先进复合材料在航空航天领域的研发与应用.pdf

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1、第 16卷?第 5期2 0 0 8年 10月?材?料?科?学?与?工?艺MATERI ALS SCIENCE&TECHNOLOGY?Vo l?16 N o?5O ct.,2008?先进复合材料在航空航天领域的研发与应用沈?军1,2,谢怀勤1(1.哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院,哈尔滨 150001,E?mai:l shenjun ;2.哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院,哈尔滨 150001)摘?要:先进复合材料以其比强度比模量高、耐高温性能好、耐疲劳性能优越等独特优点获得广泛应用和迅速发展.为了解当前先进复合材料在航空航天领域的应用发展现状,并促进我国航空航天用先进复合材料技术的发展

2、,从材料、制备工艺技术、国内外发展形势等角度对先进复合材料在航空航天领域的研发及应用进展进行了全面系统的回顾与总结,并探讨了今后的发展与研究方向,以供该领域工程人员参考.关键词:先进复合材料;航空航天;高性能低成本;先进制造工艺中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:1005-0299(2008)05-0737-04Development of research and application of the advanced co mpositematerials in the aerospace engineeringSHEN Jun1,2,XIE Huai?qin1(1.School

3、ofM aterials Science and Engineering,Harbin Institute ofTechnology,Harbin 150001,China,E?mai:l shenjun ;2.School ofM aterials Science and ChemicalEngineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)Abstract:Advanced composite materials(ACM)have attracted extensive attentions and shown rapi

4、d develop?ment because of their excellent characteristics,such as high specific strength and specific modulus,good highte mperature resistance,good fatigue resistance and so on.To understand the develop ment ofACM application inaerospace engineering and i mprove ACM technology used for our aerospace

5、 industry,recent research and appli?cation development of ACM in aerospace engineering are reviewed comprehensively,according to different as?pects of their constituent materials,manufacturing process technology,domestic and overseas developments.Some future trends are also addressed in order to pro

6、vide the references to the future study for engineers in thisfield.Key words:advanced composite m aterials(ACM);aerospace;high performance and low cos;tadvancedmanufacturing technology收稿日期:2006-01-16.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475034).作者简介:沈?军(1973-),女,博士,副教授;谢怀勤(1939-),男,教授,博士生导师.?先进复合材料(Advanced Composit

7、eM ateri?als,ACM)成功地用于航空航天领域仅有 20多年的历史.它具有比强度比模量高、可设计性强、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能优越以及便于大面积整体成型等显著优点,显示出比传统钢、铝合金结构材料更优越的综合性能,在飞机上已获得大量应用,可实现飞机结构相应减重 25%30%1,2.作为 21世纪的主导材料,先进复合材料的用量已成为飞机先进性,乃至航空航天领域先进性的一个重要标志,是世界强国竞相发展的核心技术,也是我国的重点发展领域.1?研究开发现状1?1?材料ACM是指用高性能纤维、织物、晶须等增强基体材料所制成的高级材料.按基体材料的不同,航空航天上应用较广的 ACM主要包括树脂基复

8、合材料、金属基复合材料、碳基复合材料和陶瓷基复合材料.1?1.1?先进树脂基复合材料先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强体、高性能树脂为基体的复合材料.与传统的钢、铝合金结构材料相比,它的密度约为钢的 1/5,铝合金的 1/2,且比强度与比模量远高于后二者.目前用途最广的主要有碳纤维复合材料(CFRP)和芳纶纤维复合材料(AFRP).CFRP 具有比强度高、耐高温、减振性好、耐疲劳性能优越等突出优点,是目前民用飞机上用量最大,也是航空航天等尖端科技领域发展较为成熟的先进复合材料 3.AFRP热稳定性好,耐介质性能优良,可作为复合装甲材料,有较强的防护力.国外近年致力于将该种材料用于制作军、民

9、用飞机的 光谱屏蔽 材料,其关键性能指标?抗冲击性能相当出色.1?1?2?金属基复合材料金属基复合材料主要是指以 A l、Mg等轻金属为基体的复合材料.在航空和宇航方面主要用它来代替轻但有毒的铍.这类材料具有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性,已成为在许多应用领域最具商业吸引力的材料,并且在国外已实现商品化.而在我国仅有少量批量生产,以汽车及机械零件为主,年产量仅 5000吨左右,与国外差距较大 4.1?1?3?陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料属于耐热结构复合材料.目前美国和西欧各国侧重于对陶瓷基复合材料在航空和军事应用上的研究.美国国防部一直把这项技术列入重点

