(fù)合材料，在北美已被大量用作托盤(pán)和包裝箱，用以替代木制產(chǎn)品；而可降解復(fù)合材料也成為國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)。

碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維由于具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電和導(dǎo)熱等性能，因而使其成為一種兼具碳材料強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征的化工新材料，是新一代增強(qiáng)纖維。

目前，碳纖維不僅廣泛應(yīng)用軍事工業(yè)，而且在汽車(chē)構(gòu)件、風(fēng)力發(fā)電葉片、核電、油田鉆探、體育用品、碳纖維復(fù)合芯電纜以及建筑補(bǔ)強(qiáng)材料領(lǐng)域也存在巨大應(yīng)用空間，而其在航空領(lǐng)域的光輝業(yè)績(jī)尤為引人注目。

碳纖維應(yīng)宇航工業(yè)對(duì)耐燒蝕和輕質(zhì)高強(qiáng)材料的迫切需求發(fā)展起來(lái)，它主要是由碳元素組成的一種特種纖維，是繼玻璃纖維之后出現(xiàn)的第二代纖維增強(qiáng)塑料碳纖維的含碳量在90%以上，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強(qiáng)度和最高比模量。在2000℃以上高溫惰性環(huán)境中，碳纖維是唯一一種強(qiáng)度不下降的物質(zhì)。此外，它還兼具其它多種得天獨(dú)厚的優(yōu)良性能，更可貴的是，碳纖維與其它材料具有很高的相容性，兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，并且容易復(fù)合，具有很大的設(shè)計(jì)自由度。這就使得碳纖維成為纖維增強(qiáng)材料中發(fā)展最迅速、應(yīng)用范圍很廣、適于不同領(lǐng)域要求的纖維材料。研制大型飛機(jī)要突破許多關(guān)鍵技術(shù)，其中一項(xiàng)是“先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)”，這項(xiàng)技術(shù)離不開(kāi)碳纖維。世界碳纖維的需求在各用途領(lǐng)域都不斷增長(zhǎng)，特別是急速增長(zhǎng)的航空航天領(lǐng)域拉動(dòng)了碳纖維全體的增長(zhǎng)。碳纖維的主要用途是與樹(shù)脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成結(jié)構(gòu)材料。自玻璃纖維與

有機(jī)樹(shù)脂復(fù)合得到的玻璃鋼問(wèn)世以來(lái)，碳纖維、陶瓷纖維以及硼纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料相繼研制成功，而且性能不斷得到改進(jìn)，使復(fù)合材料領(lǐng)域呈現(xiàn)出一派勃勃生機(jī)。碳纖維復(fù)合材料與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為飛機(jī)機(jī)體的四大先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料。

碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的具體應(yīng)用 碳纖維復(fù)合材料因其獨(dú)特、卓越的性能，在航空領(lǐng)越特別是飛機(jī)制造業(yè)中應(yīng)用廣泛。統(tǒng)計(jì)顯示，目前，碳纖維復(fù)合材料在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量已占70％~80％，在軍用飛機(jī)上占30％~40％，在大型客機(jī)上占15％~50％。

碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）具有質(zhì)量輕等一系列突出的性能，在對(duì)重量、剛度、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域以及要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都具有很大優(yōu)勢(shì)。

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料已成為生產(chǎn)武器裝備的重要材料。AV—8B 改型“鷂”式飛機(jī)是美國(guó)軍用飛機(jī)中使用復(fù)合材料最多的機(jī)種，其機(jī)翼、前機(jī)身都用了石墨環(huán)氧大型部件，全機(jī)所用碳纖維的重量約占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重量的26％，使整機(jī)減重9％，有效載荷比AV—8A飛機(jī)增加了一倍。數(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機(jī)身段，可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量32.24%。用軍機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要指標(biāo)——結(jié)構(gòu)重量系數(shù)來(lái)衡量，國(guó)外第四代軍機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)已達(dá)到27～28%。未來(lái)以F-22 為目標(biāo)的背景機(jī)復(fù)合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復(fù)合材料將成為主體材料。國(guó)外一些輕型飛機(jī)和無(wú)人駕駛飛機(jī)，已實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。

直升飛機(jī)上碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的用量更是與日俱增。武裝了駐港部隊(duì)并參加了2007 年上海合作組織在俄羅斯反恐軍演的直-9 型直升飛機(jī)，是我國(guó)先進(jìn)的直升飛機(jī)。該機(jī)復(fù)合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生產(chǎn)的OH-1 “忍者” 直升飛機(jī)，機(jī)身的40％是用CFRP，槳葉等也用CFRP 制造。在民用領(lǐng)域，世界最大的飛機(jī)A380 由于CFRP 的大量使用，創(chuàng)造了飛行史上的奇跡。這種飛機(jī)25%重量的部件由復(fù)合材料制造，其中22%為碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)。由于CFRP 的明顯減重以及在使用中不會(huì)因疲勞或腐蝕受損，從而大大減少了油耗和排放。燃油的經(jīng)濟(jì)性比其直接競(jìng)爭(zhēng)機(jī)型要低13%左右，并降低了運(yùn)營(yíng)成本，座英里成本比目前效率最高飛機(jī)的低15%~20%成為第一個(gè)每乘客每百公里耗油少于三升的遠(yuǎn)程客機(jī)。

納米材料在航空中的應(yīng)用

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10~100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。

納米材料由于具有獨(dú)特的小尺寸效應(yīng)而表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。利用納米材料這些獨(dú)特的性質(zhì)。可對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行改性，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出更高性能的材料．開(kāi)辟出新的材料生產(chǎn)途徑．以滿足傳統(tǒng)材料所不能達(dá)到的要求．尤其是滿足航天航空領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿奶厥庖蟆?yīng)用納米材料可減小航天器電子元器件的體積和質(zhì)量．并提高其可靠性。納米材料的發(fā)展方向主要有功能納米材料及結(jié)構(gòu)納米材料納米材料在航天器結(jié)構(gòu)材料上的應(yīng)用 1．金屬及金屬基復(fù)合材料晶粒細(xì)化是提高金屬材料強(qiáng)度最有效的方法之一。利用添加納米陶瓷來(lái)增強(qiáng)金屬合金基材料的方法，就是把納米陶瓷粉體均勻分散于合金中．以提高合金的成核速率．同時(shí)抑制晶粒長(zhǎng)大．從而起到晶粒細(xì)化的作用。抑制材料使用過(guò)程中微裂紋的擴(kuò)展．提高產(chǎn)品的強(qiáng)度。例如，將納米碳化硅、納米氮化硅、納米氮化鈦、納米硅粉添加到金屬基體(鋁、銅、銀、鋼、鐵等合金)中。可制造出質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐熱性好的新型合金材料。

