第六章復合材料在飛行器制造中的應用

1、11.5復合材料構件在飛行器上的應用復合材料構件在飛行器上的應用 2 34B2隱形轟炸機隱形轟炸機5678F-18戰(zhàn)斗機戰(zhàn)斗機9101112131415161718 記者在哈航集團的生產(chǎn)車間里看到，工人們正在模記者在哈航集團的生產(chǎn)車間里看到，工人們正在模具上進行具上進行“鋪層鋪層”工作。幾名工人首先將一種薄得像布工作。幾名工人首先將一種薄得像布一樣的特殊材料鋪在模具上，然后在上面刷上一層特種一樣的特殊材料鋪在模具上，然后在上面刷上一層特種膠水，隨后再鋪上一層膠水，隨后再鋪上一層“布布”。在鋪了若干層。在鋪了若干層“布布”后，后，經(jīng)過固化、成型，制成特殊復合材料。最后將根據(jù)尺寸經(jīng)過固化、成型，制

2、成特殊復合材料。最后將根據(jù)尺寸要求，加工出具有流線形的殼體要求，加工出具有流線形的殼體整流罩。哈航集團整流罩。哈航集團為波音公司生產(chǎn)的整流罩將用于為波音公司生產(chǎn)的整流罩將用于“波音波音787”機體和機翼機體和機翼的結合部，可將裸露在機體外面的某一部件或裝置封閉的結合部，可將裸露在機體外面的某一部件或裝置封閉起來，起到保護與減少空氣阻力的雙重作用。起來，起到保護與減少空氣阻力的雙重作用。 19202122232425262728297.82.84.521.451.61.42.12.650246810鋼鋁合金鈦合金玻璃纖維復合材料高模碳纖維/環(huán)氧復合材料高模石墨纖維/環(huán)氧復合材料有機纖維/環(huán)氧復合

3、材料硼纖維/環(huán)氧復合材料硼纖維/鋁復合材料密度密度1.6復合材料的性質復合材料的性質:性性能能比比較較3000.20.40.60.811.21.41.61鋼鋁合金鈦合金玻璃纖維復合材料高模碳纖維/環(huán)氧復合材料高模石墨纖維/環(huán)氧復合材料有機纖維/環(huán)氧復合材料硼纖維/環(huán)氧復合材料硼纖維/鋁復合材料拉伸強度拉伸強度3101231鋼鋁合金鈦合金玻璃纖維復合材料高模碳纖維/環(huán)氧復合材料高模石墨纖維/環(huán)氧復合材料有機纖維/環(huán)氧復合材料硼纖維/環(huán)氧復合材料硼纖維/鋁復合材料彈性模量彈性模量3200.511.5212鋼鋁合金鈦合金玻璃纖維復合材料高模碳纖維/環(huán)氧復合材料高模石墨纖維/環(huán)氧復合材料有機纖維/環(huán)氧

4、復合材料硼纖維/環(huán)氧復合材料硼纖維/鋁復合材料比強度比強度比模量比模量33 比強度和比模量高比強度和比模量高 材料的強度除以密度稱為比強度；材料材料的強度除以密度稱為比強度；材料的剛度除以密度稱為比剛度的剛度除以密度稱為比剛度 。這兩個參量。這兩個參量是衡量材料承載能力的重要指標。比強度和是衡量材料承載能力的重要指標。比強度和比剛度較高說明材料重量輕，而強度和剛度比剛度較高說明材料重量輕，而強度和剛度大。這是結構設計，特別是航空、航天結構大。這是結構設計，特別是航空、航天結構設計對材料的重要要求?，F(xiàn)代飛機、導彈和設計對材料的重要要求?，F(xiàn)代飛機、導彈和衛(wèi)星等機體結構正逐漸擴大使用纖維增強復衛(wèi)星等

5、機體結構正逐漸擴大使用纖維增強復合材料的比例。合材料的比例。34 耐疲勞性能好耐疲勞性能好 一般金屬的疲勞強度為抗拉強度的一般金屬的疲勞強度為抗拉強度的404050%50%，而某些復合材料可高達，而某些復合材料可高達707080%80%。復。復合材料的疲勞斷裂是從基體開始，逐漸擴合材料的疲勞斷裂是從基體開始，逐漸擴展到纖維和基體的界面上，沒有突發(fā)性的展到纖維和基體的界面上，沒有突發(fā)性的變化。因此，變化。因此，復合材料在破壞前有預兆，復合材料在破壞前有預兆，可以檢查和補救可以檢查和補救。纖維復合材料還具有較。纖維復合材料還具有較好的抗聲振疲勞性能。好的抗聲振疲勞性能。用復合材料制成的用復合材料制

6、成的直升飛機旋翼，其疲勞壽命比用金屬的長直升飛機旋翼，其疲勞壽命比用金屬的長數(shù)倍數(shù)倍。35 減振性能良好減振性能良好 纖維復合材料的纖維和基體界面的阻尼纖維復合材料的纖維和基體界面的阻尼較大，因此具有較好的減振性能。用同形較大，因此具有較好的減振性能。用同形狀和同大小的兩種粱分別作振動試驗，碳狀和同大小的兩種粱分別作振動試驗，碳纖維復合材料粱的振動衰減時間比輕金屬纖維復合材料粱的振動衰減時間比輕金屬粱要短得多。粱要短得多。36 過載安全性好過載安全性好 在纖維增強復合材料的基體中有成千在纖維增強復合材料的基體中有成千上萬根獨立的纖維。當用這種材料制成的上萬根獨立的纖維。當用這種材料制成的構件超