10、投资项目,仅1992年美国投入陶瓷基复合材料应用研究的经费就高达 3500万美元 5;法国 SEP公司用陶瓷基复合材料制成的 SCD-SEP火箭试验发动机已通过点火试车,并使结构减重 50%6.国内从 20世纪 90年代初开始进行该领域的研究,目前尚未有批量生产的报道.1?2?制造工艺技术在减少飞机和发动机质量工作中,制造技术和材料的贡献率占 70%80%7.复合材料构件成本远远高于铝合金构件的事实,依然是复合材料在航空航天等高科技领域广泛应用的最大阻碍,而制造成本在复合材料构件总成本中所占份额最大.因此,如何突破复合材料的高性能低成本制造技术是目前急待解决的关键性问题之一,对航空航天及其他基

11、础工程建设具有十分重要的现实意义.复合材料的高性能低成本技术主要包括以下几方面内容.1?2?1?RTM 成型工艺树脂传递模塑(RTM)技术特点是低压操作,铺层设计灵活性大,生产周期短,后加工少,表面质量好.改进后的 RTM 技术主要包括树脂传递模塑、真空辅助传递模塑(VARTM)、连续树脂传递模塑(CRTM)和共注射传递模塑(RI RTM)等.1?2?2?预浸料制备和热压罐成型技术预浸料制备技术的研究主要集中在如何使用成本更低的材料和提高预浸料制备的自动化程度.热压罐成型工艺目的是为了提高制品的密实度和层间粘接强度.它与 RTM成型工艺的技术特点比较见表 1.表 1?RT M 和热压罐成型工艺

12、特点比较 1成型工艺RTM 成型热压罐成型工艺性能适合产量设备投入劳动力成本操作性能要求100-5000件中等较高高?1000件很高很高高产品性能复杂程度尺寸表面质量尺寸精度重复性复杂大型构件很好很好很好复杂大型构件单面很好较低一般模具模具材料初始投资模具寿命金属、复合材料等中等视模具材料而定金属、复合材料等中等视模具材料而定1?2?3?低温固化技术低温固化技术是先进树脂基复合材料低成本技术的一个重要发展方向.它能够提高构件的尺寸精度,适宜于大型构件的制造.1996 年美国NASA和 M cDonelDouglas使用 LTM10体系/真空袋成型技术制造了 X36无人战斗机和无人飞机(UAV)

13、的外蒙皮 8.国内有关此项研究起步较晚,北京航空材料研究院最近研制成功了 70?固化,80 100?使用的 LT-01碳纤维增强复合材料树脂体系,并用于制造大型运输机复合材料腹鳍 9.2?国内外应用进展2?1?国外应用发展概况20世纪 90年代后期以来,国际上在复合材料领域出台了许多研究与应用计划,世界各国力图通过材料与低成本设计、工艺的技术突破,占领先进复合材料领域的制高点,获得军事应用与产业发展的先机.如美国领先航空制造商及美国空军材料实验室等正致力于的 CAI(CompositesAf?fordability Initiative)计划,即低成本复合材料计划.该计划目的是降低航空复合材料

14、结构的成本,?738?材?料?科?学?与?工?艺?第 16卷?使得设计工程师能够充分利用复合材料的独特性能,最终目标是降低成本 50%3.2?1?1?ACM在军机上的应用大型军用运输机及战斗机一直是国外研究的重点机型.如 1990年美国研制的第 4代歼击机 F-22,其树脂基复合材料用量达 25%10.而 1997年俄罗斯的第 5代战斗机 S-37?金雕?横空出世,在前掠式机翼及弯曲进气道等独特设计结构中大量采用复合材料,将有效载荷提高 20%25%,生产成本降低 40%60%,并大大改进飞机的综合作战性能 11.先进武装直升机,如法德合作研制的 PAH-2T iger(虎)式武装直升机,复合

15、材料用量占机身结构质量的 45%;而美国最新研制的轻型侦察攻击直升机 RAH-66,复合材料用量更是高达机身结构质量的 51%左右,是目前世界上使用复合材料最多的实用直升机 12,13.先进树脂基复合材料在军机上的具体应用情况见表 2.表 2?复合材料在军用飞机上的应用近况机种国家用量应用部位首飞时间RafaleJ AS-39F-22V-22EF-2000S-37F-35RAH-66J X?J X?J XZ9法国瑞典美国美国欧洲四国俄罗斯美国美国中国中国中国中国40%30%25%45%50%30%51%2%1?7%6%25%机翼、垂尾、机身、副翼、方向舵等机翼、垂尾、前机身、副翼、方向舵、各种