(1)納米氮化鈦應(yīng)用于合金鋼、鐵納米氮化鈦具有硬度和熱穩(wěn)定性高、粒度小，以及分散性好的特點(diǎn)。在鋼水冷卻結(jié)晶過(guò)程中．納米氮化鈦成為晶核相．可大大增加成核數(shù)量，減小晶粒尺寸．達(dá)到細(xì)化合金晶粒的效果．使合金的綜合性能大大改善。

(2)納米碳化硅應(yīng)用于銀基復(fù)合材料通過(guò)向基體中加入均勻、細(xì)J．J＼，具有良好穩(wěn)定性的顆粒．達(dá)到彌散強(qiáng)化合金的目的．是制備高強(qiáng)高導(dǎo)合金材料的重要途徑之一。納米碳化硅對(duì)于銀合金來(lái)說(shuō)是一種有效的增強(qiáng)相．當(dāng)納米碳化硅的質(zhì)量百分含量為l％時(shí)．強(qiáng)化效果佳．材料的抗拉強(qiáng)度可達(dá)39IMPa．相對(duì)電導(dǎo)率為60．2％，強(qiáng)度和耐磨性均有所提高。(3)納米碳化硅彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料高強(qiáng)高導(dǎo)銅基復(fù)合材料在集成電路的引線框架 各類點(diǎn)焊、滾焊機(jī)的電極、觸頭材料，電樞、電動(dòng)工具的換相器等電子設(shè)備中具有廣泛的用途。但銅合金的高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性一直是一對(duì)互相矛盾的特性．一般只能在犧牲電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的前提下改善銅的力學(xué)性能，以獲得高強(qiáng)度。采用納米碳化硅穩(wěn)定彌散強(qiáng)化銅基材料是解決 這一矛盾的較好方法 通過(guò)向基體中加入均勻、細(xì)小，具有良好穩(wěn)定性的納米碳化硅顆粒以達(dá)到彌散強(qiáng)化銅合金的目的．已成為制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)。

(4)納米碳化鋯應(yīng)用于硬質(zhì)合金納米碳化鋯是一種重要的高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度和耐腐

蝕的高溫結(jié)構(gòu)材料 納米碳化鋯用于硬質(zhì)合金材料中．可提高材料的強(qiáng)度和耐腐蝕性等性能。

納米材料用作涂層可提高工件的耐磨性、抗剝蝕性和抗氧化性。研究表明，用納米碳化硅、碳化鋯、碳化鈦、氮化鈦、碳化硼等粉體作為金屬表面的復(fù)合涂層．可獲得超強(qiáng)耐磨性和潤(rùn)滑性．其耐磨性比軸承鋼高100倍．摩擦系數(shù)為0．06～0．1．同時(shí)還具有高溫穩(wěn)定性和耐腐蝕性。在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件中應(yīng)用納米技術(shù)．可大大延長(zhǎng)這些零部件的使用壽命 4．特種密封材料發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障最多的是各種密封面的失效．密封面的表面質(zhì)量是決定密封性能好壞的主要因素．和用納米材料改性密封零件基體或在密封表面覆蓋一層納米粉末極大地改善其密 性能。目前。密封橡膠所用的增強(qiáng)劑多為納米級(jí)炭黑．若改用納米氮化硅使其拉伸強(qiáng)度提高1 4倍．并改善其耐磨性和密封性。

將納米金屬粉添加到固體火箭推進(jìn)劑中．可顯著改善固體推進(jìn)劑的燃燒性能。例如，在固體火箭推進(jìn)劑中添加納米級(jí)鋁粉或鎳粉．推進(jìn)劑燃燒效率可得到較大提高、燃速顯著增大。含有納米金屬鋁粉的固體推進(jìn)劑燃速比含有常規(guī)鋁粉的固體推進(jìn)劑的燃速高5 20倍。

總而言之, 材料的不斷發(fā)展可以極大的促進(jìn)航天事業(yè)的發(fā)展。航空材料也變得多種多樣，例如現(xiàn)在的智能材料。材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，而隨著高技術(shù)群的興起，又把新材料與信息技術(shù)、生物技術(shù)并列作為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。現(xiàn)代社會(huì)，材料已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和人民生活的重要組成部分。

第三篇：碳纖維復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料在航空中的應(yīng)用

摘要：碳纖維復(fù)合材料由于其質(zhì)輕高強(qiáng)的特點(diǎn)而在航空領(lǐng)域大量使用，主要介紹了其在飛機(jī)上的大量應(yīng)用，期待我國(guó)碳纖維工業(yè)能早日達(dá)到先進(jìn)水平。關(guān)鍵字：碳纖維；碳纖維復(fù)合材料；商用飛機(jī)。1引言 碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、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(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的比強(qiáng)度。

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7~9倍，抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。