7、載，并有少量纖維斷裂時，載荷會構件超載，并有少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，迅速重新分配并傳遞到未破壞的纖維上，因此整個構件不至于在短時間內喪失承載因此整個構件不至于在短時間內喪失承載能力。能力。37 耐熱性能好耐熱性能好 在高溫下，用碳或硼纖維增強的金在高溫下，用碳或硼纖維增強的金屬其強度和剛度都比原金屬的強度和剛屬其強度和剛度都比原金屬的強度和剛度高很多。普通鋁合金在度高很多。普通鋁合金在400400時，彈時，彈性模量大幅度下降，強度也下降；而在性模量大幅度下降，強度也下降；而在同一溫度下，用碳纖維或硼纖維增強的同一溫度下，用碳纖維或硼纖維增強的鋁合金的強度和彈性

8、模量基本不變。鋁合金的強度和彈性模量基本不變。復復合材料的熱導率一般都小，因而它的瞬合材料的熱導率一般都小，因而它的瞬時耐超高溫性能比較好時耐超高溫性能比較好。38各向異性及性能可設計性各向異性及性能可設計性 各向異性是復合材料的一個突出特點，各向異性是復合材料的一個突出特點，與之相關的是性能的可設計性。復合材料與之相關的是性能的可設計性。復合材料的力學、物理性能除了由的力學、物理性能除了由纖維、樹脂的種纖維、樹脂的種類及體積含量類及體積含量而定外，還與而定外，還與纖維的排列方纖維的排列方向、鋪層順序和層數(shù)向、鋪層順序和層數(shù)密切相關。因此，可密切相關。因此，可以根據(jù)工程結構的載荷分布及使用條件

9、的以根據(jù)工程結構的載荷分布及使用條件的不同，選取相應的材料及鋪層設計來滿足不同，選取相應的材料及鋪層設計來滿足既定的要求。復合材料的這一特點可以實既定的要求。復合材料的這一特點可以實現(xiàn)構件的優(yōu)化設計，做到安全可靠、經(jīng)濟現(xiàn)構件的優(yōu)化設計，做到安全可靠、經(jīng)濟合理。合理。39工藝性好工藝性好 纖維增強復合材料一般適合于整體成纖維增強復合材料一般適合于整體成型，型，減少了零部件的數(shù)目及接頭緊固件，減少了零部件的數(shù)目及接頭緊固件，減少設計計算工作量并有利于提高計算的減少設計計算工作量并有利于提高計算的準確性。準確性。另外，制作纖維增強復合材料部另外，制作纖維增強復合材料部件的步驟是把纖維和基體粘結在一起

10、，先件的步驟是把纖維和基體粘結在一起，先用模具成型，而后加溫固化，在制作過程用模具成型，而后加溫固化，在制作過程中基體由流體變?yōu)楣腆w，中基體由流體變?yōu)楣腆w，不易在材料中造不易在材料中造成微小裂紋，而且固化后殘余應力很小成微小裂紋，而且固化后殘余應力很小。401.7 增強材料纖維增強材料纖維 增強材料增強材料:能和聚合物復合，形成復合材料后其比強能和聚合物復合，形成復合材料后其比強度和比模量超過現(xiàn)有金屬的物質。反之，稱為度和比模量超過現(xiàn)有金屬的物質。反之，稱為填料填料。纖纖維維增增強強材材料料粒子增粒子增強材料強材料（片狀、（片狀、顆粒狀）顆粒狀）41主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量一

11、般主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量一般在在90以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如等，但與一般碳等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的素材料不同的是，其外形有顯著的。碳纖維比重小，因此有很高的比強度。碳纖維比重小，因此有很高的比強度。制造制造：由含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造：由含碳量較高，在熱處理過程中不熔融的人造化學纖維，經(jīng)化學纖維，經(jīng)及及等等工藝制成。工藝制成。應用應用：與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，做成結構材：與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合，做成結構材料。料。，在強度、剛度在強度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要

12、求高溫、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要求高溫、化學穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復合材料都具優(yōu)勢。、化學穩(wěn)定性高的場合，碳纖維復合材料都具優(yōu)勢。42碳纖維碳纖維 碳纖維是以碳纖維是以聚丙烯腈纖維聚丙烯腈纖維、粘膠纖維粘膠纖維或或瀝青纖維瀝青纖維為為原絲，通過加熱除去碳以外的其它一切元素制得的一種原絲，通過加熱除去碳以外的其它一切元素制得的一種高強度、高模量的纖維，它具有很高的化學穩(wěn)定性和耐高強度、高模量的纖維，它具有很高的化學穩(wěn)定性和耐高溫性能，是高性能增強復合材料中的優(yōu)良結構材料。高溫性能，是高性能增強復合材料中的優(yōu)良結構材料。 以粘膠為原絲時，粘膠纖維可直接炭化和石墨化。以粘膠為原絲時，粘

13、膠纖維可直接炭化和石墨化。纖維先進行干燥，然后在氮或氬等惰性氣體保護下緩慢纖維先進行干燥，然后在氮或氬等惰性氣體保護下緩慢加熱到加熱到400 。達。達400 后，快速升溫至后，快速升溫至9001000 ，使之完全炭化，可得含碳量達使之完全炭化，可得含碳量達90%的碳纖維。的碳纖維。 若以聚丙烯睛若以聚丙烯睛 纖維為原絲，則需先對原絲進行纖維為原絲，則需先對原絲進行180220 、約、約10小時的預氧化處理，然后再經(jīng)過炭化小時的預氧化處理，然后再經(jīng)過炭化和石墨化處理，由此制得具有優(yōu)良性能的碳纖維。和石墨化處理，由此制得具有優(yōu)良性能的碳纖維。43活性碳纖維的生產(chǎn)工藝流程活性碳纖維的生產(chǎn)工藝流程PA

