第一篇：碳纖維復合材料在航空中的應用

碳纖維復合材料在航空中的應用

摘要：碳纖維復合材料由于其質輕高強的特點而在航空領域大量使用，主要介紹了其在飛機上的大量應用，期待我國碳纖維工業能早日達到先進水平。關鍵字：碳纖維；碳纖維復合材料；商用飛機。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、導電、導熱及耐腐蝕等，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，沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的比強度。

碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在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的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。

正是由于碳纖維在力學上的出色性能，碳纖維復合材料(CFRP)被廣泛用于航空航天領域。早在上世紀50年代就被用于火箭，而隨著80年代高性能復合材料的發展，碳纖維復合材料的應用更加廣泛。不僅在火箭、宇航、航空等領域發揮著重要作用，而且廣泛應用于體育器械，紡織、化工機械及醫學領域。2碳纖維復合材料在商用飛機上的應用 復合材料誕生之時，就由于其質輕高強的性能而與航空航天器結下了不解之緣。上世紀40年代開始，復合材料就被用于軍用飛機的修補。上世紀80年代，復合材料在商用飛機上得到逐步應用。隨之而來的碳纖維革命，尤其是中模量碳纖維性能的提高﹑技術的穩定，使得碳纖維復合材料最終被用于大型商用飛機的主結構。以B787 和A350 為代表的大型商用飛機，其復合材料在飛機結構重量中的占比已經達到或超過了50%，最大的商用飛機A380 的中央翼也完全使用復合材料，這些都是復合材料在大型商用飛機上使用的里程碑。2.1商用飛機上主要的CFRP構件[1] 目前，商用飛機上使用的復合材料大部分是碳纖維環氧復合材料，也包括一些玻璃纖維環氧復合材料，以及少量的特種基體樹脂復合材料。其應用分為三個大類，即一級結構材料、二級結構材料和內裝飾材料。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 T300 碳纖維 CFRP 可用來制造飛機的二次結構部件。例如，T300/ 5208用來制造B757、B767 和B777的二次結構部件。但因T300的抗拉強度僅為 3.53 GPa，抗拉模量為 231 GPa，特別是斷后延長僅有 1.5 %，滿足不了制造一次結構件的要求。隨后開發成功的高強中模型碳纖維在上述 3 項質量指標有了大幅度提高，再配套韌性環氧樹脂所制高性能CFRP 就可用來制造大飛機的一次結構件。主要的高強中模碳纖維品牌及性能如下表所示：

由表中數據可知，這類高強中模碳纖維的性能比通用級 T300 有了大幅度提高。我國目前還不能生產這類高性能碳纖維，處于實驗室研制階段，有望在“十一五”期間有所突破。通用型環氧樹脂固化后屬于脆性材料，需增韌改性為韌性基體樹脂。高強中模碳纖維與韌性基體樹脂復合后所制韌性CFRP可用來制造大飛機的一次和二次結構件。其中，具有代表性的是T800H/3900-2（P2302）和 IM7/8551-7。熱固性樹脂（TS）為母相，熱塑性樹脂（TP）為分散相，兩者均勻混合固化成型。在熱固化成型過程中，TS 成為三維交聯體，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）是典型的用來制造大飛機一次和二次結構件的韌性復合材料。

2.3韌性 CFRP 在大飛機上應用需關注的技術關鍵[2] 隨著碳纖維性能的不斷提高，增韌改性基體樹脂的不斷深入和復合技術的日趨完善，韌性CFRP 在大飛機上的應用逐步拓寬。未來500～600座的大飛機將成為航空客運的主力機型。為此，需要解決好以下幾方面的問題：

(1)設計允許應變達到0.6%，可用沖擊后抗壓縮強度（CAI）來評價。這就需用高強度、大伸長碳纖維與韌性基體樹脂來復合。例如，T800H/3900-2 或 IMT/8551-7 的韌性預浸料，可達到上述指標。

(2)提高抗 CFRP 的抗沖擊強度，需采用高強度、大伸長碳纖維。例如，T700S 斷后延長高達 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度（CAI），需采用高強度、大伸長碳纖維與韌性環氧樹脂復合。控制碳纖維石墨微晶尺寸，也可提高抗壓縮強度。同時，研究韌性耐熱的熱可塑性樹脂，作為新一代韌性基體樹脂。

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

(5)提高CFRP的耐熱性，以適應超音速飛行。除提高基體樹脂的耐熱性外，也應關注碳纖維表面上漿劑的濕熱性能。吸濕會降底 CFRP 性能。

(6)采用整體成型的先進復合技術來制造大型構件，如體翼一次成型技術。這不僅提高整體復合件的性能，而且可大幅度減少零件數目和緊固件數目，有利于降低生產成本。3碳纖維復合材料在發動機和短艙上的應用[1] 復合材料在商用飛機上的另一個主要應用領域是在發動機和短艙，而發動機葉片，例如，GE90 的發動機葉片，則是這種應用的典范。GE90葉片使用的是8551-7/IM7預浸料，通過熱壓罐工藝成型獲得，這種環氧中模量碳纖維預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。

發動機復合材料葉片的另一種制作工藝是使用3D碳纖維織物，用環氧樹脂灌注而成。這種技術充分利用了3D織物的特點，用其制得的復合材料具有低裂紋擴展性、高能量吸收性以及耐沖擊、抗分層性能。即將用于C919客機的Leap-X1C即使用這種技術。

復合材料除了提供結構貢獻以外，在發動機和短艙上的另一個貢獻是降噪。在B787的發動機和短艙上使用了一種降噪蜂窩，用其作為芯材、環氧預浸料作為蒙皮的夾層結構起到了良好的降噪效果，使B787被譽為最安靜的飛機，這也是B787的亮點之一。4碳纖維復合材料在飛機上的其他應用 通用小飛機的結構簡單，有的小飛機機身甚至甚至可以使用玻璃纖維預浸料為蒙皮的蜂窩夾層結構，而外翼的翼樑則可以使用單向碳纖維復合材料制造。生產工藝上，從節約成本考慮，較為普遍采用的是非熱壓罐工藝。碳纖維復合材料在直升機上的應用也十分廣泛，除機身、尾樑等結構件以外，還包括槳葉、傳動軸、高溫整流罩等對疲勞、濕熱性能有更高要求的部件。特別是復合材料槳葉的使用，把槳葉的使用壽命從金屬的2000小時提高到了復合材料的6000小時以上，甚至是無限壽命，并且兩者的制造成本幾乎相當，因此使用復合材料取代金屬材料也成為必然。