正是由于碳纖維在力學(xué)上的出色性能，碳纖維復(fù)合材料(CFRP)被廣泛用于航空航天領(lǐng)域。早在上世紀(jì)50年代就被用于火箭，而隨著80年代高性能復(fù)合材料的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用更加廣泛。不僅在火箭、宇航、航空等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，而且廣泛應(yīng)用于體育器械，紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。2碳纖維復(fù)合材料在商用飛機(jī)上的應(yīng)用 復(fù)合材料誕生之時(shí)，就由于其質(zhì)輕高強(qiáng)的性能而與航空航天器結(jié)下了不解之緣。上世紀(jì)40年代開(kāi)始，復(fù)合材料就被用于軍用飛機(jī)的修補(bǔ)。上世紀(jì)80年代，復(fù)合材料在商用飛機(jī)上得到逐步應(yīng)用。隨之而來(lái)的碳纖維革命，尤其是中模量碳纖維性能的提高﹑技術(shù)的穩(wěn)定，使得碳纖維復(fù)合材料最終被用于大型商用飛機(jī)的主結(jié)構(gòu)。以B787 和A350 為代表的大型商用飛機(jī)，其復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量中的占比已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)了50%，最大的商用飛機(jī)A380 的中央翼也完全使用復(fù)合材料，這些都是復(fù)合材料在大型商用飛機(jī)上使用的里程碑。2.1商用飛機(jī)上主要的CFRP構(gòu)件[1] 目前，商用飛機(jī)上使用的復(fù)合材料大部分是碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料，也包括一些玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料，以及少量的特種基體樹(shù)脂復(fù)合材料。其應(yīng)用分為三個(gè)大類，即一級(jí)結(jié)構(gòu)材料、二級(jí)結(jié)構(gòu)材料和內(nèi)裝飾材料。如圖所示：

2.2主要的纖維和基體類型

在選用的纖維方面，通用級(jí) T300 碳纖維 CFRP 可用來(lái)制造飛機(jī)的二次結(jié)構(gòu)部件。例如，T300/ 5208用來(lái)制造B757、B767 和B777的二次結(jié)構(gòu)部件。但因T300的抗拉強(qiáng)度僅為 3.53 GPa，抗拉模量為 231 GPa，特別是斷后延長(zhǎng)僅有 1.5 %，滿足不了制造一次結(jié)構(gòu)件的要求。隨后開(kāi)發(fā)成功的高強(qiáng)中模型碳纖維在上述 3 項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)有了大幅度提高，再配套韌性環(huán)氧樹(shù)脂所制高性能CFRP 就可用來(lái)制造大飛機(jī)的一次結(jié)構(gòu)件。主要的高強(qiáng)中模碳纖維品牌及性能如下表所示：

由表中數(shù)據(jù)可知，這類高強(qiáng)中模碳纖維的性能比通用級(jí) T300 有了大幅度提高。我國(guó)目前還不能生產(chǎn)這類高性能碳纖維，處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，有望在“十一五”期間有所突破。通用型環(huán)氧樹(shù)脂固化后屬于脆性材料，需增韌改性為韌性基體樹(shù)脂。高強(qiáng)中模碳纖維與韌性基體樹(shù)脂復(fù)合后所制韌性CFRP可用來(lái)制造大飛機(jī)的一次和二次結(jié)構(gòu)件。其中，具有代表性的是T800H/3900-2（P2302）和 IM7/8551-7。熱固性樹(shù)脂（TS）為母相，熱塑性樹(shù)脂（TP）為分散相，兩者均勻混合固化成型。在熱固化成型過(guò)程中，TS 成為三維交聯(lián)體，TP 仍保持線性特性，賦予CFRP韌性。這樣可制得韌性CFRP。T800H/3900-2（P2302）是典型的用來(lái)制造大飛機(jī)一次和二次結(jié)構(gòu)件的韌性復(fù)合材料。

2.3韌性 CFRP 在大飛機(jī)上應(yīng)用需關(guān)注的技術(shù)關(guān)鍵[2] 隨著碳纖維性能的不斷提高，增韌改性基體樹(shù)脂的不斷深入和復(fù)合技術(shù)的日趨完善，韌性CFRP 在大飛機(jī)上的應(yīng)用逐步拓寬。未來(lái)500～600座的大飛機(jī)將成為航空客運(yùn)的主力機(jī)型。為此，需要解決好以下幾方面的問(wèn)題：

(1)設(shè)計(jì)允許應(yīng)變達(dá)到0.6%，可用沖擊后抗壓縮強(qiáng)度（CAI）來(lái)評(píng)價(jià)。這就需用高強(qiáng)度、大伸長(zhǎng)碳纖維與韌性基體樹(shù)脂來(lái)復(fù)合。例如，T800H/3900-2 或 IMT/8551-7 的韌性預(yù)浸料，可達(dá)到上述指標(biāo)。

(2)提高抗 CFRP 的抗沖擊強(qiáng)度，需采用高強(qiáng)度、大伸長(zhǎng)碳纖維。例如，T700S 斷后延長(zhǎng)高達(dá) 2.1 %。上漿劑中可含有熱塑性塑料微粒，提高其韌性。

(3)提高沖擊損傷后的抗壓縮強(qiáng)度（CAI），需采用高強(qiáng)度、大伸長(zhǎng)碳纖維與韌性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合。控制碳纖維石墨微晶尺寸，也可提高抗壓縮強(qiáng)度。同時(shí)，研究韌性耐熱的熱可塑性樹(shù)脂，作為新一代韌性基體樹(shù)脂。

(4)提高抗層間剪切強(qiáng)度（ILSS），改善兩相界面粘接強(qiáng)度，有效傳遞載荷。同時(shí)，采用三維編織物和 RTM 成型技術(shù)，也可有效提高 ILSS 和防止層間剝落現(xiàn)象。

(5)提高CFRP的耐熱性，以適應(yīng)超音速飛行。除提高基體樹(shù)脂的耐熱性外，也應(yīng)關(guān)注碳纖維表面上漿劑的濕熱性能。吸濕會(huì)降底 CFRP 性能。

(6)采用整體成型的先進(jìn)復(fù)合技術(shù)來(lái)制造大型構(gòu)件，如體翼一次成型技術(shù)。這不僅提高整體復(fù)合件的性能，而且可大幅度減少零件數(shù)目和緊固件數(shù)目，有利于降低生產(chǎn)成本。3碳纖維復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙上的應(yīng)用[1] 復(fù)合材料在商用飛機(jī)上的另一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域是在發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙，而發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，例如，GE90 的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，則是這種應(yīng)用的典范。GE90葉片使用的是8551-7/IM7預(yù)浸料，通過(guò)熱壓罐工藝成型獲得，這種環(huán)氧中模量碳纖維預(yù)浸料具有極高的韌性和損傷容限，可以滿足葉片苛刻的性能要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料葉片的另一種制作工藝是使用3D碳纖維織物，用環(huán)氧樹(shù)脂灌注而成。這種技術(shù)充分利用了3D織物的特點(diǎn)，用其制得的復(fù)合材料具有低裂紋擴(kuò)展性、高能量吸收性以及耐沖擊、抗分層性能。即將用于C919客機(jī)的Leap-X1C即使用這種技術(shù)。