14、N纖維纖維瀝青纖維瀝青纖維粘膠纖維粘膠纖維預氧絲預氧絲預氧絲預氧絲預氧絲預氧絲碳化活化碳化活化ACF活性炭纖維活性炭纖維活性碳纖維氈活性碳纖維氈活性碳纖維布活性碳纖維布活性碳纖維紙活性碳纖維紙不熔化不熔化預氧化預氧化催化浸清催化浸清預氧化預氧化44按性能分類：按性能分類：高性能型碳纖維抗拉強度在高性能型碳纖維抗拉強度在2000MPa以上，主要用于航天、以上，主要用于航天、 航空和軍工等領域；航空和軍工等領域；通用型碳纖維抗拉強度在通用型碳纖維抗拉強度在6001200MPa左右，主要用于左右，主要用于 機械制造、建筑和體育用品，如剎車片、軸承、密封材料等。機械制造、建筑和體育用品，如剎車片、軸承

15、、密封材料等。其它：活性碳纖維、氣相生長碳纖維、納米碳纖維等其它：活性碳纖維、氣相生長碳纖維、納米碳纖維等按原料分類：按原料分類：粘膠基碳纖維（粘膠基碳纖維（ 90 ）瀝青基碳纖維（瀝青基碳纖維（10%）45碳纖維的制造方法碳纖維的制造方法: 碳纖維制品有布、帶、粗紗、短纖維和氈等碳纖維制品有布、帶、粗紗、短纖維和氈等氣相法氣相法有機纖維碳化法（可制造連續(xù)長纖維）有機纖維碳化法（可制造連續(xù)長纖維）464748495051521、紡絲原液的制備：聚合物在少數(shù)強酸性、紡絲原液的制備：聚合物在少數(shù)強酸性溶液中（濃硫酸）溶解成適宜紡絲的濃溶液，溶液中（濃硫酸）溶解成適宜紡絲的濃溶液，使其具有典型的使其

16、具有典型的向列型液晶結構向列型液晶結構； 2、成形工藝：紡絲原液通過噴絲孔，在剪、成形工藝：紡絲原液通過噴絲孔，在剪切力和拉伸流動下，向列型液晶微區(qū)沿纖維軸切力和拉伸流動下，向列型液晶微區(qū)沿纖維軸向取向，吐出噴絲孔后，由于壓力松弛，使取向取向，吐出噴絲孔后，由于壓力松弛，使取向的大分子鏈產(chǎn)生部分向的大分子鏈產(chǎn)生部分解取向解取向傾向。很快液流傾向。很快液流受到拉伸應力作用，又抑制解取向，在空氣中受到拉伸應力作用，又抑制解取向，在空氣中進一步細化伸長并獲得進一步細化伸長并獲得高度取向高度取向，到低溫的凝，到低溫的凝固浴中，冷卻凝固成凍結液晶相纖維，因此初固浴中，冷卻凝固成凍結液晶相纖維，因此初生絲

17、無需拉伸就能得到高強度高模量的纖維。生絲無需拉伸就能得到高強度高模量的纖維。5354 最早用于聚合物基最早用于聚合物基復合材料的一種增復合材料的一種增強材料。美國于強材料。美國于18931893年即研究成功年即研究成功玻璃纖維，玻璃纖維，19381938年年工業(yè)化并作為商品工業(yè)化并作為商品出售，出售，4040年代初即年代初即應用于航空工業(yè)。應用于航空工業(yè)。玻璃纖維熔制過程示意圖玻璃纖維熔制過程示意圖5556 玻璃纖維具有很高的拉伸強度，不僅超過玻璃纖維具有很高的拉伸強度，不僅超過了各種天然纖維和合成纖維，同時也超過一般了各種天然纖維和合成纖維，同時也超過一般鋼材的強度。玻璃纖維的強度與直徑和長

18、度的鋼材的強度。玻璃纖維的強度與直徑和長度的大小有關，一般來說大小有關，一般來說直徑越細，拉伸強度越高；直徑越細，拉伸強度越高；拉伸試件越長，強度越小拉伸試件越長，強度越小。玻璃纖維的彈性模。玻璃纖維的彈性模量不高，與純鋁的模量接近，只有普通鋼的量不高，與純鋁的模量接近，只有普通鋼的1/31/3。彈性模量低是其主要缺點彈性模量低是其主要缺點。玻璃纖維受力時，。玻璃纖維受力時，其拉伸應力其拉伸應力- -應變特性基本上是一條直線，沒有應變特性基本上是一條直線，沒有塑性變形階段，屬于具有脆性特征的彈性材料。塑性變形階段，屬于具有脆性特征的彈性材料。它的它的扭轉強度、剪切強度均較其它纖維低扭轉強度、剪

19、切強度均較其它纖維低。 5758坩坩堝堝爐爐59 池窯拉絲是國際上普遍采池窯拉絲是國際上普遍采用的玻璃纖維生產(chǎn)新工藝，該用的玻璃纖維生產(chǎn)新工藝，該技術特點是，采用重油或燃氣技術特點是，采用重油或燃氣加熱單元窯，粉料直接熔化成加熱單元窯，粉料直接熔化成玻璃，經(jīng)燃氣加熱的成型通路，玻璃，經(jīng)燃氣加熱的成型通路，由多臺（數(shù)十到上百臺）漏板由多臺（數(shù)十到上百臺）漏板同時拉制各種規(guī)格的玻璃纖維同時拉制各種規(guī)格的玻璃纖維原絲。具有生產(chǎn)規(guī)模大、效率原絲。具有生產(chǎn)規(guī)模大、效率高、能耗低、產(chǎn)品質量好等優(yōu)高、能耗低、產(chǎn)品質量好等優(yōu)點，能適應點，能適應800至至4000孔大漏孔大漏板拉絲成型的要求，是生產(chǎn)高板拉絲成型