碳/碳（C/C）復合材料則是制造飛機剎車裝置的優異材料。例如著名的B-2戰略轟炸機、空客A320均采用C/C復合材料剎車裝置。這些先進的 C/C剎車裝置可有效地把飛機降落過程中的動能轉化為熱能，不僅剎車制動的安全性高，而且可有效減輕質量。例如160 座的空客 A320，采用的C/C剎車裝置可減質量140 kg。這種 C/C 剎車裝置已在戰機和客機上得到廣泛應用。[3] CFRP 還可用來制造隱身飛機。B-2 戰略轟炸機屬于隱身飛機，其雷達散射截面積

（RCS）僅有0.1 ㎡，不易被對方雷達發現，大大增加了突防能力和生存概率。B-2 轟炸機大量采用先進的特種 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，實施對雷達波的散射和吸收，賦予其吸波功能。這種結構吸波和涂層吸波相疊加，大大增強了綜合吸波動功能。這也就是說，特種 CFRP 不僅是結構材料，而且也是結構吸波材料。[3] 5我國碳纖維復合材料發展現狀 我國較早地意識到碳纖維的研制和生產對軍事工業發展和國民經濟具有重要作用，早在20 世紀60 年代末就開始研制碳纖維，經過 40 余年的發展，碳纖維從無到有，從研制到生產取得了一定的成績。但總的來說，國內碳纖維的研制與生產水平還較低，一直沒有在高標號碳纖維研究上取得突破性進展。我國碳纖維產業未實現大規模工業化生產，產品規格單一。近些年來，由于我國對碳纖維需求量的日益增加，碳纖維又成為國內新材料業研發的熱點。但是，除極個別企業外，大多數引進項目的技術和設備水平屬國際中下等，生產的碳纖維產品也未達到高端水平。引進后的消化、吸收與創新是碳纖維行業面臨的重大課題。[4] 我國碳纖維工業與先進國家相比存在15 年左右的差距，我們還不能生產高強中模碳纖維，T300仍處于產業化階段。實驗室研制高強中模碳纖維雖然取得長足進步，但產業化仍有一段路要走。在國家大力支持和有實力民營企業的介入，縮短產業化時間已具備條件，高強中模碳纖維指日可待。[5] 參考文獻

[1] 吳一波.碳纖維復合材料在航空工業中的應用技術(上).玻璃鋼, 2003,(2): 14-21.[2] 賀福, 孫微.碳纖維復合材料在大飛機上的應用.高科技纖維與應用, 2007, 32(6): 5-8, 17.[3王春凈, 代云霏.碳纖維復合材料在航空領域的應用.機電產品開發與創新, 2010, 23(2): 14-15.[4] 顧超英.碳纖維復合材料在航空航天領域的開發與應用.化工文摘, 2009,(1): 17-21.[5] 劉志強.碳纖維復合材料在航空領域的應用.黑龍江科技信息, 2013: 62.

第二篇：材料在航空中的應用

題目：

材料在航空中的應用

學 生： 南冬冬 學 號： 201103020121 院（系）：

資源與環境 專 業：

服裝設計與工程 指導教師： 王秀峰

2013年6月10日

材料是人們生活和生產必須的物質基礎。也是人類進化的重要里程碑。材料科學主要研究材料的成分、分子或原子機構、微觀及宏觀組織以及加工制造工藝和性能之間的關系。它是一門邊緣新科學，主要一固態物理和固態化學、晶體學、熱力學等位基礎，結合冶金化工及各種高新科技術來探討材料內在規律和應用。材料是人類用來制造機器、構件、器件和其他產品的物質。按物理化學屬性分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。實際應用中又常分為結構材料和功能材料。結構材料是以力學性質為基礎，用以制造以受力為主的構件。結構材料也有物理性質或化學性質的要求，如光澤、熱導率、抗輻照能力、抗氧化、抗腐蝕能力等，根據材料用途不同，對性能的要求也不一樣。功能材料主要是利用物質的物

理、化學性質或生物現象等對外界變化產生的不同反應而制成的一類材料。

材料是人類賴以生存和發展的物質基礎。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。80年代，隨著高技術群的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術革命的重要標志。現代社會，材料已成為國民經濟建設、國防建設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行的，所以對材料的要求很高。經過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”材料以及原子級硅記憶材料和鋁－硅合金等，并發現了納米孔隙網材料等。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、非晶復合技術工藝、急速凝固法、樹脂膜浸漬法和等溫化學氣相浸滲法制造出了高強度合金材料、梯度功能材料以及抗損傷復合材料編制機等。與此同時，新材料在航空航天應用上也有重大進展，形狀記憶合金、量子隧道效應復合材料等高性能材料得到了廣泛應用；火箭尾噴管應用納米復合涂層、火箭發動機渦輪泵應用陶瓷基復合材料葉盤；采用復合材料排布機編制燃料箱；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

復合材料在航空中的應用

復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料，它可以發揮各種材料的優點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。由于復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發展。

復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業。2000年美國汽車零件的復合材料用量達14.8萬噸，歐洲汽車復合材料用量到2003年估計可達10.5萬噸。而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛浴設備等，此類產品在2000年的用量達7.5萬噸，汽車等領域的用量僅為2.4萬噸。不過從全球范圍看，汽車工業是復合材料最大的用戶，今后發展潛力仍十分巨大，目前還有許多新技術正在開發中。例如，為降低發動機噪聲，增加轎車的舒適性，正著力開發兩層冷軋板間粘附熱塑性樹脂的減振鋼板；為滿足發動機向高速、增壓、高負荷方向發展的要求，發動機活塞、連桿、軸瓦已開始應用金屬基復合材料。為滿足汽車輕量化要求，必將會有越來越多的新型復合材料將被應用到汽車制造業中。與此同時，隨著近年來人們對環保問題的日益重視，高分子復合材料取代木材方面的應用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產品；而可降解復合材料也成為國內外開發研究的重點。

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

目前，碳纖維不僅廣泛應用軍事工業，而且在汽車構件、風力發電葉片、核電、油田鉆探、體育用品、碳纖維復合芯電纜以及建筑補強材料領域也存在巨大應用空間，而其在航空領域的光輝業績尤為引人注目。