復(fù)合材料除了提供結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)以外，在發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙上的另一個(gè)貢獻(xiàn)是降噪。在B787的發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙上使用了一種降噪蜂窩，用其作為芯材、環(huán)氧預(yù)浸料作為蒙皮的夾層結(jié)構(gòu)起到了良好的降噪效果，使B787被譽(yù)為最安靜的飛機(jī)，這也是B787的亮點(diǎn)之一。4碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)上的其他應(yīng)用 通用小飛機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有的小飛機(jī)機(jī)身甚至甚至可以使用玻璃纖維預(yù)浸料為蒙皮的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，而外翼的翼樑則可以使用單向碳纖維復(fù)合材料制造。生產(chǎn)工藝上，從節(jié)約成本考慮，較為普遍采用的是非熱壓罐工藝。碳纖維復(fù)合材料在直升機(jī)上的應(yīng)用也十分廣泛，除機(jī)身、尾樑等結(jié)構(gòu)件以外，還包括槳葉、傳動(dòng)軸、高溫整流罩等對(duì)疲勞、濕熱性能有更高要求的部件。特別是復(fù)合材料槳葉的使用，把槳葉的使用壽命從金屬的2000小時(shí)提高到了復(fù)合材料的6000小時(shí)以上，甚至是無(wú)限壽命，并且兩者的制造成本幾乎相當(dāng)，因此使用復(fù)合材料取代金屬材料也成為必然。

碳/碳（C/C）復(fù)合材料則是制造飛機(jī)剎車(chē)裝置的優(yōu)異材料。例如著名的B-2戰(zhàn)略轟炸機(jī)、空客A320均采用C/C復(fù)合材料剎車(chē)裝置。這些先進(jìn)的 C/C剎車(chē)裝置可有效地把飛機(jī)降落過(guò)程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，不僅剎車(chē)制動(dòng)的安全性高，而且可有效減輕質(zhì)量。例如160 座的空客 A320，采用的C/C剎車(chē)裝置可減質(zhì)量140 kg。這種 C/C 剎車(chē)裝置已在戰(zhàn)機(jī)和客機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。[3] CFRP 還可用來(lái)制造隱身飛機(jī)。B-2 戰(zhàn)略轟炸機(jī)屬于隱身飛機(jī)，其雷達(dá)散射截面積

（RCS）僅有0.1 ㎡，不易被對(duì)方雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，大大增加了突防能力和生存概率。B-2 轟炸機(jī)大量采用先進(jìn)的特種 CFRP，所用碳纖維的截面積不是圓形，而是異型截面，如方形截面，且在表面沉積 1 層多孔碳粒或附著1 層多孔微球，實(shí)施對(duì)雷達(dá)波的散射和吸收，賦予其吸波功能。這種結(jié)構(gòu)吸波和涂層吸波相疊加，大大增強(qiáng)了綜合吸波動(dòng)功能。這也就是說(shuō)，特種 CFRP 不僅是結(jié)構(gòu)材料，而且也是結(jié)構(gòu)吸波材料。[3] 5我國(guó)碳纖維復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)較早地意識(shí)到碳纖維的研制和生產(chǎn)對(duì)軍事工業(yè)發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重要作用，早在20 世紀(jì)60 年代末就開(kāi)始研制碳纖維，經(jīng)過(guò) 40 余年的發(fā)展，碳纖維從無(wú)到有，從研制到生產(chǎn)取得了一定的成績(jī)。但總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)碳纖維的研制與生產(chǎn)水平還較低，一直沒(méi)有在高標(biāo)號(hào)碳纖維研究上取得突破性進(jìn)展。我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品規(guī)格單一。近些年來(lái)，由于我國(guó)對(duì)碳纖維需求量的日益增加，碳纖維又成為國(guó)內(nèi)新材料業(yè)研發(fā)的熱點(diǎn)。但是，除極個(gè)別企業(yè)外，大多數(shù)引進(jìn)項(xiàng)目的技術(shù)和設(shè)備水平屬國(guó)際中下等，生產(chǎn)的碳纖維產(chǎn)品也未達(dá)到高端水平。引進(jìn)后的消化、吸收與創(chuàng)新是碳纖維行業(yè)面臨的重大課題。[4] 我國(guó)碳纖維工業(yè)與先進(jìn)國(guó)家相比存在15 年左右的差距，我們還不能生產(chǎn)高強(qiáng)中模碳纖維，T300仍處于產(chǎn)業(yè)化階段。實(shí)驗(yàn)室研制高強(qiáng)中模碳纖維雖然取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但產(chǎn)業(yè)化仍有一段路要走。在國(guó)家大力支持和有實(shí)力民營(yíng)企業(yè)的介入，縮短產(chǎn)業(yè)化時(shí)間已具備條件，高強(qiáng)中模碳纖維指日可待。[5] 參考文獻(xiàn)

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第四篇：復(fù)合材料在飛機(jī)航空中的應(yīng)用與發(fā)展

復(fù)合材料在飛機(jī)航空中的應(yīng)用與發(fā)展

姓名:李經(jīng)緯

學(xué)號(hào)：0823020124 復(fù)合材料大量用于航空航天工業(yè)和汽車(chē)工業(yè)，特別是先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料用于飛機(jī)尤為值得注意。不久前，碳纖維復(fù)合材料只能在軍用飛機(jī)用作主結(jié)構(gòu)，但是，由于技術(shù)發(fā)展的進(jìn)步，先進(jìn)復(fù)合材料已開(kāi)始在民航客機(jī)止也應(yīng)用作主結(jié)構(gòu)，如機(jī)身、機(jī)翼等。

