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复合材料,是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的用量已成为衡量军用装备先进性的重要标志。复合材料的兴起丰富了现代材料家族,尤其是具备高强度、高模量、低比重碳纤维增强复合材料的出现,使其成为各类军民装备重要的候选材料之一。

复合材料的分类

复合材料可以根据基体材料类别、增强材料形态、复合材料功能的不同来进行分类。

1、按基体材料类别,复合材料可分为金属基、有机非金属基与无机非金属基,如树脂基、铝基、钛基复合材料等;

2、按增强材料形态,复合材料可分为纤维增强、颗粒增强、短纤维增强、片状增强等,如纳米碳管、碳纤维复合材料等;

3、按材料功能,复合材料可分为结构复合材料、功能复合材料及智能复合材料,如导电复合材料、光导纤维、形状记忆合金等。

复合材料的的特性

与普通材料相比,复合材料具有许多特性,可改善或克服单一材料的弱点,充分发挥各材料的优势,并赋予材料新的性能;可按照构件的结构和受力要求,给出预定的分布合理的配套性能,进行材料最佳性能设计等。

具体表现在:

1、高比强度和髙比模量。复合材料的突出优点是比强度和比模量高。如碳纤维增强树脂复合材料的比模量比钢和铝合金高5倍,比强度比钢和铝合金也高3倍以上。

2、耐疲劳性高。纤维复合材料,特别是树脂基复合材料对缺口、应力集中敏感性小,而且纤维和基体的界面可以使扩展裂纹尖端变钝或改变方向,即阻止了裂纹的迅速扩展,因而疲劳强度较髙,碳纤维不饱和聚酯树脂复合材料疲劳极限可达其拉伸强度的70%~80%,而金属材料只有40%~50%。

3、抗断裂能力强。纤维复合材料中有大量独立存在的纤维,一般每平方厘米上有几千到几万根,由具有韧性的基体把它们结合成整体,当纤维复合材料构件由于超载或其他原因使少数纤维断裂时,荷载就会重新分配到其他未断裂的纤维上,使构件不至于在短时间内发生突然破坏。因此复合材料都具有比较高的抗断裂韧性。

4、减振性能好。结构的自振频率与结构本身的质量和形状有关,并与材料比模量的平方根成正比。若材料的自振频率高,就可避免在工作状态下产生共振及由此引起的早期破坏。

5、耐高温性能好,抗蠕变能力强。由于纤维材料在高温下仍能保持较高的强度,所以纤维增强复合材料,如碳纤维增强树脂复合材料的耐热性比树脂基体有明显提高。而金属基复合材料在耐热性方面更显示出其优越性,如铝合金的强度随温度的增加下降很快,而用石英玻璃增强铝基复合材料,在500°C下能保持室温强度的40%。碳化硅纤维、氧化铝纤维与陶瓷复合,在空气中能耐1200~1400°C的高温,要比所有超髙温合金的耐热性高出100°C以上。

6、耐腐蚀性好。很多种复合材料都能耐酸碱腐蚀,如玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料,在含氯离子的酸性介质中能长期使用,可用来制造耐强酸、盐、酯和某些溶剂的化工管道、泵、阀、容器和搅拌器等设备。

7、较优良的减摩性、耐磨性、自润滑性。由于复合材料构件制造工艺简单,表现出良好的工艺性能,所以适合整体成型。在制造复合材料的同时,也就获得了制件,从而减少了零部件、紧固件和接头的数目,并可节省原材料和工时。

复合材料在航空国防领域的发展及应用

复合材料的发展对航空装备的发展有着重要意义。飞机性能一半取决于设计,另一半取决于材料。材料的优劣对速度、高度、航程、机动性、隐身性、服役寿命、安全可靠性、可维修性等性能起无可置疑的重大影响。根据统计,飞机减重中有70%是由航空材料技术进步贡献的。使用碳纤维增强树脂基复合材料的飞机,在减轻飞机重量、减少燃油、减少维修成本和延长飞机使用寿命上有明显优势。

1、军用飞机

目前世界先进军机中复合材料用量占全机结构重量的20%-50%不等,主要应用复合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、机翼、中前机身等。如果复合材料占飞机总重量的50%左右,则全机绝大部分结构件由复合材料制成,如B-2隐形轰炸机。

2、民用飞机

复合材料在民机的应用大概经历了4个过程。

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第一个阶段,20世纪70年代中期,复合材料主要应用于受力较小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件上。