碳纖維應宇航工業對耐燒蝕和輕質高強材料的迫切需求發展起來，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的第二代纖維增強塑料碳纖維的含碳量在90%以上，具有優異的力學性能，與其它高性能纖維相比具有最高比強度和最高比模量。在2000℃以上高溫惰性環境中，碳纖維是唯一一種強度不下降的物質。此外，它還兼具其它多種得天獨厚的優良性能，更可貴的是，碳纖維與其它材料具有很高的相容性，兼備紡織纖維的柔軟可加工性，并且容易復合，具有很大的設計自由度。這就使得碳纖維成為纖維增強材料中發展最迅速、應用范圍很廣、適于不同領域要求的纖維材料。研制大型飛機要突破許多關鍵技術，其中一項是“先進復合材料結構設計技術”，這項技術離不開碳纖維。世界碳纖維的需求在各用途領域都不斷增長，特別是急速增長的航空航天領域拉動了碳纖維全體的增長。碳纖維的主要用途是與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成結構材料。自玻璃纖維與

有機樹脂復合得到的玻璃鋼問世以來，碳纖維、陶瓷纖維以及硼纖維增強的復合材料相繼研制成功，而且性能不斷得到改進，使復合材料領域呈現出一派勃勃生機。碳纖維復合材料與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為飛機機體的四大先進結構材料。

碳纖維復合材料在航空領域的具體應用 碳纖維復合材料因其獨特、卓越的性能，在航空領越特別是飛機制造業中應用廣泛。統計顯示，目前，碳纖維復合材料在小型商務飛機和直升飛機上的使用量已占70％~80％，在軍用飛機上占30％~40％，在大型客機上占15％~50％。

碳纖維樹脂基復合材料

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）具有質量輕等一系列突出的性能，在對重量、剛度、疲勞特性等有嚴格要求的領域以及要求高溫、化學穩定性高的場合，碳纖維復合材料都具有很大優勢。

碳纖維增強樹脂基復合材料已成為生產武器裝備的重要材料。AV—8B 改型“鷂”式飛機是美國軍用飛機中使用復合材料最多的機種，其機翼、前機身都用了石墨環氧大型部件，全機所用碳纖維的重量約占飛機結構總重量的26％，使整機減重9％，有效載荷比AV—8A飛機增加了一倍。數據顯示采用復合材料結構的前機身段，可比金屬結構減輕質量32.24%。用軍機戰術技術性能的重要指標——結構重量系數來衡量，國外第四代軍機的結構重量系數已達到27～28%。未來以F-22 為目標的背景機復合材料用量比例需求為35%左右，其中碳纖維復合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機和無人駕駛飛機，已實現了結構的復合材料化。

直升飛機上碳纖維增強樹脂基復合材料的用量更是與日俱增。武裝了駐港部隊并參加了2007 年上海合作組織在俄羅斯反恐軍演的直-9 型直升飛機，是我國先進的直升飛機。該機復合材料用量已占到60％左右，主要是CFRP。此外，日本生產的OH-1 “忍者” 直升飛機，機身的40％是用CFRP，槳葉等也用CFRP 制造。在民用領域，世界最大的飛機A380 由于CFRP 的大量使用，創造了飛行史上的奇跡。這種飛機25%重量的部件由復合材料制造，其中22%為碳纖維增強塑料(CFRP)。由于CFRP 的明顯減重以及在使用中不會因疲勞或腐蝕受損，從而大大減少了油耗和排放。燃油的經濟性比其直接競爭機型要低13%左右，并降低了運營成本，座英里成本比目前效率最高飛機的低15%~20%成為第一個每乘客每百公里耗油少于三升的遠程客機。

納米材料在航空中的應用

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成的材料，這大約相當于10~100個原子緊密排列在一起的尺度。

納米材料由于具有獨特的小尺寸效應而表現出不同于傳統材料的物理和化學性質。利用納米材料這些獨特的性質。可對傳統材料進行改性，進而開發出更高性能的材料．開辟出新的材料生產途徑．以滿足傳統材料所不能達到的要求．尤其是滿足航天航空領域對材料性能的特殊要求。應用納米材料可減小航天器電子元器件的體積和質量．并提高其可靠性。納米材料的發展方向主要有功能納米材料及結構納米材料納米材料在航天器結構材料上的應用 1．金屬及金屬基復合材料晶粒細化是提高金屬材料強度最有效的方法之一。利用添加納米陶瓷來增強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．同時抑制晶粒長大．從而起到晶粒細化的作用。抑制材料使用過程中微裂紋的擴展．提高產品的強度。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。可制造出質量輕、強度高、耐熱性好的新型合金材料。

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

(2)納米碳化硅應用于銀基復合材料通過向基體中加入均勻、細J．J＼，具有良好穩定性的顆粒．達到彌散強化合金的目的．是制備高強高導合金材料的重要途徑之一。納米碳化硅對于銀合金來說是一種有效的增強相．當納米碳化硅的質量百分含量為l％時．強化效果佳．材料的抗拉強度可達39IMPa．相對電導率為60．2％，強度和耐磨性均有所提高。(3)納米碳化硅彌散強化銅基復合材料高強高導銅基復合材料在集成電路的引線框架 各類點焊、滾焊機的電極、觸頭材料，電樞、電動工具的換相器等電子設備中具有廣泛的用途。但銅合金的高強度和高導電性一直是一對互相矛盾的特性．一般只能在犧牲電導率和熱導率的前提下改善銅的力學性能，以獲得高強度。采用納米碳化硅穩定彌散強化銅基材料是解決 這一矛盾的較好方法 通過向基體中加入均勻、細小，具有良好穩定性的納米碳化硅顆粒以達到彌散強化銅合金的目的．已成為制備高強高導銅基復合材料的研究熱點。

(4)納米碳化鋯應用于硬質合金納米碳化鋯是一種重要的高熔點、高強度和耐腐

蝕的高溫結構材料 納米碳化鋯用于硬質合金材料中．可提高材料的強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合涂層．可獲得超強耐磨性和潤滑性．其耐磨性比軸承鋼高100倍．摩擦系數為0．06～0．1．同時還具有高溫穩定性和耐腐蝕性。在液體火箭發動機關鍵零部件中應用納米技術．可大大延長這些零部件的使用壽命 4．特種密封材料發動機出現故障最多的是各種密封面的失效．密封面的表面質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劑多為納米級炭黑．若改用納米氮化硅使其拉伸強度提高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劑中．可顯著改善固體推進劑的燃燒性能。例如，在固體火箭推進劑中添加納米級鋁粉或鎳粉．推進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劑燃速比含有常規鋁粉的固體推進劑的燃速高5 20倍。

總而言之, 材料的不斷發展可以極大的促進航天事業的發展。航空材料也變得多種多樣，例如現在的智能材料。材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，而隨著高技術群的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術革命的重要標志。現代社會，材料已成為國民經濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。