一．飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)今新一代飛機(jī)的發(fā)展目標(biāo)是“輕質(zhì)化、長(zhǎng)壽命、高可靠、高效能、高隱身、低成本”。而復(fù)合材料正具備了上面的幾個(gè)條件，成為實(shí)現(xiàn)新一代飛機(jī)發(fā)展目標(biāo)的重要途徑。復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)、抗疲勞、易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化等優(yōu)點(diǎn)，因此，繼鋁、鈦、鋼之后迅速發(fā)展成為四大飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料之一。

復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用首先帶來(lái)的是顯著的減重效益，復(fù)合材料尤其是碳纖維復(fù)合材料其密度僅為1.6g/cm3左右，如等量代替鋁合金，理論上可有42%的減重效果。近年來(lái)隨著復(fù)合材料技術(shù)的深入研究和應(yīng)用實(shí)踐的積累，人們清楚地認(rèn)識(shí)到：復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用效益絕不僅僅是減重，而且給設(shè)計(jì)帶來(lái)創(chuàng)新舞臺(tái)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，還可提供諸如抗疲勞、抗振、耐腐蝕、耐久性和吸透波等其它傳統(tǒng)材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)異功能特性，可極大地提高其使用效能，降低維護(hù)成本，增加未來(lái)發(fā)展的潛力和空間。尤其與鋁合金等傳統(tǒng)材料相比，可明顯減少使用維護(hù)要求，降低壽命周期成本，特別是當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入老齡化階段后效果更明顯，據(jù)說(shuō)B787較之B767機(jī)體維修成本會(huì)降低30％，這在很大程度上應(yīng)歸功于復(fù)合材料的大量應(yīng)用。同時(shí)，大部分復(fù)合材料飛機(jī)構(gòu)件可以整體成型，大幅度減少零件數(shù)目，減少緊固件數(shù)目，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低連接和裝配成本，從而有效地降低了總成本，如F/A-18E/F零件數(shù)減少42%，減重158kg。復(fù)合材料整體成型技術(shù)還可消除縫隙、臺(tái)階和緊固件，無(wú)疑對(duì)提高軍機(jī)的隱身性能也具有非常重要的貢獻(xiàn)。

二．飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的發(fā)展過(guò)程

先進(jìn)復(fù)合材料于上世紀(jì)60年代中期一問(wèn)世，即首先用于飛行器結(jié)構(gòu)上。30多年來(lái)先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用走過(guò)了一條由小到大、由次到主、由局部到整體、由結(jié)構(gòu)到功能、由軍機(jī)應(yīng)用擴(kuò)展到民機(jī)應(yīng)用的發(fā)展道路。

1.復(fù)合材料在軍用飛機(jī)上的發(fā)展過(guò)程

縱觀國(guó)外軍機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料所走過(guò)的道路，大致可分為三個(gè)階段： 第一階段復(fù)合材料主要用于受力較小或非承力件，如艙門(mén)、口蓋、整流罩以及襟副翼、方向舵等，大約于上世紀(jì)70年代初完成。

第二階段復(fù)合材料主要用于垂尾、平尾等尾翼一級(jí)的次承力部件，以F-14硼/環(huán)氧復(fù)合材料平尾于1971年研制成功作為標(biāo)志，基本于上世紀(jì)80年代初完成。此后F-

15、F-

16、F-

18、幻影2000和幻影4000等均采用了復(fù)合材料尾翼，此時(shí)復(fù)合材料用量大約只占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的5%。

第三階段復(fù)合材料開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)翼、機(jī)身等主要的承力結(jié)構(gòu)，受力很大，規(guī)模也很大。主要以1976年美國(guó)原麥道公司研制成功FA-18復(fù)合材料機(jī)翼作為里程碑，此時(shí)復(fù)合材料用量已提高到了13%，軍機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化進(jìn)程進(jìn)一步得到推進(jìn)。此后世界各國(guó)所研制的軍機(jī)機(jī)翼一級(jí)的部件幾乎無(wú)一例外地都采用了復(fù)合材料，其復(fù)合材料用量不斷增加，如美國(guó)的AV-8B、B-

2、F/A-

22、F/A-18E/F、F-

35、法國(guó)的“陣風(fēng)”（Rafale）、瑞典的JAS-

39、歐洲英、德、意、西四國(guó)聯(lián)合研制的“臺(tái)風(fēng)”（EF2000）、俄羅斯的C-37等，具體如表1所示。

應(yīng)該指出繼機(jī)翼、機(jī)身采用復(fù)合材料之后，飛機(jī)的最后一個(gè)重要部件——起落架也開(kāi)始了應(yīng)用復(fù)合材料，向著全機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化又邁進(jìn)了一步。復(fù)合材料用在起落架上是代鋼而不是代鋁，可有更大的減重空間，一般可達(dá)40%左右。

2.復(fù)合材料在民用航空上的發(fā)展

繼軍機(jī)之后，國(guó)外大型民機(jī)也大量采用復(fù)合材料，以波音飛機(jī)為例，其進(jìn)程大致走過(guò)了四個(gè)階段：第一階段：采用復(fù)合材料制造受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構(gòu)件，該階段于上世紀(jì)70年代中期實(shí)現(xiàn)。第二階段：制造升降舵、方向舵、襟副翼等受力較小的部件，該階段約于80年代中期結(jié)束。第三階段：制造垂尾、平尾受力較大的部件，突破了尾翼級(jí)部件在大型客機(jī)上的試用，隨后B777設(shè)計(jì)應(yīng)用了復(fù)合材料垂尾、平尾，共用復(fù)合材料9.9噸，占結(jié)構(gòu)總重的11%。第四階段：在飛機(jī)最主要受力部件機(jī)翼、機(jī)身上正式使用復(fù)合材料，如波音公司正在研制的B787“夢(mèng)想”飛機(jī)，其復(fù)合材料用量達(dá)50％。下圖為B787“夢(mèng)想”中復(fù)合材料的使用情況。

圖中深藍(lán)色部分為飛機(jī)的碳層合板，用于機(jī)身主體的機(jī)構(gòu)，淺藍(lán)色為碳夾芯板，用于飛機(jī)的尾翼部分和側(cè)翼的少部分部件，綠色部分是玻璃纖維，紅色部分為鋁，黃色部分為鋁/鋼/鈦吊架。