20、的要求，是生產(chǎn)高質量、低成本玻璃纖維材料的質量、低成本玻璃纖維材料的最佳方法。最佳方法。 6061626364656667 1.7.4復合纖維的生產(chǎn)方法復合纖維的生產(chǎn)方法 復合纖維的生產(chǎn)方法主要有復合纖維的生產(chǎn)方法主要有復合紡絲法復合紡絲法和和共共混紡絲法混紡絲法。 復合紡絲法是將兩種性質不同的高聚物，用兩復合紡絲法是將兩種性質不同的高聚物，用兩根螺桿分別熔融、計量后，共同進入特殊設計的紡根螺桿分別熔融、計量后，共同進入特殊設計的紡絲組件，經(jīng)噴絲孔噴出冷卻成形。復合紡絲采用專絲組件，經(jīng)噴絲孔噴出冷卻成形。復合紡絲采用專用的復合紡絲機生產(chǎn)。用的復合紡絲機生產(chǎn)。 共混紡絲是將兩種或兩種以上的具有相

21、容性的共混紡絲是將兩種或兩種以上的具有相容性的聚合物混合在一起進行紡絲的方法。這種方法可以聚合物混合在一起進行紡絲的方法。這種方法可以用普通紡絲設備。用普通紡絲設備。69 70 聚合物基復合材料的基體材料是樹聚合物基復合材料的基體材料是樹脂。用作基材的樹脂首先要具有脂。用作基材的樹脂首先要具有較高的較高的力學性能、介電性能、耐熱性能和耐老力學性能、介電性能、耐熱性能和耐老化性能，并且要施工簡便，有良好的工化性能，并且要施工簡便，有良好的工藝性能藝性能。樹脂大致可分為。樹脂大致可分為熱固性樹脂熱固性樹脂和和熱塑性樹脂熱塑性樹脂兩類。前者有環(huán)氧樹脂、兩類。前者有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等；后者有聚酰胺、

22、聚砜、聚酚醛樹脂等；后者有聚酰胺、聚砜、聚酰亞胺、聚脂等。這兩類基體材料在使酰亞胺、聚脂等。這兩類基體材料在使用方法上有很大的不同。用方法上有很大的不同。7172復合材料的組成復合材料的組成基體基體Matrix增強體增強體Reinforcement界面界面Interface73a是玻纖增強是玻纖增強PP的沖擊試樣的斷口掃描電鏡照片，的沖擊試樣的斷口掃描電鏡照片，（a）是加入）是加入MPP相容劑的玻纖增強相容劑的玻纖增強體系，體系，( a）中玻璃）中玻璃纖維與基體的結合纖維與基體的結合較好，纖維拔出較較好，纖維拔出較少少.74（b）是未加相容劑的玻纖增強體系。）是未加相容劑的玻纖增強體系。從中可

23、以看出，而從中可以看出，而（b）中有大量的玻）中有大量的玻纖從基體中拔出，證纖從基體中拔出，證明與基體的粘接性較明與基體的粘接性較差，因而體系的力學差，因而體系的力學性能不高。性能不高。75復合效應復合效應 復合效應實質上是原相材料及其所形成的界面復合效應實質上是原相材料及其所形成的界面相互作用、相互依存、相互補充的結果。相互作用、相互依存、相互補充的結果。 復合材料具有特殊的復合效應，使得復合材料復合材料具有特殊的復合效應，使得復合材料不但基本保持了原有組分的性能，還增添了原有組不但基本保持了原有組分的性能，還增添了原有組分沒有的性能。分沒有的性能。 它表現(xiàn)為樹脂基復合材料的性能是其組分材料

24、它表現(xiàn)為樹脂基復合材料的性能是其組分材料基礎上的線性和非線性的綜合。復合效應有正有負，基礎上的線性和非線性的綜合。復合效應有正有負，性能的提高總是人們所期望的，但有些材料在復合性能的提高總是人們所期望的，但有些材料在復合之后某些方面的性能出現(xiàn)抵消甚至降低的現(xiàn)象是不之后某些方面的性能出現(xiàn)抵消甚至降低的現(xiàn)象是不可避免的?？杀苊獾?。 76 線性效應線性效應非線性效應非線性效應界面效應界面效應尺寸效應尺寸效應各向異性效應各向異性效應 復合效應復合效應線性效應可細分為平均效應、平行效應、相補效應、相抵線性效應可細分為平均效應、平行效應、相補效應、相抵效應。效應。 非線性效應可細分為乘積效應、系統(tǒng)效應、誘

25、導效應、共非線性效應可細分為乘積效應、系統(tǒng)效應、誘導效應、共振效應。振效應。771 1、線性效應、線性效應（1 1）平均效應（混合效應）平均效應（混合效應） 復合材料的某項性能等于各組分的該項性能乘以該復合材料的某項性能等于各組分的該項性能乘以該組分體積分數(shù)之和?？捎没旌衔锒擅枋觯航M分體積分數(shù)之和?？捎没旌衔锒擅枋觯?Kc = KiiKc = Kii （并聯(lián)模型）（并聯(lián)模型） 1/Kc = i/Ki 1/Kc = i/Ki （串聯(lián)模型）（串聯(lián)模型）（2 2）平行效應）平行效應 復合材料的某項性能與其中某一組分的該項性能基復合材料的某項性能與其中某一組分的該項性能基本相當。本相當。 KcKc

