碳纖維復合材料在航空航天領域的應用課件

纖維增強復合材料在航天航空領域應用戴福洪哈爾濱工業(yè)大學復合材料與結構研究所2011,08提綱引言碳纖維復合材料在航天應用碳纖維復合材料在航空應用國產碳纖維復合材料應用基礎研究進展結語鋁合金復合材料鈦合金鋼引言

高比強高比模的碳纖維復合材料成為航空航天器用的最重要結構材料之一引言大幅度減重可設計性結構整體優(yōu)化降低全壽命成本20％－30％

增加有效載荷提升飛行器功能增大航程、降低油耗翼身融合、整體成型減少零件數(shù)前掠翼、顫振、承力/隱身一體化應用效益B787機體維護成本與B767相比大幅下降R.ByronPipes，ICCM-16復合材料研究領域1970-20002000-2010纖維高強/低成本高性能有機纖維樹脂增韌/高溫RTM樹脂復合材料力學材料/結構相互作用漸進損傷耐久性壽命預報預埋器件環(huán)境考慮濕熱煙毒工藝與制造非熱壓罐預浸料RTM凈成型應用高效減重復合材料機翼、機身成本效益降低全壽命成本制造成本設計方法多尺度計算方法虛擬設計與制造驗證積木式方法凈成型結構驗證TheEvolutionofComposites引言碳纖維復合材料在航天應用以高性能碳(石墨)纖維復合材料為典型代表的先進復合材料作為結構、功能或結構/功能一體化構件材料，在導彈、運載火箭和衛(wèi)星飛行器上也發(fā)揮著不可替代的作用。其應用水平和規(guī)模已關系到武器裝備的跨越式提升和型號研制的成敗。碳纖維復合材料的發(fā)展推動了航天整體技術的發(fā)展。碳纖維復合材料主要應用于導彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動機殼體的結構部件和衛(wèi)星主體結構承力件上衛(wèi)星和空間站高模量碳纖維質輕，剛性，尺寸穩(wěn)定性和導熱性好，很早就應用于人造衛(wèi)星結構體、太陽能電池板和天線中。現(xiàn)今的人造衛(wèi)星上的展開式太陽能電池板多采用碳纖維復合材料制作，而太空站和天地往返運輸系統(tǒng)上的一些關鍵部件也往往采用碳纖維復合材料作為主要材

料

導彈導彈發(fā)射筒采用先進復合材料保守估計可降低重量30%，對于提高地面生存能力至關重要，同時，復合材料的耐環(huán)境腐蝕、耐疲勞性能優(yōu)異等特點，可以顯著提高發(fā)射筒的重復使用壽命，降低發(fā)射成本動力系統(tǒng)美國、日本、法國的固體發(fā)動機殼體主要采用碳纖維復合材料，美國三叉戟-2導彈、戰(zhàn)斧式巡航導彈、大力神一4火箭、法國的阿里安一2火箭改型、日本的M-5火箭等發(fā)動機殼體，其中使用量最大的是美國赫克里斯公司生產的抗拉強度為5.3GPa的IM-7碳纖維，性能最高的是東麗T-800纖維，抗拉強度5.65Gpa、楊氏模量300GPa

碳纖維復合材料在航空應用飛機發(fā)展目標高比強可設計抗疲勞多功能耐腐蝕先進樹脂基復合材料輕量化高可靠長壽命高效能結構/功能第三階段（90年代末開始）受力復雜規(guī)模大中機身段、中央翼盒A380中央翼盒用量25%B787機身用量50%第四階段（21世紀初開始）起落架用復合材料F-16起落架后撐桿NH-90直升機起落架受力很大代替鋼結構艙門、口蓋、整流罩、方向舵、襟副翼、雷達罩、起落架艙門第一階段（70年代初完成）受載不大簡單零部件第二階段（80年代初開始）尾翼(垂尾、平尾)、前機身段、機翼F－14硼/環(huán)氧復合材料平尾F/A-18機翼用量13％AV-8B

機翼和前機身

用量26%承力大規(guī)模較大國外航空復合材料發(fā)展歷程MirageF18CDC17AV8BRafaleF18E/FUCAVEuroFighterF35F/A22B2A-380A-320A-340A-330F15787PremierHorizon用量發(fā)展情況飛機結構復合材料用量是飛機先進性的重要標志F2225%F3535%EF200040%F162%軍機應用Tiger80%直升機應用V-22

50%無人機應用全球鷹（GlobalHawk）捕食者(Predator）暗星（DarkStar）先鋒（Pioneer）搜索者（Searcher）X-45C90%Predator民機應用——A380復合材料22%Glare3%鋁61%鈦和鋼10%其他5%

機身結構機翼結構民機應用——B787機翼結構中央翼盒Boeing787第一個全尺寸復合材料機身段，長7m寬6m，減重20%民機應用——B7872000年2020年（預測）應用趨勢——復合材料成為飛機結構最為重要的基本材料飛機機體結構材料國產碳纖維復合材料應用基礎研究國產碳纖維復合材料航空結構應用標準指導高效可靠應用支撐纖維樹脂界面改進提高國產碳纖維高效可靠應用復合材料性能轉化

性能評價外翼穩(wěn)定性逐步提高與進口碳纖維水平相當?shù)诙A段：2007年05月—2008年02月拉伸強度拉伸模量第一階段：2005年06月—2007年04月第三階段：2008年03月—2009年05月碳纖維性能分散性的發(fā)展CCF300單絲的綜合力學性能測試常規(guī)性能測試拉伸模量、拉伸強度、斷裂延伸率綜合力學性能測試碳纖維壓縮強度碳纖維斷裂韌性碳纖維單絲的拉伸性能碳纖維泊松比壓縮強度(GPa)拉伸強度(GPa)CCF3002.293.28T3002.023.53T700SC2.455.30M40JB2.074.46M55JB1.684.08CCF300CCF300斷裂截面強度：