空客也于70年代中期開(kāi)始了先進(jìn)復(fù)合材料在其A300系列飛機(jī)上的應(yīng)用研究，經(jīng)過(guò)7年時(shí)間于1985年完成了A320全復(fù)合材料垂尾的研制，此后A300系列飛機(jī)的尾翼一級(jí)的部件均采用復(fù)合材料，將復(fù)合材料的用量迅速推進(jìn)到了15%左右。已于2005年初下線并首飛的A380超大型客機(jī)，其復(fù)合材料用量達(dá)25%，主要應(yīng)用部位包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、機(jī)身地板梁和后承壓框等，開(kāi)創(chuàng)了先進(jìn)復(fù)合材料在大型客機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用的先河。

上面的圖為空客大型民機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的進(jìn)程。

3.復(fù)合材料在我國(guó)飛機(jī)制造的應(yīng)用

我國(guó)于上世紀(jì) 70 年代已開(kāi)展軍機(jī)用先進(jìn)復(fù)合材料的研究。“六五”期間作為預(yù)研項(xiàng)目研制了兩個(gè)機(jī)型的復(fù)合材料垂尾，1985 年開(kāi)始研制某型機(jī)帶整體油箱的復(fù)合材料機(jī)翼，90 年代初研制了某型機(jī)復(fù)合材料垂尾和前機(jī)身，此后多種機(jī)型均正式采用了復(fù)合材料，其復(fù)合材料用量接近10％。

雖然我國(guó)在航空和汽車(chē)領(lǐng)域中，對(duì)于復(fù)合材料已經(jīng)有了一定的了解和應(yīng)用，但是復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)和投用在我國(guó)仍是一個(gè)重大的難點(diǎn)，我國(guó)航天事業(yè)起步慢，也沒(méi)有核心技術(shù)的支持，但是我相信，在長(zhǎng)期的努力之下，我們國(guó)家一定會(huì)擁有自己的復(fù)合材料的技術(shù)，并用于飛機(jī)，汽車(chē)等的制造中。

三．飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在將來(lái)的發(fā)展及前景

人們以前一直擔(dān)心樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用壽命問(wèn)題，30多年來(lái)的應(yīng)用發(fā)展歷史證明了先進(jìn)復(fù)合材料具有優(yōu)異的使用性能，使用壽命不成問(wèn)題，這也是目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用量大幅提高的基礎(chǔ)和前提。自20世紀(jì)70年代先進(jìn)復(fù)合材料進(jìn)入飛機(jī)結(jié)構(gòu)以來(lái)，各種飛機(jī)從未因大量使用復(fù)合材料引發(fā)飛行事故，這無(wú)疑為復(fù)合材料的應(yīng)用增加了信心和安全置信度。最早的裝機(jī)件歷經(jīng)30余年的使用，已到設(shè)計(jì)的使用壽命，最近的檢測(cè)結(jié)果表明，空中使用和地面驗(yàn)證情況相符，疲勞和使用環(huán)境未造成剩余強(qiáng)度下降，仍可承受既定的設(shè)計(jì)載荷，絕大多數(shù)制件至今仍處于良好狀態(tài)。曾以為樹(shù)脂基復(fù)合材料的老化可能是影響使用的嚴(yán)重問(wèn)題，國(guó)外的大量使用經(jīng)驗(yàn)證明，老化不成問(wèn)題，性能衰退未超過(guò)使用要求。同時(shí)使用經(jīng)驗(yàn)還表明，復(fù)合材料隨飛機(jī)結(jié)構(gòu)成功地經(jīng)受了疲勞與溫度、吸濕及腐蝕等環(huán)境的考驗(yàn)，有些問(wèn)題并不像當(dāng)初預(yù)計(jì)的那樣嚴(yán)重。

實(shí)踐還使人們認(rèn)識(shí)到復(fù)合材料越是用于主結(jié)構(gòu)問(wèn)題越少，使用性能可能更好。如復(fù)合材料薄板，特別是薄的蜂窩結(jié)構(gòu)面板常出現(xiàn)沖擊損傷容限等問(wèn)題，但主結(jié)構(gòu)板厚增加，如A380中央翼盒處板厚可達(dá)45mm，損傷阻抗能力提高，損傷容限已不成問(wèn)題。當(dāng)板厚超過(guò)8mm損傷容限問(wèn)題會(huì)急劇下降，厚板的吸濕、溫度傳導(dǎo)等問(wèn)題均會(huì)下降，機(jī)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的框、梁、肋用復(fù)合材料沖擊、吸濕、耐溫等敏感問(wèn)題也會(huì)相應(yīng)下降，因此材料許用值和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值可適當(dāng)放寬。國(guó)內(nèi)20余年的飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料結(jié)果也表明復(fù)合材料確是一種使用性能優(yōu)異的新材料。

如今復(fù)合材料在四大機(jī)種上的大量應(yīng)用，已形成目前世界航空領(lǐng)域再度起飛的發(fā)展新態(tài)勢(shì)，事實(shí)雄辯地證明復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)現(xiàn)代化的必由之路，飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化也是大勢(shì)所趨。未來(lái)飛機(jī)特別是軍機(jī)為了進(jìn)一步達(dá)到結(jié)構(gòu)減重與降低綜合成本，復(fù)合材料將不斷取代其他材料，用量繼續(xù)增長(zhǎng)。美國(guó)一報(bào)告中指出：到2020年，只有復(fù)合材料才有潛力使飛機(jī)獲得20%～25%的性能提升，復(fù)合材料將成為飛機(jī)的基本材料，用量將達(dá)到65％。

2000年統(tǒng)計(jì)，鋁，鋼，鈦，復(fù)合材料各占飛機(jī)部件材料的65%,15%,5%,15%。鋁占的比重仍然是最大的，而預(yù)計(jì)將來(lái)，復(fù)合材料降占主導(dǎo)位置。下圖為現(xiàn)在與將來(lái)預(yù)計(jì)飛機(jī)用材料比例圖。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)概括起來(lái)可歸納為以下幾個(gè)方向：

（1）高性能化。高性能化趨勢(shì)從材料角度主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，一是提高力學(xué)性能，二是提高耐熱性能，三是提高耐服役環(huán)境性能。