26、 Ki Ki 78（3 3）相補效應）相補效應 復合材料各組分復合后相互補充，彌補復合材料各組分復合后相互補充，彌補各自的弱點，產(chǎn)生優(yōu)異的綜合性能。各自的弱點，產(chǎn)生優(yōu)異的綜合性能。 C = AC = AB B（4 4）相抵效應）相抵效應 復合材料各組分之間出現(xiàn)性能相互制約，復合材料各組分之間出現(xiàn)性能相互制約，使其性能低于混合物定律預測值。使其性能低于混合物定律預測值。 Kc KiiKc Kii79以下舉例對其中的重要效應簡單作一說明。以下舉例對其中的重要效應簡單作一說明。 平均效應又可稱為加和效應平均效應又可稱為加和效應(Mean Properties)，反映在，反映在復合材料的混合定則復合材

27、料的混合定則(Rule of Mixture)中。中。該定則通常用來計算增強材料和基體復合后對某一性質該定則通常用來計算增強材料和基體復合后對某一性質產(chǎn)生的效果，即產(chǎn)生的效果，即式中式中 p某一性質，例如強度、模量、泊松比、熱導等某一性質，例如強度、模量、泊松比、熱導等Pc復合材料的某一性質；復合材料的某一性質；Pi原始原始i材料的某一性質；材料的某一性質；體積分數(shù)；體積分數(shù)；i N種原始材料中第種原始材料中第i種材料體積分數(shù)種材料體積分數(shù)n由實驗確定，其范圍為由實驗確定，其范圍為-1 n 1Niinicpp180Niinicpp1例題：p(PA66) =81.3MPa, p(GF)=3232

28、MPa, p(CF)=35001= 0.7 , 2=0.3 n=1Pc1=81.30.7+32320.3=1026.51 (MPa)Pc2=81.30.7+35000.3=1106.91 (MPa)81相補效應和相抵效應相補效應和相抵效應AB82非線性效應中，乘積效應非線性效應中，乘積效應(Product ProPcnMs又叫傳遞特性，交叉耦合效應。又叫傳遞特性，交叉耦合效應。 例如對材料例如對材料X X輸入時輸出為輸入時輸出為Y Y，即一種轉換功，即一種轉換功能材料能材料Y/X(Y/X(如磁場壓力的換能材料如磁場壓力的換能材料) )；而；而Y Y又作為又作為另一種材料的第二次輸入，產(chǎn)生輸出另

29、一種材料的第二次輸入，產(chǎn)生輸出Z Z，即為另一，即為另一種換能材料種換能材料Z ZY(Y(如電阻磁場轉換材料如電阻磁場轉換材料) )。兩種材。兩種材料復合得出一新的機能材料，即料復合得出一新的機能材料，即Y YX XZ ZY YZ ZX(X(即電阻壓力轉換構料即電阻壓力轉換構料) )。 乘積效應對開發(fā)新型功能材料指出了方向，因乘積效應對開發(fā)新型功能材料指出了方向，因為這種效應不僅僅比單一材料獲得很強的性能，甚為這種效應不僅僅比單一材料獲得很強的性能，甚至還可利用它創(chuàng)造出任何單一材料都不存在的新的至還可利用它創(chuàng)造出任何單一材料都不存在的新的功能效應。功能效應。832、非線性效應、非線性效應相乘效

30、應相乘效應（X/Y）（Y/Z）=X/ZA組元性質組元性質X/YB組元性質組元性質Y/Z相乘性質相乘性質X/Z壓磁效應壓磁效應壓磁效應壓磁效應磁致伸縮磁致伸縮熱致變形熱致變形磁阻效應磁阻效應電磁效應電磁效應壓阻效應壓阻效應壓敏效應壓敏效應壓阻效應壓阻效應壓電效應壓電效應磁阻效應磁阻效應熱敏效應熱敏效應84 當你在點燃煤氣灶或熱水器時，當你在點燃煤氣灶或熱水器時，就有一種壓電陶瓷已悄悄地就有一種壓電陶瓷已悄悄地為你服務了一次。生產(chǎn)廠家為你服務了一次。生產(chǎn)廠家在這類壓電點火裝置內，藏在這類壓電點火裝置內，藏著一塊壓電陶瓷，當用戶按著一塊壓電陶瓷，當用戶按下點火裝置的彈簧時，傳動下點火裝置的彈簧時，傳

31、動裝置就把壓力施加在壓電陶裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓，瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓，進而將電能引向燃氣的出口進而將電能引向燃氣的出口放電，于是，燃氣就被電火放電，于是，燃氣就被電火花點燃了。壓電陶瓷的這種花點燃了。壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應。反之功能就叫做壓電效應。反之施加電壓，則產(chǎn)生機械應力，施加電壓，則產(chǎn)生機械應力，稱為逆壓電效應。稱為逆壓電效應。 85原理上利用鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷在電能與機械能之間相互轉換的正、逆壓電效應，既在壓電陶瓷加一電信號，便產(chǎn)生機械振動而發(fā)射超聲波，當超聲波在空氣傳播途中碰到障礙物立即被反射回來，作用于它的陶瓷時，則會有電信號輸出，通過