第三篇：復合材料在航空中的應用

《飛行器設計與工程專業技術講座

（三）》結課報告

班級：

學號：

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日期：2016年 10月09日

復合材料在航空中的應用

前言

現代高科技的發展離不開復合材料，復合材料[1] 對現代科學技術的發展，有著十分重要的作用。復合材料的研究深度和應用廣度及其生產發展的速度和規模，已成為衡量一個國家科學技術先進水平的重要標志之一。進入21世紀以來，全球復合材料市場快速增長，亞洲尤其中國市場增長較快。2003～2008年間中國年均增速為15%，印度為9.5%，而歐洲和北美年均增幅僅為4%。

一．復合材料的簡介

復合材料，是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，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補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。復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脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強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、金屬絲和硬質細粒等。

復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粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因航空工業的需要，發展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。

二．在航空中常用的復合材料

60年代，為滿足航空航天等尖端技術所用材料的需要，先后研制和生產了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強材料的復合材料，其比強度大于4×10厘米（cm），比模量大于4×10cm。為了與第一代玻璃纖維增強樹脂復合材料相區別，將這種復合材料稱為先進復合材料。按基體材料不同，先進復合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復合材料。其使用溫度分別達250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先進復合材料除作為結構材料外，還可用作功能材料，如梯度復合材料(材料的化學和結晶學組成、結構、空隙等在空間連續梯變的功能復合材料)、機敏復合材料（具有感覺、處理和執行功能，能適應環境變化的功能復合材料）、仿生復合材料、隱身復合材料等。

目前航空航天領域應用較廣的復合材料航空主要包括樹脂基復合材料、金屬基復合材料、碳基復合材料和陶瓷基復合材料。

1．樹脂基復合材料

樹脂基復合材料有玻璃／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境再入飛行器和中等推力的固體火箭發動機防熱材料；碳／酚醛材料屬于碳化--升華型燒蝕材料，適用于能發揮升華效應的較高焓值和較高熱流密度的工作環境，可用于更遠距離再入飛行器和高性能固體火箭發動機噴管等；滌綸／酚醛材料和低密度燒蝕材料適用于高焓、低熱流和較長時間再入的航天飛行器如返回式衛星和飛船等。樹脂基介電--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。

先進樹脂基復合材料是以高性能纖維為增強體、高性能樹脂為基體的復合材料。與傳統的鋼、鋁合金結構材料相比,它的密度約為鋼的1/5,鋁合金的1/2,且比強度與比模量遠高于后 二者。目前用途最廣的主要有碳纖維復合材料(CFRP)和芳綸纖維復合材料(AFRP)。CFRP 具有比強度高、耐高溫、減振性好、耐疲勞性能優越等突出優點,是目前民用飛機上用量最大,也是航空航天等尖端科技領域發展較為成熟的先進復合材料[2]。AFRP熱穩定性好,耐介質性能優良,可作為復合裝甲材料,有較強的防護力。國外近年致力于將該種材料用于制作軍、民用飛機的“光譜屏蔽”材料,其關鍵性能指標------抗沖擊性能相當出色。

2.金屬基復合材料

金屬基復合材料主要是指以Al、Mg等輕金屬為基體的復合材料。在航空和宇航方面主要用它來代替輕但有毒的鈹。這類材料具有優良的橫向性能、低消耗和優良的可加工性,已成為在許多應用領域最具商業吸引力的材料,并且在國外已實現商品化。而在我國僅有少量批量生產,以汽車及機械零件為主,年產量僅5000噸左右,與國外差距較大[3]。

3.陶瓷基復合材料和碳/碳復合材料

陶瓷基復合材料和碳/碳復合材料屬于耐熱結構復合材料。目前美國和西歐各國側重于對陶瓷基復合材料在航空和軍事應用上的研究。美國國防部一直把這項技術列入重點投資項目,僅1992年美國投入陶瓷基復合材料應用研究的經費就高達3500萬美元[4]；法國SEP公司用陶瓷基復合材料制成的SCD-SEP火箭試驗發動機已通過點火試車,并使結構減重50%[5]。國內從20世紀90年代初開始進行該領域的研究,目前尚未有批量生產的報道。

我國獲得應用的陶瓷基耐高溫防熱／透波阻及防熱，透波，承載多功能復合材料主要為二氧化硅基復合材料。二氧化硅基透波復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體，經浸漬增密、熱處理、防潮處理等工藝技術途徑制備的復合材料，具有優良的防熱、耐熱、透波、承載及抗沖擊等功能。

三.應用現狀

1.飛機機身上的應用

先進復合材料用于加工主承力結構和次承力結構、其剛度和強度性能相當于或超過鋁合金的復合材料。目前被大量地應用在飛機機身結構制造上和小型無人機整體結構制造上。

飛機用復合材料經過近40年的發展,已經從最初的非承力構件發展到應用于次承力和主承力構件, 可獲得減輕質量(20-30)% 的顯著效果。目前已進入成熟應用期,對提高飛機戰術技術水平的貢獻、可靠性、耐久性和維護性已無可置疑, 其設計、制造和使用經驗已日趨豐富。迄今為止, 戰斗機使用的復合材料占所用材料總量的30%左右,新一代戰斗機將達到40%;直升機和小型飛機復合材料用量將達到(70-80)%左右, 甚至出現全復合材料飛機。[5]“科曼奇”直升機的機身有70% 是由復合材料制成的,但仍計劃通過減輕機身前下部質量,以及將復合材料擴大到配件和軸承中,以使飛機再減輕15%的質量。“阿帕奇”為了減輕質量,將采用復合材料代替金屬機身。使用復合材料,未來的聯合運輸旋轉翼(JTR)飛機的成本將減少6% ,航程增加55% ,或者載荷增加36%，以典型的第四代戰斗機F/A-22為例復合材料占24.2% , 其中熱固性復合材料占23.8%,熱塑性復合材料占0.4%左右。熱固性復合材料的70% 左右為雙馬來酰亞胺樹脂(BMI,簡稱雙馬)基復合材料[6]，生產200多種復雜零件,其它主要為環氧樹脂基復合材料,此外還有氰酸酯和熱塑性樹脂基復合材料等。主要應用部位為機翼、中機身蒙皮和隔框、尾翼等。近10年來,國內飛機上也較多的使用了復合材料。例如由國內3家科研單位合作開發研制的某殲擊機復合材料垂尾壁板, 比原鋁合金結構輕21kg, 減質量30%。北京航空制造工程研究所研制并生產的QY8911/HT3。雙馬來酰亞胺單向碳纖維預浸料及其復合材料已用于飛機前機身段、垂直尾翼安定面、機翼外翼、阻力板、整流壁板等構件。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C熱塑性樹脂單向碳纖維預浸料及其復合材料,具有優異的抗斷裂韌性、耐水性、抗老化性、阻燃性和抗疲勞性能,適合制造飛機主承力構件,可在120℃下長期工作,已用于飛機起落架艙護板前蒙皮。在316℃這一極限溫度下的環境中,復合材料不僅性能優于金屬,而且經濟效益高。據波音公司估算,噴氣客機質量每減輕 1kg,飛機在整個使用期限內即可節省2200美元。