（2）多功能化。同一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種功能是復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)之一，如承力/吸波，承力/吸波/減振、降噪一體化是飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的一個(gè)重要發(fā)展方向。要實(shí)現(xiàn)多功能化，設(shè)計(jì)是首位，材料是根本，工藝是保證。

（3）智能化。智能化對(duì)提高結(jié)構(gòu)效率和可靠性具有重要作用，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越重視的方向。開(kāi)發(fā)飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料自感知、自診斷、自適應(yīng)智能化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲抑制、振動(dòng)控制、主動(dòng)變形、健康監(jiān)測(cè)。

（4）低成本化。這是一個(gè)永恒的主題。成本過(guò)高仍是制約飛機(jī)結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用復(fù)合材料的主要障礙，因此低成本化仍為復(fù)合材料發(fā)展中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。低成本化重點(diǎn)考慮制造技術(shù)低成本化、設(shè)計(jì)方法低成本化、全壽命低成本化。

（5）制造過(guò)程數(shù)字化。有利于減少試驗(yàn)量，縮短研制周期，降低廢品率及提高生產(chǎn)效率。應(yīng)發(fā)展復(fù)合材料制造過(guò)程模擬與工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制造過(guò)程數(shù)字化與飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)字化趨向相適應(yīng)。

（6）設(shè)計(jì)制造一體化。在設(shè)計(jì)階段就考慮制造與裝配中的問(wèn)題，可加快產(chǎn)品研制進(jìn)度，提高質(zhì)量，有效降低成本。采用全新的設(shè)計(jì)理念和手段，將設(shè)計(jì)和制造融為一體，是復(fù)合材料發(fā)展的又一個(gè)重要趨勢(shì)。

四．我國(guó)復(fù)合材料的研究與開(kāi)發(fā)

1．碳纖維

多年來(lái)在碳纖維技術(shù)方面我國(guó)未能突破其關(guān)鍵技術(shù)，研究進(jìn)展緩慢，與國(guó)外的差距越來(lái)越大，產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)的需求，導(dǎo)致至今碳纖維95 % 以上依賴進(jìn)口，并深陷受制于人的局面。特別是隨著A380、B787等幾大機(jī)種上復(fù)合材料用量的劇增，碳纖維嚴(yán)重短缺，引發(fā)危機(jī)，對(duì)我國(guó)飛機(jī)結(jié)構(gòu)用先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展影響甚大。

碳纖維生產(chǎn)技術(shù)難度很大，特別是原絲技術(shù)難度大，沒(méi)有好的原絲就碳化不出優(yōu)質(zhì)的碳纖維，成為我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)的瓶頸。近幾年，國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維的發(fā)展也很重視，有多個(gè)計(jì)劃給予支持，有些企業(yè)自行投資也在研發(fā)碳纖維，并取得良好的前期效果。因此，可望在十一五、十二五期間我國(guó)碳纖維有新的較大發(fā)展，這對(duì)促進(jìn)我國(guó)飛機(jī)結(jié)構(gòu)大量用復(fù)合具有深遠(yuǎn)的意義。

2．新型樹(shù)脂體系

先進(jìn)復(fù)合材料用樹(shù)脂體系仍然需要足夠的重視，我國(guó)目前性能優(yōu)異、工藝性優(yōu)良的真正能夠用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料樹(shù)脂體系還不多，有待于新品種的開(kāi)發(fā)，特別是相匹配的固化劑體系研制，如低溫固化中溫使用、中溫固化高溫使用的樹(shù)脂體系等。

第五篇：復(fù)數(shù)的幾何意義及應(yīng)用

復(fù)數(shù)的幾何意義及應(yīng)用

(一)問(wèn)題探索

問(wèn)題1：復(fù)數(shù)z的幾何意義？設(shè)復(fù)平面內(nèi)點(diǎn)Z表示復(fù)數(shù)z= a+bi（a，b∈R），連結(jié)OZ，則點(diǎn)Z，復(fù)數(shù)z= a+bi（a，b∈R）之間具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

直角坐標(biāo)系中的點(diǎn)Z(a,b)

復(fù)數(shù)z=a+bi一一對(duì)應(yīng) 一一對(duì)應(yīng) 向量O Z

問(wèn)題2：∣z∣的幾何意義？若復(fù)數(shù)z= a+bi（a，b∈R）對(duì)應(yīng)的向量是，則向量是22的模叫做復(fù)數(shù)z= a+bi（a，b∈R）的模，a?b（a，b∈R）。

問(wèn)題3：∣z1-z2∣的幾何意義？?jī)蓚€(gè)復(fù)數(shù)的差z1?z2?z所對(duì)應(yīng)的向量就是連結(jié)Z1Z2并且方向指向（被減數(shù)向量）的向量,d?z1?z2??(x1?x2)2?(y1?y2)

2(二)探索研究

根據(jù)復(fù)數(shù)的幾何意義及向量表示，求復(fù)平面內(nèi)下列曲線的方程：

1．圓的定義:平面內(nèi)到定點(diǎn)的距離等于定長(zhǎng)的點(diǎn)的集合(軌跡)

設(shè)Z(x,y)以Z0(x0,y0)為圓心，r(r?0)為半徑的圓上任意一點(diǎn),則ZZ0?r(r?0)

（1）該圓向量形式的方程是什么??r(r?0)

（2）該圓復(fù)數(shù)形式的方程是什么?z?z0?r(r?0)

（3）該圓代數(shù)形式的方程是什么?(x?x0)2?(y?y0)2?r2(r?0)

12．橢圓的定義:平面內(nèi)與兩定點(diǎn)Z1，Z2的距離的和等于常數(shù)(大于Z1Z2)的點(diǎn)的集合(軌跡)

設(shè)Z(x,y)是以Z1(x1,y2)Z2(x2,y2)為焦點(diǎn)，2a為長(zhǎng)軸長(zhǎng)的橢圓的上任意一點(diǎn), 則ZZ1?ZZ2?2a(2a?Z1Z2)

（1）該橢圓向量形式的方程是什么

? ??2a(2a?Z1Z2)

（2）該橢圓復(fù)數(shù)形式的方程是什么? z?z1?z?z2?2a(2a?Z1Z2)變式:以Z1(x1,y2)Z2(x2,y2)為端點(diǎn)的線段