第二个阶段,20世纪80年代中期,复合材料主要应用在受力较小的升降舵、襟副翼等构件。

第三个阶段,复合材料应用在受力较大的垂尾、平尾等构件上。例如波音777飞机的垂尾、平尾都采用了复合材料,复合材料占结构总重量的11%。

第四个阶段,复合材料在飞机最主要受力部件机翼、机身上得到应用。波音787梦想飞机的复合材料用量为50%,超过了铝、钢、钛等金属材料重量的总和。

3、直升机

军用、民用和轻型直升机均大量应用碳纤维复合材料,直升机复合材料用量已达到结构重量的40%-60%。例如,美国武装直升机RAH-66的复合材料使用量为50%;欧洲NH-90直升机的复合材料使用量达到80%,接近全复合材料结构。

4、无人机

军用无人机对减重有着迫切的需求,因此复合材料大量应用于无人机上。例如,美国X-45系列飞机的复合材料用量达90%以上;X-47系列飞机基本上为全复合材料飞机,“全球鹰”无人侦察机复合材料用量达65%,其中机翼、尾翼、后机身、大型雷达罩等均由复合材料制成;欧洲的试验无人机“梭鱼”、美国远程攻击无人机“臭鼬”等的情况也基本如此。

5、航空发动机

复合材料的用量和占比也成为衡量航空发动机先进程度的一个度量。树脂基复合材料优异的比强度和比模量性能对于高推比航空发动机的减重、提高推进效率、降低噪声和排放以及降低成本等都具有重要意义,主要应用在航空发动机的冷端部件上,工作温度在150-200℃以下,例如涡扇发动机压气机叶片、导向叶片及其框架组件、涡扇发动机鼻锥及整流装置等。

在热端部件上,由于高温等特殊条件的要求,金属基、陶瓷基及碳/碳复合材料有着重要应用。

SiC长纤维增强钛基复合材料(Ti-MMC)具有高比强度、高比刚度、耐高温、抗疲劳性好和蠕变性能好的优点,Ti-MMC叶环代替压气机盘可使零部件减重70%。未来航空发动机压气机叶片和镜子叶片、整体叶环、机匣和涡轮轴等都将采用金属基复合材料进行制造。陶瓷基复合材料一直是高温材料研究的重点,精细陶瓷和氮化硅制造的发动机部件可以在1371℃温度下工作,性能甚至优于高温合金。

6、其他国防军工行业

纤维增强复合材料具有放热、隔热、耐高温等特性,广泛的应用于航天工业上。

高强度玻璃纤维树脂基复合材料可以用作多管远程火箭弹和空空导弹结构材料和耐烧蚀隔热材料,实现了喷管收敛段、扩张段和尾翼架整体化,大大减轻了武器质量,提高战术性能。

碳纤维复合材料在固体火箭发动机上也得到了较好的应用,很多导弹型号均采用了复合材料的固体火箭发动机。美国的战略导弹MX导弹、俄罗斯战略导弹“白杨”M导弹等均采用了先进复合材料的发射筒。

舰船复合材料技术也有迅速的发展,已基本达到了实际应用水平,简化制造、降低成本成为当前技术的重点。美国海军装备已经大量应用复合材料。英国海军的驱逐舰也安装了夹芯结构复合材料的综合桅杆,具有隐身、减少天线维护等特点。

我国航空复合材料发展

中国从20世纪60年代开始进行复合材料在飞机结构上应用的研究,70年代中期研制成功了复合材料战斗机进气道壁板,1985年带有复合材料垂尾的战斗机成功首飞,1995年成功研制带有整体油箱的复合材料机翼。

目前,国内几乎所有在役军机均在不同部件上采用了复合材料。目前国内形成了以环氧、双马和聚酰亚胺为主要集体的复合材料体系,以热熔预浸制造技术和热压罐成形技术为主的复合材料成型技术体系。我国航空树脂基复合材料的力学性能已经初步满足主承力结构的要求,结构——功能一体化工作尚在预研,低成本技术仍然比较薄弱。航空树脂基复合材料在现役飞机上的应用包括前机身、垂尾、平尾、副翼、方向舵、鸭翼、腹鳍、机翼隔板、各种口盖等。在直升机上的应用主要包括旋翼、垂尾、机身和尾桨等。

在新一代军机上,复合材料主要应用在机翼、鸭翼、尾翼、垂尾、中机身壁板、腹鳍、武器舱门等,用量达到结构重量的19%。大型运输机的复合材料用量在10%左右,主要用在垂尾、平尾、方向舵、升降舵、襟翼、副翼、蒸馏张等。新一代直升机的复合材料用量在34%左右,主要有斜梁、平尾、整流罩、蒙皮、尾梁、中机身侧壁板等,部分承力结构对复合材料的使用使得复合材料的应用规模有了本质改变。

预计随着相关复合材料和结构材料技术的突破,未来国产军机中复合材料用量将提高到25%左右,减重效率由20%提高到30%,在机翼、机身等主承力结构上更多的采用复合材料,减重的同时将充分发挥复合材料耐腐蚀、隐身、保形天线等优势。

审核编辑 :李倩

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