2.航空渦輪發動機上的應用

由于具有密度小、比強度高和耐高溫等固有特性,復合材料在航空渦輪發動機上應用的范圍越來越廣且比例越來越大,使航空渦輪發動機向“非金屬發動機”或“全復合材料發動機”方向發展。

(1)樹脂基復合材料

憑借比強度高,比模量高,耐疲勞與耐腐蝕性好,阻噪能力強的優點,樹脂基復合材料在航空發動機冷端部件(風扇機匣、壓氣機葉片、進氣機匣等)和發動機短艙、反推力裝置等部件上得到廣泛應用。如JTAGG驗證機的進氣機匣采用碳纖維增強的PMR15樹脂基復合材料,比采用鋁合金質量減輕26%；F136發動機采用與F110-132發動機相似的復合材料風扇機匣,使質量減輕9kg。

(2)碳化硅纖維增強的鈦基復合材料[7]

憑借密度小(有的僅為鎳基合金的1/2),比剛度和比強度高,耐溫性好等優點,碳化硅纖維增強的鈦基復合材料在壓氣機葉片、整體葉環、盤、軸、機匣、傳動桿等部件上已經得到了廣泛應用。

(3)陶瓷基復合材料[8]

目前主要的陶瓷基復合材料產品是以SiC或C纖維增強的SiC和SiN基復合材料。憑借密度較小(僅為高溫合金的1/3-1/4),力學性能較高,耐磨性及耐腐蝕性好等優點,陶瓷基復合材料,尤其是纖維增強陶瓷基復合材料,已經開始應用于發動機高溫靜止部件(如噴嘴、火焰穩定器),并正在嘗試應用于燃燒室火焰筒、渦輪轉子葉片、渦輪導流葉片等部件上。

3.航空隱身材料上的應用

新型隱身材料對于飛機和導彈屏蔽或衰減雷達波或紅外特征，提高自身生存和突防能力，具有至關重要的作用。在雷達波隱身材料方面，除涂層外，復合材料作為結構隱身材料正日益引起人們的關注，主要為碳纖維增強熱固性樹脂基復合材料（如C/EP、C/PI或C/BMI）和熱塑性樹脂基復合材料（如C/PEEK，C/PPS），目前已經得到了某些應用。

四.發展前景

復合材料是未來發展我國航空航天工程最有前途的材料,在未來的研制中渦輪發動機材料必須在抗拉強度、蠕變阻力、低和高循環疲勞、耐高溫腐蝕和耐沖擊損傷等方面滿足要求。提高復合材料高耐熱性、強度和韌性是發展復合材料的關鍵,今后在耐高溫材料上應重點研制結構陶瓷、陶瓷復合材料, 和微疊層復合材料。同時要在研究低成本復合材料的制造技術上加大力度。

參考文獻

[1]中國復合材料網

[2] 科學研究動態監測中心.戰略高技術研究動態監測快報[R].成都: 中科院成都文獻情報中心, 2005 [3] 孫晉良.當前中國尖端材料發展的現狀和趨勢[R].上海: 中國復合材料學會, 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.功能復合材料[M].北京: 化學工業出版社, 2004.22-30.[6] 鄧云, 王欣, 李建國, 等.新型海冰調查設備--冰樣壓縮機[J].海洋技術, 2006, 25(1): 50-53 [7] 張世銀, 汪仁和.多功能凍土三軸試驗機的研制與應用[J].試驗技術與試驗機, 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發展對比[J].冰川凍土, 1995, 17(4): 343-349

對所學專業的認識和發展的打算

飛行器設計與工程專業（代碼 082501）屬于工學大類，航空航天類。一般設有飛行器設計、飛行力學與控制、直升機設計、空氣動力學、飛行器結構強度等專業方面，主要研究的是各種航天飛行器，包括人造衛星、宇宙飛船、空間站、深空探測器運載火箭、航天飛機等空間飛行器及導彈的設計。

飛行器設計與工程專業畢業生一般可從事飛行器結構工程、民用機械、交通運輸工程、船舶與海洋工程、工業與民用建筑工程、軟件工程等方面的設計與科研、教學工作，從事航天器、火箭、導彈等的設計、實驗、研究、運行維護等工作，還可從事航空和其他國民經濟部門的技術和管理工作。主要從事飛行器(包括航天器與運載器)總體設計、結構設計與研究、結構強度分析與試驗，并從事通用機械設計及制造的工作。

隨著我國經濟實力的強大，在國際上的地位逐漸提高，以及國際間綜合國力競爭的日趨激烈，國家會對本專業相關職、行業的發展給以足夠的重視。而且，次新科技革命的興起、信息化時代的到來，對飛行器設計與工程專業的教育與科研也是一次極大的推動。借助這樣的國際環境和國內經濟的發展，以及良好的政策氛圍和廣闊的消費市場，本專業在未來肯定會有一個質與量的飛躍。

由于國家大力發展航空及相關事業，所以近年來飛行器設計與工程專業的畢業生在找工作時真可謂炙手可熱、供不應求，北京、上海、西安等地航天科技院所的骨干和其他高新技術的研制與開發人員多半是從這一專業走出。但本專業的畢業生在擇業時，應時刻謹記自己肩上的歷史重任，把在學校所學到的過硬專業知識無私地奉獻給祖國的藍天事業，力爭將“好鋼用在刀刃上。”不要因為貪圖了眼前一時的利益，被暫時物質利益所誘惑，而放棄了自己多年的專業學習。我國的空間技術研究的歷史還不是很長，這方面的后備人才非常短缺。而培養出一個專門人才，國家會付出太大的代價，太多的時間。如此，出于對國家的利益，擇業時的選擇應該拿準。近年來，本專業的畢業生還有一個趨勢——出國深造。這種選擇未嘗不可。到國外學習了他人先進的技術，再回國為祖國的空間技術獻計獻策獻力，走一條“師夷長技以制夷”的捷徑，可以縮短自己在黑暗中摸索的時間。