（1）向量形式的方程是什么

? ??2a(2a?Z1Z2)

（2）復(fù)數(shù)形式的方程是什么? z?z1?z?z2?2a(2a?Z1Z2)

3．雙曲線的定義:平面內(nèi)與兩定點(diǎn)Z1，Z2的距離的差的絕對(duì)值等于

常數(shù)(小于Z1Z2)的點(diǎn)的集合(軌跡)

設(shè)Z(x,y)是以Z1(x1,y2)Z2(x2,y2)為焦點(diǎn)，2a為實(shí)軸長(zhǎng)的雙曲線的上

任意一點(diǎn), 則ZZ1?ZZ2?2a(2a?Z1Z2)

（1）該雙曲線向量形式的方程是什么

? ?2a(2a?Z1Z2)

（2）該橢圓復(fù)數(shù)形式的方程是什么? z?z1?z?z2?2a(2a?Z1Z2)變式:射線

（1）向量形式的方程是什么?

?2a(2a?Z1Z2)

（2）復(fù)數(shù)形式的方程是什么?z?z1?z?z2?2a(2a?Z1Z2)

變式：以Z1(x1,y2)Z2(x2,y2)為端點(diǎn)的線段的垂直平分線

（1）該線段向量形式的方程是什么

? ?2a(2a

?0)?（2）該線段復(fù)數(shù)形式的方程是什么? z?z1?z?z2?2a(2a?0)即

z?z1?z?z2

（三）應(yīng)用舉例

例1．復(fù)數(shù) z 滿足條件∣z+2∣-∣z-2∣=4，則復(fù)數(shù)z 所對(duì)應(yīng)的點(diǎn) Z 的軌跡是（）

（A）雙曲線（B）雙曲線的右支

（C）線段（D）射線

答案：（D）一條射線

變式探究：

（1）若復(fù)數(shù)z 所對(duì)應(yīng)的點(diǎn) Z 的軌跡是兩條射線，復(fù)數(shù) z 應(yīng)滿足什么條件？

（2）若復(fù)數(shù)z 所對(duì)應(yīng)的點(diǎn) Z 的軌跡是線段，復(fù)數(shù) z 應(yīng)滿足什么條件？

（3）若復(fù)數(shù)z 所對(duì)應(yīng)的點(diǎn) Z 的軌跡是雙曲線的右支，復(fù)數(shù) z 應(yīng)滿足什么條件？

（4）若復(fù)數(shù)z 所對(duì)應(yīng)的點(diǎn) Z 的軌跡是雙曲線，復(fù)數(shù) z 應(yīng)滿足什么條件？

（5）若復(fù)數(shù)z 所對(duì)應(yīng)的點(diǎn) Z 的軌跡是橢圓，復(fù)數(shù) z 應(yīng)滿足什么條件？

（6）若復(fù)數(shù)z 所對(duì)應(yīng)的點(diǎn) Z 的軌跡是線段的垂直平分線，復(fù)數(shù) z 應(yīng)滿足什么條件？ 例2．若復(fù)數(shù)z滿足條件z?1，求z?2i的最值。

解法1：（數(shù)形結(jié)合法）由z?1可知，z對(duì)應(yīng)于單位圓上的點(diǎn)Z；

z?2i表示單位圓上的點(diǎn)Z到點(diǎn)P（0，2）的距離。

由圖可知，當(dāng)點(diǎn)Z運(yùn)動(dòng)到A（0，1）點(diǎn)時(shí)，z?2imin?1,此時(shí)z=i；

當(dāng)點(diǎn)Z運(yùn)動(dòng)到B（0，-1）點(diǎn)時(shí)，z?2imax?3, 此時(shí)z=-i。

解法2：（不等式法）?z1?z2?z1?z2?z1?z2

?z?2i?z?2i?z?2i

?z?1,2i?2，?1?z?2i?

3解法3：（代數(shù)法）設(shè)z?x?yi(x,y?R)，則x2?y2?1

?z?2i?x?yi?2i?x2?(y?2)2??4y?y?1，即?1?y?1

?當(dāng)y?1，即z?i時(shí)，z?2imin?1；

當(dāng)y??1，即z??i時(shí)，z?2imax?3=3,解法4：（性質(zhì)法）?z?2i2?(z?2i)(z?2i)?(z?2i)(z?2i)?(z?2i)(z?2i)?z?z?2(z?z)i?4?5?4yi ?y?1，即?1?y?1

?當(dāng)y?1，即z?i時(shí)，z?2imin?1；

當(dāng)y??1，即z??i時(shí)，z?2imax?3,變式探究：

（1）z?imin?，z?imax?；0；2

（2）z?1113i?z?i?；, 222min2max

（3z?2?2imin?z?2?2imax?2?1;22?1

（4z?1?i

min12111?z?1?i?2?;2? 222max

例3．已知z1、z2∈C，且z1?1，若z1?z2?2i，則z1?z2的最大值是（）

（A）６（B）５（C）４（D）３

解法1：z1?z2?z1?(2i?z1)?2z1?i ?z1?imax?2?z1?z2的最大值是4

解法2：?z1?z2?2i,?z1?2i?z2

?z1?1?2i?z2?1,即z2?2i?1?z1?1表示以原點(diǎn)為圓心，以1為半徑的圓；z2?2i?1表示以（0，2）為圓心，以1為半徑的圓。?z1?z2的最大值為兩圓上距離最大的兩點(diǎn)間的距離為4。

(四)反饋演練：

1． 復(fù)數(shù)z滿足條件∣z+i∣+∣z-i∣=２，則∣z+i-1∣的最大值是________

最小值是__________.1

2． 復(fù)數(shù)z滿足條件∣z-2∣+∣z+i∣=5，則∣z∣的取值范圍是（B）?25??2?,?,2???(A)?5(B)5???

(C)1,(D)?1,2?

??

?x?y?5?0?3． 已知實(shí)數(shù)x,y滿足條件?x?y?0，z?x?yi(i為虛數(shù)單位），?x?3?

則|z?1?2i| 的最大值和最小值分別是．226,2