32、數(shù)據(jù)處理時間差測距，計算顯示車與障礙物的距離及危險相撞時報警，可準確無誤地探測汽車尾部及駕車者視角盲區(qū)的微小障礙物，實用性相當強。 超聲波傳感器用作汽車倒車防撞報警器裝置，也被稱為超聲波倒車雷達或倒車聲納系統(tǒng)，尤其適用于加長型裝載汽車、載重大貨車、礦山汽車等大型車輛。 86 具有具有質量輕、強度和剛度高、阻尼大質量輕、強度和剛度高、阻尼大的特的特點，主要用于先進載人航天器、空間站和固體點，主要用于先進載人航天器、空間站和固體發(fā)動機的結構件，是航天領域中用量較多的結發(fā)動機的結構件，是航天領域中用量較多的結構復合材料。與常規(guī)金屬材料相比，構復合材料。與常規(guī)金屬材料相比，可減輕構可減輕構件質量件質量

33、20%20%60%60%。主要材料有石墨主要材料有石墨/ /環(huán)氧、硼環(huán)氧、硼/ /環(huán)氧、石墨環(huán)氧、石墨/ /聚酰亞胺和聚醚酮等。國內外在防聚酰亞胺和聚醚酮等。國內外在防空導彈天線罩的制造中也應用或正在開展應用空導彈天線罩的制造中也應用或正在開展應用工作。工作。 以金屬或合金為基體、并以纖維、晶須、以金屬或合金為基體、并以纖維、晶須、顆料等為增強體。按所用的基體金屬和增強體顆料等為增強體。按所用的基體金屬和增強體的不同，使用溫度范圍約在的不同，使用溫度范圍約在30030012001200。高高比強度、比剛度、良好韌性和塑性、低膨脹系比強度、比剛度、良好韌性和塑性、低膨脹系數(shù)、良好的導電和導熱性、

34、抗輻射、抗激光及數(shù)、良好的導電和導熱性、抗輻射、抗激光及制造性能好，在太空環(huán)境不放氣，能在較高溫制造性能好，在太空環(huán)境不放氣，能在較高溫度（度（200200800800）工作）工作。用于先進載人器的起。用于先進載人器的起落架等落架等以及以及等。主要材料有碳化硅等。主要材料有碳化硅/ /鋁、氧化鋁鋁、氧化鋁/ /鋁、鋁、碳化硅碳化硅/ /鈦、碳化硅鈦、碳化硅/ /鈦鋁化合物和石墨鈦鋁化合物和石墨/ /銅等銅等。8889 以碳或石墨纖維為增強體。具有良好的以碳或石墨纖維為增強體。具有良好的，是，是現(xiàn)有復合材料中工作現(xiàn)有復合材料中工作溫度最高的材料溫度最高的材料。主要用于載人再入航天器的熱。主要用于

35、載人再入航天器的熱結構、面板結構和發(fā)動機噴管燒蝕防熱結構等。結構、面板結構和發(fā)動機噴管燒蝕防熱結構等。材料有材料有增強碳增強碳/ /碳（碳（RCCRCC）和進行碳）和進行碳/ /碳（碳（ACCACC）。超輕、超剛性結構用的石墨泡沫材料（超輕、超剛性結構用的石墨泡沫材料（SGFSGF）目）目前正在研究中，它有可能用于包括機翼、無人機前正在研究中，它有可能用于包括機翼、無人機及衛(wèi)星在內的結構件。及衛(wèi)星在內的結構件。90 一半以上的碳一半以上的碳/ /碳復合材料用于飛機剎車裝碳復合材料用于飛機剎車裝置，具有重量輕、耐高溫、比熱容大、壽命長、置，具有重量輕、耐高溫、比熱容大、壽命長、剎車力矩平穩(wěn)、噪音

36、小等優(yōu)點。剎車力矩平穩(wěn)、噪音小等優(yōu)點。 前蘇聯(lián)的前蘇聯(lián)的“暴風雪暴風雪”號航天飛機所用的復合號航天飛機所用的復合材料達材料達5t5t之多，在機翼前緣和頭錐罩應用了碳之多，在機翼前緣和頭錐罩應用了碳/ /碳復合材料充當最重要的隔熱部分，工作溫度碳復合材料充當最重要的隔熱部分，工作溫度16001600。 美國美國“哥倫比亞哥倫比亞”號航天飛機在頭錐和機翼號航天飛機在頭錐和機翼前緣也使用了碳前緣也使用了碳/ /碳復合材料，工作溫度大于碳復合材料，工作溫度大于12001200。美國國防部將研制碳。美國國防部將研制碳/ /碳部件和輕質航碳部件和輕質航天器作為天器作為2001200120052005年航天

37、材料技術發(fā)展的重要年航天材料技術發(fā)展的重要目標。目標。 -以碳纖維或碳化硅纖維增強的鋁基以碳纖維或碳化硅纖維增強的鋁基復合材料，在復合材料，在500500時仍能保持足夠的時仍能保持足夠的強度和模量，比未增強的鋁好得多；強度和模量，比未增強的鋁好得多；碳化硅纖維與鈦復合，不但鈦的耐熱碳化硅纖維與鈦復合，不但鈦的耐熱性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動機風性提高，且耐磨損，可用作發(fā)動機風扇葉片。扇葉片。 -非金屬基復合材料由于密度小，用于汽車可減輕重非金屬基復合材料由于密度小，用于汽車可減輕重量、提高車速、節(jié)約能源。如用碳纖維增強塑料制成的量、提高車速、節(jié)約能源。如用碳纖維增強塑料制成的車身和發(fā)動機罩，其

38、重量可比金屬制的輕一半以上；用車身和發(fā)動機罩，其重量可比金屬制的輕一半以上；用碳纖維與玻璃纖維混合制成的復合材料片彈簧，其剛度碳纖維與玻璃纖維混合制成的復合材料片彈簧，其剛度和承載能力與重量大五倍多的鋼片彈簧相等。和承載能力與重量大五倍多的鋼片彈簧相等。-碳化硅纖維與氮化硅陶瓷復合，使用溫度可達碳化硅纖維與氮化硅陶瓷復合，使用溫度可達15001500，比超合金渦輪葉片的使用溫度高很多。，比超合金渦輪葉片的使用溫度高很多。-復合材料范圍廣，品種多，性能優(yōu)異，有很大的發(fā)展復合材料范圍廣，品種多，性能優(yōu)異，有很大的發(fā)展前途。玻璃纖維增強前途。玻璃纖維增強熱固性塑料熱固性塑料中的片狀模塑料發(fā)展很快，中