個人的計劃打算是，畢業后先不急于尋找工作，先去讀研深造，等自身有了較強的專業知識和較高的能力水準后再投入到工作中去!從而可以發揮更大的價值！

第四篇：復合材料在飛機航空中的應用與發展

復合材料在飛機航空中的應用與發展

姓名:李經緯

學號：0823020124 復合材料大量用于航空航天工業和汽車工業，特別是先進碳纖維復合材料用于飛機尤為值得注意。不久前，碳纖維復合材料只能在軍用飛機用作主結構，但是，由于技術發展的進步，先進復合材料已開始在民航客機止也應用作主結構，如機身、機翼等。

一．飛機結構用復合材料的優勢

現今新一代飛機的發展目標是“輕質化、長壽命、高可靠、高效能、高隱身、低成本”。而復合材料正具備了上面的幾個條件，成為實現新一代飛機發展目標的重要途徑。復合材料具有質輕、高強、可設計、抗疲勞、易于實現結構/功能一體化等優點，因此，繼鋁、鈦、鋼之后迅速發展成為四大飛機結構材料之一。

復合材料在飛機結構上的應用首先帶來的是顯著的減重效益，復合材料尤其是碳纖維復合材料其密度僅為1.6g/cm3左右，如等量代替鋁合金，理論上可有42%的減重效果。近年來隨著復合材料技術的深入研究和應用實踐的積累，人們清楚地認識到：復合材料在飛機結構上應用效益絕不僅僅是減重，而且給設計帶來創新舞臺，通過合理設計，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材料無法實現的優異功能特性，可極大地提高其使用效能，降低維護成本，增加未來發展的潛力和空間。尤其與鋁合金等傳統材料相比，可明顯減少使用維護要求，降低壽命周期成本，特別是當飛機進入老齡化階段后效果更明顯，據說B787較之B767機體維修成本會降低30％，這在很大程度上應歸功于復合材料的大量應用。同時，大部分復合材料飛機構件可以整體成型，大幅度減少零件數目，減少緊固件數目，減輕結構質量，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零件數減少42%，減重158kg。復合材料整體成型技術還可消除縫隙、臺階和緊固件，無疑對提高軍機的隱身性能也具有非常重要的貢獻。

二．飛機結構用復合材料的發展過程

先進復合材料于上世紀60年代中期一問世，即首先用于飛行器結構上。30多年來先進復合材料在飛機結構上應用走過了一條由小到大、由次到主、由局部到整體、由結構到功能、由軍機應用擴展到民機應用的發展道路。

1.復合材料在軍用飛機上的發展過程

縱觀國外軍機結構用復合材料所走過的道路，大致可分為三個階段： 第一階段復合材料主要用于受力較小或非承力件，如艙門、口蓋、整流罩以及襟副翼、方向舵等，大約于上世紀70年代初完成。

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

15、F-

16、F-

18、幻影2000和幻影4000等均采用了復合材料尾翼，此時復合材料用量大約只占全機結構重量的5%。

第三階段復合材料開始應用于機翼、機身等主要的承力結構，受力很大，規模也很大。主要以1976年美國原麥道公司研制成功FA-18復合材料機翼作為里程碑，此時復合材料用量已提高到了13%，軍機結構的復合材料化進程進一步得到推進。此后世界各國所研制的軍機機翼一級的部件幾乎無一例外地都采用了復合材料，其復合材料用量不斷增加，如美國的AV-8B、B-

2、F/A-

22、F/A-18E/F、F-

35、法國的“陣風”（Rafale）、瑞典的JAS-

39、歐洲英、德、意、西四國聯合研制的“臺風”（EF2000）、俄羅斯的C-37等，具體如表1所示。

應該指出繼機翼、機身采用復合材料之后，飛機的最后一個重要部件——起落架也開始了應用復合材料，向著全機結構的復合材料化又邁進了一步。復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40%左右。

2.復合材料在民用航空上的發展

繼軍機之后，國外大型民機也大量采用復合材料，以波音飛機為例，其進程大致走過了四個階段：第一階段：采用復合材料制造受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構件，該階段于上世紀70年代中期實現。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年代中期結束。第三階段：制造垂尾、平尾受力較大的部件，突破了尾翼級部件在大型客機上的試用，隨后B777設計應用了復合材料垂尾、平尾，共用復合材料9.9噸，占結構總重的11%。第四階段：在飛機最主要受力部件機翼、機身上正式使用復合材料，如波音公司正在研制的B787“夢想”飛機，其復合材料用量達50％。下圖為B787“夢想”中復合材料的使用情況。

圖中深藍色部分為飛機的碳層合板，用于機身主體的機構，淺藍色為碳夾芯板，用于飛機的尾翼部分和側翼的少部分部件，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年代中期開始了先進復合材料在其A300系列飛機上的應用研究，經過7年時間于1985年完成了A320全復合材料垂尾的研制，此后A300系列飛機的尾翼一級的部件均采用復合材料，將復合材料的用量迅速推進到了15%左右。已于2005年初下線并首飛的A380超大型客機，其復合材料用量達25%，主要應用部位包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、機身地板梁和后承壓框等，開創了先進復合材料在大型客機上大規模應用的先河。

上面的圖為空客大型民機結構用復合材料的進程。

3.復合材料在我國飛機制造的應用

我國于上世紀 70 年代已開展軍機用先進復合材料的研究。“六五”期間作為預研項目研制了兩個機型的復合材料垂尾，1985 年開始研制某型機帶整體油箱的復合材料機翼，90 年代初研制了某型機復合材料垂尾和前機身，此后多種機型均正式采用了復合材料，其復合材料用量接近10％。

雖然我國在航空和汽車領域中，對于復合材料已經有了一定的了解和應用，但是復合材料的開發和投用在我國仍是一個重大的難點，我國航天事業起步慢，也沒有核心技術的支持，但是我相信，在長期的努力之下，我們國家一定會擁有自己的復合材料的技術，并用于飛機，汽車等的制造中。