16、口盖等机翼壁板、垂尾、机身蒙皮、方向舵、各种口盖等机翼、机身、发动机悬挂接头、叶片紧固装置等机翼、垂尾、机身、副翼、方向舵等机翼、进气道、机身、保形外挂架等机翼、垂尾、机身蒙皮、方向舵、各种口盖等机身蒙皮、舱门、中央龙骨大梁、整流罩、旋翼等机翼壁板、外翼壁板、主起落护板前机身、垂尾垂尾、副翼、方向舵、鸭翼、腹鳍旋翼、涵道垂尾、尾桨叶、机身等1986年1988年1990年1989年1994年1997年1997年1995年1995年1995年1999年1985年2?1?2?ACM在民航方面的应用进入新世纪以来,复合材料在大型民用客机上的应用急剧升温.如法意联合研制的支线客机ATR-72,由于采用了

17、复合材料机翼,用量高达20%.而最新研制并已投入运营的 A380采用了22%AC M,单机用量达到 29937 kg 14.图 1 为ACM在空中客车中的应用历程,可以看到,其应用比例逐年递增,这也代表了未来民用客机独特发展技术方向的平台.由国外完成的市场调查表明,尽管复合材料应用中尚存在问题,但航空航天工业的复合材料用量仍以平均每年 9%的速度增长 15.随着航空器向高空、高速、信息化、智能化发展,复合材料在未来航空武器中的重点机型上将继续扮演主要角色.2?2?国内应用概况目前我国已建立了航空航天材料的基本体系,形成了可以满足航空航天需求的生产能力和协作配套网络,所需材料基本实现国产化.但在

18、一些高性能复合材料方面的研究与世界先进国家相比仍存在明显的差距,高模量的碳纤维和芳纶纤维长期依赖进口,价格居高不下,已成为制约我国图 1?ACM 在空中客车中的应用历程(HTP:水平尾翼,VTP:垂直尾翼,LG:起落架)14?739?第 5期沈?军,等:先进复合材料在航空航天领域的研发与应用航空航天技术发展的重要因素 16.2?2?1?ACM在军机上的应用从表 2可以看到,我国对于树脂基复合材料在军用飞机上的应用研究起步较晚,与国外发达国家的差距较大.北京航空制造工程研究所对我国自行设计研制的中型战斗轰炸机 FBC-1全复合材料平尾翼尖配重形式进行了优化,不仅提高了其承载能力和可靠性,而且显著

19、降低成本并减重 24%17.哈飞集团于 1985年引进法国?海豚?生产专利,实现国产化 4吨级轻型多用途直升机的研发,其复合材料用量高达 25%18.此后,我国复合材料在航空航天及军事领域,如轻型飞机、卫星天线、火箭喷管等方面均取得重大突破 19.2?2.2?ACM 在民航方面的应用1987年我国大量引进国外先进技术,形成了从研究、设计、生产及原材料配套的完整工业体系.2001年我国首件飞机复合材料水平尾翼在航空 603所完成设计,除达到减重 24%外,气动特性也得到较大改善,标志着我国复合材料结构设计水平跃上了一个新台阶 20.目前,我国的液态成型复合材料技术已取得进展,如北京航空材料研究院

20、制备了中机身液态成型树脂基复合材料剪切梁 9.应该看到,我国航空航天用复合材料的应用水平与国外存在相当大的差距.我国军机用先进复合材料的用量比欧美低一个数量级,达到适航要求、非引进的我国民用航空先进复合材料甚至还未出世.制约上述科技进步的根本在于对先进复合材料制造的关键科学技术问题还未突破,基础研究投入严重不足,导致复合材料技术落后、结构设计水平低、产品质量稳定性差、制造周期长等现状的存在.3?展?望鉴于世界材料的发展趋势和目前我国对航空航天用先进复合材料及其先进制造技术的迫切需求,今后应该从我国实际出发,由盲目引进和模仿转变为自主研发和创新.应重点突破的关键技术有:1)应尽早建立起具有自主知

21、识产权的关键材料体系,包括增强材料体系和树脂基体体系;2)以面向市场和应用为主,强调材料研制及其制备工艺的可行性,积极开展关键材料的多功能一体化、关键加工成型技术、复合材料配套技术及低成本技术等方面的开发和研究;3)开发材料设计及制备过程的计算机模拟软件,对产品设计和成型工艺进行优化,提高产品的先进性、可靠性,并最大限度的降低成本.参考文献:1 陈祥宝.先进复合材料低成本制造技术 M.北京:化学工业出版社,2004.2-18.2 田宗若.复合材料中的数学力学方法 M.北京:国防工业出版社,2004.1-20.3 科学研究动态监测中心.战略高技术研究动态监测快报 R.成都:中科院成都文献情报中心

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