39、的片狀模塑料發(fā)展很快，已出現(xiàn)了許多分支，其制品已由非受力件擴大到受力件如已出現(xiàn)了許多分支，其制品已由非受力件擴大到受力件如傳動支架等。玻璃纖維增強傳動支架等。玻璃纖維增強熱塑性塑料熱塑性塑料的用途越來越廣，的用途越來越廣，其發(fā)展速度在有的國家已超過熱固性的增長率。其發(fā)展速度在有的國家已超過熱固性的增長率。-高級復合材料的發(fā)展方向是降低成本，擴大應用范圍。高級復合材料的發(fā)展方向是降低成本，擴大應用范圍。用兩種或兩種以上的不同纖維作為增強材料，不但可降低用兩種或兩種以上的不同纖維作為增強材料，不但可降低成本，且其混合效應超過一般的混合規(guī)律。航空中的結構成本，且其混合效應超過一般的混合規(guī)律。航空中的

40、結構件、工業(yè)用機器人、海洋開發(fā)用的結構材料、汽車片彈簧件、工業(yè)用機器人、海洋開發(fā)用的結構材料、汽車片彈簧和驅動軸等，將越來越多采用和驅動軸等，將越來越多采用混合纖維增強復合材料混合纖維增強復合材料。-由碳纖維和環(huán)氧樹脂結合而成的復合材料，由碳纖維和環(huán)氧樹脂結合而成的復合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。因為航天飛行器的重量的進的航空航天材料。因為航天飛行器的重量的減少可大大減輕運載火箭的重量。同樣，飛機減少可大大減輕運載火箭的重量。同樣，飛機重量的減輕也可以節(jié)省油耗，提高航速。有一重量的減輕也可以節(jié)省油耗，提高航速。有一種垂

41、直起落戰(zhàn)斗機，它所用的碳纖維復合材料種垂直起落戰(zhàn)斗機，它所用的碳纖維復合材料已占全機重量的已占全機重量的1/41/4，占機翼重量的，占機翼重量的1/31/3。據(jù)報。據(jù)報道，美國航天飛機上道，美國航天飛機上3 3只火箭推進器的關鍵部只火箭推進器的關鍵部件的噴嘴以及先進的件的噴嘴以及先進的MXMX導彈發(fā)射管等，都是用導彈發(fā)射管等，都是用先進的碳纖維復合材料制成的。先進的碳纖維復合材料制成的。（1 1） 主要是主要是橋梁和抗震補強材料橋梁和抗震補強材料，在日本和臺灣省大地震后，需求量大增。在日本和臺灣省大地震后，需求量大增。 另外，伴隨著信息社會的發(fā)達，出現(xiàn)了機密另外，伴隨著信息社會的發(fā)達，出現(xiàn)了機

42、密泄露和通過內外部的各種情報、通信設備而相互泄露和通過內外部的各種情報、通信設備而相互干擾等社會問題，其對策便是利用干擾等社會問題，其對策便是利用碳纖維網(wǎng)格混碳纖維網(wǎng)格混入混凝土中形成電磁波屏蔽墻入混凝土中形成電磁波屏蔽墻加以解決。加以解決。 此外，碳纖維管制的此外，碳纖維管制的桁梁構架屋頂桁梁構架屋頂，比鋼制，比鋼制品輕品輕1/21/2，使大型結構物達到了實用化的水平，使大型結構物達到了實用化的水平，而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。而且施工效率和耐震性能得到了大幅度提高。（2 2）天然纖維復合材料天然纖維復合材料在汽車工業(yè)在汽車工業(yè)中主要用于車門內裝飾板、司機用雜物箱、貨中主要用于車

43、門內裝飾板、司機用雜物箱、貨車車廂地板、備胎蓋、座位靠背。還可以用于車車廂地板、備胎蓋、座位靠背。還可以用于儀表板、座椅扶手、儀表板雜件箱、后擱物架、儀表板、座椅扶手、儀表板雜件箱、后擱物架、車頂內村、遮陽板、座椅架行李倉裝飾板、座車頂內村、遮陽板、座椅架行李倉裝飾板、座椅頭枕襯墊等。椅頭枕襯墊等。 相關數(shù)據(jù)顯示，北美地區(qū)相關數(shù)據(jù)顯示，北美地區(qū)2000200020052005年間年間天然纖維復合材料汽車零部件的平均年增長率天然纖維復合材料汽車零部件的平均年增長率為為5050左右。左右。20052005年，汽車工業(yè)對天然纖維的年，汽車工業(yè)對天然纖維的年需求量超過年需求量超過4.54.5萬噸。萬噸

44、。汽車零部件纖維種類聚合物纖維含量，% 車門板/襯墊洋麻/大麻，50/50聚丙烯50木纖維聚丙烯50雜物箱/后擱物架洋麻聚丙烯50亞麻聚丙烯50木纖維酚醛樹脂85座位靠板/貨車車廂地板亞麻聚丙烯50備胎蓋/車身后壁板亞麻聚丙烯50木纖維聚丙烯50其它內裝飾板 洋麻聚丙烯50亞麻聚丙烯50（3 3） 由由東邦人造絲東邦人造絲首先產(chǎn)業(yè)化和上市，具有首先產(chǎn)業(yè)化和上市，具有起吸附作用的微孔，吸脫附速度快，在起吸附作用的微孔，吸脫附速度快，在低濃度下的吸附性能優(yōu)良，可用于清酒低濃度下的吸附性能優(yōu)良，可用于清酒的脫色、凈化器濾材等。的脫色、凈化器濾材等。（4 4） 作為深海作為深海海底油田的輸送管，具有輕