三．飛機結構復合材料在將來的發展及前景

人們以前一直擔心樹脂基復合材料結構的使用壽命問題，30多年來的應用發展歷史證明了先進復合材料具有優異的使用性能，使用壽命不成問題，這也是目前飛機結構復合材料用量大幅提高的基礎和前提。自20世紀70年代先進復合材料進入飛機結構以來，各種飛機從未因大量使用復合材料引發飛行事故，這無疑為復合材料的應用增加了信心和安全置信度。最早的裝機件歷經30余年的使用，已到設計的使用壽命，最近的檢測結果表明，空中使用和地面驗證情況相符，疲勞和使用環境未造成剩余強度下降，仍可承受既定的設計載荷，絕大多數制件至今仍處于良好狀態。曾以為樹脂基復合材料的老化可能是影響使用的嚴重問題，國外的大量使用經驗證明，老化不成問題，性能衰退未超過使用要求。同時使用經驗還表明，復合材料隨飛機結構成功地經受了疲勞與溫度、吸濕及腐蝕等環境的考驗，有些問題并不像當初預計的那樣嚴重。

實踐還使人們認識到復合材料越是用于主結構問題越少，使用性能可能更好。如復合材料薄板，特別是薄的蜂窩結構面板常出現沖擊損傷容限等問題，但主結構板厚增加，如A380中央翼盒處板厚可達45mm，損傷阻抗能力提高，損傷容限已不成問題。當板厚超過8mm損傷容限問題會急劇下降，厚板的吸濕、溫度傳導等問題均會下降，機體結構內部的框、梁、肋用復合材料沖擊、吸濕、耐溫等敏感問題也會相應下降，因此材料許用值和結構設計值可適當放寬。國內20余年的飛機結構用復合材料結果也表明復合材料確是一種使用性能優異的新材料。

如今復合材料在四大機種上的大量應用，已形成目前世界航空領域再度起飛的發展新態勢，事實雄辯地證明復合材料是實現飛機現代化的必由之路，飛機結構復合材料化也是大勢所趨。未來飛機特別是軍機為了進一步達到結構減重與降低綜合成本，復合材料將不斷取代其他材料，用量繼續增長。美國一報告中指出：到2020年，只有復合材料才有潛力使飛機獲得20%～25%的性能提升，復合材料將成為飛機的基本材料，用量將達到65％。

2000年統計，鋁，鋼，鈦，復合材料各占飛機部件材料的65%,15%,5%,15%。鋁占的比重仍然是最大的，而預計將來，復合材料降占主導位置。下圖為現在與將來預計飛機用材料比例圖。

飛機結構用復合材料的發展趨勢概括起來可歸納為以下幾個方向：

（1）高性能化。高性能化趨勢從材料角度主要體現在三個方面，一是提高力學性能，二是提高耐熱性能，三是提高耐服役環境性能。

（2）多功能化。同一結構實現多種功能是復合材料的優勢之一，如承力/吸波，承力/吸波/減振、降噪一體化是飛機結構用復合材料的一個重要發展方向。要實現多功能化，設計是首位，材料是根本，工藝是保證。

（3）智能化。智能化對提高結構效率和可靠性具有重要作用，是飛機結構設計越來越重視的方向。開發飛機結構用復合材料自感知、自診斷、自適應智能化技術，可以實現復合材料飛機結構噪聲抑制、振動控制、主動變形、健康監測。

（4）低成本化。這是一個永恒的主題。成本過高仍是制約飛機結構大量應用復合材料的主要障礙，因此低成本化仍為復合材料發展中急需解決的關鍵技術。低成本化重點考慮制造技術低成本化、設計方法低成本化、全壽命低成本化。

（5）制造過程數字化。有利于減少試驗量，縮短研制周期，降低廢品率及提高生產效率。應發展復合材料制造過程模擬與工藝參數優化技術，實現復合材料制造過程數字化與飛機結構設計數字化趨向相適應。

（6）設計制造一體化。在設計階段就考慮制造與裝配中的問題，可加快產品研制進度，提高質量，有效降低成本。采用全新的設計理念和手段，將設計和制造融為一體，是復合材料發展的又一個重要趨勢。

四．我國復合材料的研究與開發

1．碳纖維

多年來在碳纖維技術方面我國未能突破其關鍵技術，研究進展緩慢，與國外的差距越來越大，產量遠遠不能滿足國內的需求，導致至今碳纖維95 % 以上依賴進口，并深陷受制于人的局面。特別是隨著A380、B787等幾大機種上復合材料用量的劇增，碳纖維嚴重短缺，引發危機，對我國飛機結構用先進復合材料的發展影響甚大。

碳纖維生產技術難度很大，特別是原絲技術難度大，沒有好的原絲就碳化不出優質的碳纖維，成為我國碳纖維產業的瓶頸。近幾年，國家有關部門對國產碳纖維的發展也很重視，有多個計劃給予支持，有些企業自行投資也在研發碳纖維，并取得良好的前期效果。因此，可望在十一五、十二五期間我國碳纖維有新的較大發展，這對促進我國飛機結構大量用復合具有深遠的意義。

2．新型樹脂體系

先進復合材料用樹脂體系仍然需要足夠的重視，我國目前性能優異、工藝性優良的真正能夠用于飛機結構復合材料樹脂體系還不多，有待于新品種的開發，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脂體系等。

第五篇：碳纖維的應用和個人感想

在碳纖維應用領域中，風電葉片是個熱點。當前，風能在我國得到廣泛利用，風電葉片需求潛力巨大。要減輕葉片的質量，又要滿足強度與剛度要求，一個有效的辦法就是采用碳纖維增強。中復神鷹萬噸級碳纖維一期工程投產暨中復聯眾2兆瓦風電葉片、吉林明陽大通風電技術1.5兆瓦系列風電機組等項目近期批量生產。其中，吉林明陽大通產品實現現場安裝，樣機的累計運行參數超過預期水平，并與吉林大唐、華電電力公司等單位草簽了約50億元的供貨合同。

為了降低風電單位成本，風機功率不斷提高，隨之葉片長度也不斷增加，使碳纖維在風電葉片中的應用成為必然。介紹了碳纖維在風電葉片上應用的優勢和不足，以及解決的技術途徑。

碳纖維材料在風力發電機葉片中的應用

當葉片長度增加時，質量的增加要快于能量的提取。因為質量的增加和風葉長度的立方成正比，而風機產生的電能和風葉長度的平方成正比。同時隨著葉片長度的增加，對增強材料的強度和剛度等性能提出了新的要求玻璃纖維在大型復合材料葉片制造中逐漸顯現出性能方面的不足。為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。減輕葉片的質量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強。國外專家認為由于現有材料不能很好滿足大功率風力發電裝置的需求，玻璃纖維復合材料性能已經趨于極限，因此，在發展更大功率風力發電裝置和更長轉子葉片時，采用性能更好的碳纖維復合材料勢在必行。他們認為當風力機超過3MW、葉片長度超過40m時，葉片制造時采用碳纖維已成為必要的選擇。事實上，當葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片反而比玻璃纖維葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降了。

目前國外把碳纖維用于葉片制造的廠家主 要有：

（1）丹麥LM Glassfiber“未來”葉片家族中61.5 m長、5 MW風機的葉片在梁和根部都選用了碳纖維。

（2）德國葉片制造商Nordex Rotor新制造的56 m長，5 MW風機葉片的整個梁結構也采用了碳纖維，他們認為葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片的制作成本并不比玻璃纖維的高。

（3）Vestas Wind System 在他們制造的44 m長、V-90 3.0 MW風電機中的葉片的梁采用了碳纖維。2004 年12 月Zoltek Companies Inc.宣布與Vestaswind Systems AS公司訂立長期戰略合同，在前3 a提供價值8千萬到1億美元的碳纖維用于制造風機葉片；Zoltek Companies Inc在股東大會上宣布對NEGMicon的碳纖維合同將比每年150 t增加1倍。同時每

年分別向Vestas和Gamesa各提供1 000 t，所用牌號為Panex33 48K。

（4）西班牙Gamesa在他們旋轉直徑為87 m(G87)和90 m(G90)2 MW的風機的葉片中采用了碳纖維／環氧樹脂預浸料。

（5）NEG Micon在40 m的葉片中采用了碳纖維增強環氧樹脂。

（6）德國Enercon GmbH在他們的大型葉片的制造中也使用了碳纖維。（7）華盛頓的Kirkland公司和TPI Composites公司合作，發展碳纖維風機葉片，以求得最大的能量獲得，同時減輕風機的負載。方案通過對30~35 m長葉片的設計，制造和測試證明先進的碳纖維混編設計葉片的商業化的可行性。

碳纖維在風機葉片中應用的優勢

碳纖維的應用優勢：

(1)提高葉片剛度，減輕葉片重量

碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%，強度大40%，尤其是模量高3至8倍。大型葉片采用碳纖維增強可充分發揮其高彈輕質的優點。荷蘭戴爾弗理工大學研究表明，一個旋轉直徑為120米的風機的葉片，由于梁的質量超過葉片總質量的一半，梁結構采用碳纖維，和采用全玻纖的相比，重量可減輕40%左右;碳纖維復合材料葉片剛度是玻璃纖維復合材料葉片的兩倍。據分析，采用碳/玻混雜增強方案，葉片可減重20%～30%。Vesta Wind System公司的V90 3 Mw發電機的葉片長44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構件，葉片質量與該公司V80 2 MW發電機且為39米長的葉片質量相同。同樣是34m長的葉片，采用玻璃纖維增強聚脂樹脂時質量5800kg，采用玻璃纖維增強環氧樹脂時質量5200kg，而采用碳纖維增強環氧樹脂時質量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風機葉片質量比玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。

(2)提高葉片抗疲勞性能

風機總是處在條件惡劣的環境中，并且24小時的處于工作狀態。這就使材料易于受到損害。相關研究表明，碳纖維合成材料具有出眾的抗疲勞特性，當與樹脂材料混合時，則成為了風力機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一。

(3)使風機的輸出功率更平滑更均衡，提高風能利用效率 使用碳纖維后，葉片重量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學性能，減少對塔和輪軸的負載，從而使風機的輸出功率更平滑和更均衡，提高能量效率。同時，碳纖維葉片更薄，外形設計更有效，葉片更細長，也提高了能量的輸出效率。

(4)可制造低風速葉片

碳纖維的應用可以減少負載和增加葉片長度，從而制造適合于低風速地區的大直徑風葉，使風能成本下降。

(5)可制造自適應葉片

葉片裝在發電機的輪輪上，葉片的角度可調。目前主動型調節風機(active utility-size wind turhines)的設計風速為13 to15m/sec(29 to 33mph)，當風速超過時，則調節風葉斜度來分散超過的風力，防止對風機的損害。斜度控制系統對逐步改變的風速是有效的。但對狂風的反應太慢了，自適應的各向異性葉片可幫助斜度控用系統(thepitch control system)，在突然的、瞬間的和局部的風速改變時保持電流的穩定。自適應葉片充分利用了纖維增強材料的特性，能產生非對稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設計，使葉片在強風中旋轉時可減少瞬時負載。美國Sandia National Laboratories致力于自適應葉片(“adzptive”blade)研究，使1.5W風能從每KWh 5美分降到4.9分，價格可和燃料發電相比。

(6)利用導電性能避免雷擊利用碳纖維的導電性能，通過特殊的結構設計，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。

(7)降低風力機葉片的制造和運輸成本

由于減少了材料的應用，所以纖維和樹脂的應用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運輸成本都會下降。可縮小工廠的規模和運輸設備。

(8)具有振動阻尼特性。碳纖維的振動阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發生任何共振的可能性。

感想

在這次關于碳纖維的課題中，我們每人都負責一塊內容，從碳纖維的歷史背景到合成工藝，又從發展應用到熱點的討論和發展前景。每個人通過在網上查閱資料，最后資料整合，做成ppt，這個過程，我們付出了努力，從中也頗有收獲。這是一個自我探究與發現的過程，對于未知領域的認識與探討，鍛煉了我們的學習能力，探究能力和合作能力。在這次課題里，我負責的是關于碳纖維的熱點，其實碳纖維的應用已經很廣泛了，我在查閱了很多資料后，發現碳纖維可以用于航空航天、交通、體育與休閑用品、醫療、機械、紡織等很多的領域，然而，最有價值的我認為是應用于風力發電，將碳纖維的工藝用于制造風車葉片，是具有重大意義的，它對于人類能源的利用，人類未來的發展都影響很大，目前對于這一方面的知識也是很尖端的。

我整理的關于目前碳纖維的熱點，能源一直是人類發展的重要前提，目前世界能源緊缺，對于能源的充分利用具有重大的意義。在中國幅員遼闊，海岸線長，風力資源十分豐富，所以風力發電對于能源的利用是十分重要的，風車一直以來都在改進，以獲得更大的效率，風車葉片利用碳纖維加工，是很有遠見性的，將碳纖維運用于風力發電，有很大的優勢，(1)提高葉片剛度，減輕葉片質量(2)提高葉片抗疲勞性能（3）使風機的輸出功率更平滑更均衡,提高風能利用效率（4）可制造低風速葉片（5）可制造自適應葉片（6）利用導電性能避免雷擊（7）降低風力機葉片的制造和運輸成本（8）碳纖維的風車葉片成為目前的熱點。

具有振動阻尼特性。在這些優勢下，