45、、強、耐腐海底油田的輸送管，具有輕、強、耐腐蝕等特性。此外，平臺支架、鉆井套管蝕等特性。此外，平臺支架、鉆井套管等也需等也需CFRPCFRP（碳纖維增強熱固性樹脂）（碳纖維增強熱固性樹脂）材料。材料。99 世界碳纖維的主要生產(chǎn)商為日本的世界碳纖維的主要生產(chǎn)商為日本的東麗、東邦人造絲、三菱人造絲三大集東麗、東邦人造絲、三菱人造絲三大集團和美國的卓爾泰克（團和美國的卓爾泰克（ZOLTEK）、阿）、阿克蘇（克蘇（AKZO）、阿爾迪拉（）、阿爾迪拉（ALDIL1）和德國的和德國的SGL公司等。其中日本三大集公司等。其中日本三大集團占世界生產(chǎn)能力的團占世界生產(chǎn)能力的75。世界。世界CT型碳型碳纖維總生產(chǎn)

46、能力為纖維總生產(chǎn)能力為22100噸噸/年；年；LT型碳型碳纖維總生產(chǎn)能力為纖維總生產(chǎn)能力為9550噸噸/年，實際生產(chǎn)年，實際生產(chǎn)量約為量約為7000噸噸/年。年。（5 5） 歐洲的風力發(fā)歐洲的風力發(fā)電翼片都采用電翼片都采用CFRPCFRP材料，而隨著其大型材料，而隨著其大型化，考慮到化，考慮到20-40m20-40m長的翼片其強度和質長的翼片其強度和質量，已開始采用量，已開始采用CFRPCFRP。（6 6） CFRPCFRP和和CFRPTCFRPT（碳纖維增強（碳纖維增強熱塑性樹脂）可用于印刷軸承、凸輪、熱塑性樹脂）可用于印刷軸承、凸輪、殼體、殼體、VTR(VTR(影象錄放器影象錄放器) )、

47、CDCD部件、齒輪、部件、齒輪、制動器、泵、照相機部件、眼鏡架等，制動器、泵、照相機部件、眼鏡架等，目前目前CFRPTCFRPT還用得很少。還用得很少。1011.11 復合材料飛機構件的特點復合材料飛機構件的特點 1.11.1 復合材料飛機構件復合材料飛機構件： 根據(jù)復合材料飛機構件的形式、增強劑、所用的原材料根據(jù)復合材料飛機構件的形式、增強劑、所用的原材料 可以分為三個方面：可以分為三個方面： 1. 1. 不同類型構件不同類型構件 (1)(1)由梁、肋、長桁、框、壁板組成的或一次固化成形的機體構由梁、肋、長桁、框、壁板組成的或一次固化成形的機體構件件，目前應用最廣泛。零件可以分散制造，成形工

48、藝簡單，質量，目前應用最廣泛。零件可以分散制造，成形工藝簡單，質量良好。良好。 (2)(2)用于承受軸向拉、壓載荷及扭矩的管狀構件用于承受軸向拉、壓載荷及扭矩的管狀構件，如飛機操縱桿，如飛機操縱桿。 (3)(3)操縱面上普遍使用的夾層結構操縱面上普遍使用的夾層結構，如方向舵面，副翼翼面等。，如方向舵面，副翼翼面等。夾層結構的芯子可以由不同材料組成，如硬質泡沫塑料、蜂窩芯夾層結構的芯子可以由不同材料組成，如硬質泡沫塑料、蜂窩芯子等。子等。夾層結構的特點在于比剛度和比強度高，能承受均布的氣夾層結構的特點在于比剛度和比強度高，能承受均布的氣動力，所以在飛機上的活動操縱面上使用很合適動力，所以在飛機上

49、的活動操縱面上使用很合適。1022. 2. 不同種類增強劑制造的構件不同種類增強劑制造的構件 復合材料飛機結構件的增強劑主要限于硼、復合材料飛機結構件的增強劑主要限于硼、碳及碳及KevlarKevlar的連續(xù)纖維。的連續(xù)纖維。硼纖維有優(yōu)秀的機械性硼纖維有優(yōu)秀的機械性能，但價格昂貴，纖維直徑較粗，零件成形時限能，但價格昂貴，纖維直徑較粗，零件成形時限制比碳纖維多，至今使用不廣。制比碳纖維多，至今使用不廣。在美國的在美國的F-111F-111、F-14F-14及法國的幻影及法國的幻影20002000等飛機上，碳纖維的使用等飛機上，碳纖維的使用量占首位。碳纖維品種規(guī)格齊全，可根據(jù)設計要量占首位。碳纖維品種規(guī)格齊全，可根據(jù)設計要求選用，價格也比硼纖維便宜。求選用，價格也比硼纖維便宜。KevlarKevlar纖維具有纖維具有很高的抗拉強度，密度小，韌性好，但抗壓模量很高的抗拉強度，密度小，韌性好，但抗壓模量低，在主受力構件中應用受到限制。但與其它纖低，在主受力構件中應用受到限制。但與其它纖維混用，可以改善層壓板性能。維混用，可以改善層壓板性能。103在復合材料構件中使用的主要增強劑有：在復合材料構件中