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第二章复合材料在飞机上的应用综述

第一篇：第二章复合材料在飞机上的应用综述课题图1复合材料制作的零部件图2民用大型飞机复合材料分布图1.复合材料的应用特点随着航空航天科学技术的不断进步,促进了新材料的飞速发展,其中尤以先进复合材料的发展最为突出。目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、芳纶等增强的复合材料,耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料,隐身复合材料,梯度功能复合材料等。飞机和卫星制造材料要求质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀,这些苛刻的条件,只有借助新材料技术才能解决。复合材料具有质量轻,较高的比强度、比模量,较好的延展性,抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温,独特的耐烧蚀性、透电磁波,吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点,是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。2.飞机机身上的应用2.1.飞机机身结构上的应用先进复合材料用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前被大量地应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体结构制造上。飞机用复合材料经过近40年的发展,已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件,可获得减轻质量(20~30)%的显著效果。目前已进入成熟应用期,对提高飞机战术技术水平的贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑,其设计、制造和使用经验已日趋丰富。迄今为止,战斗机使用的复合材料占所用材料总量的30%左右,新一代战斗机将达到40%;直升机和小型飞机复合材料用量将达到(70~80)%左右,甚至出现全复合材料飞机。“科曼奇”直升机的机身有70%是由复合材料制成的,但仍计划通过减轻机身前下部质量,以及将复合材料扩大到配件和轴承中,以使飞机再减轻15%的质量。“阿帕奇”为了减轻质量,将采用复合材料代替金属机身。使用复合材料,未来的联合运输旋转翼(JTR)飞机的成本将减少6%,航程增加55%,或者载荷增加36%。以典型的2.2.飞机隐身上的应用近几十年来,隐身复合材料的研究取得了长足进展,正朝着“薄、轻、宽(频谱)、强(耐冲击、耐高温)”方向发展。美国最先将隐身材料用在飞机上,用隐身材料最多的是F-117和F-22飞机。F-117的隐身涂层十分复杂,有7种材料之多。例如,它的机身、机翼、副翼及尾翼等采用了瓦片状吸波材料,为了加固这种瓦片状材料在底层采用了Filcoat材料,它是碳纤维增强的环氧预浸带,用自动铺带法叠在吸波涂层下面。2000年,美空军对F-117的隐身材料进行更新,将原来的7种隐身材料涂层更换为1种,全部F-117将具有通用的维修程序和雷达波吸收材料,技术规程的数量减少大约50%。改进后F-117的每飞行小时维修时间缩短一半以上,全部52架F-117的年维护费用从1450万美元降至690万美元。F-22不采用全机涂覆吸波涂层的方法,但在机身内外的金属件上全部采用了铁氧体吸波涂层,它是一种有韧性的耐磨涂料,较之F-117的涂料易于喷涂且耐磨。专家预测到本世纪30代,导电高分子电致变色材料、掺杂氧化物半导体材料、纳米复合材料和智能隐身等复合材料将实际用于飞机,它将使飞机的航电系统及控制方式发生根本性的变化。3.航空发动机上的应用3.1.涡轮发动机上的应用由于具有密度小、比强度高和耐高温等固有特性,复合材料在航空涡轮发动机上应用的范围越来越广且比例越来越大,使航空涡轮发动机向“非金属发动机”或“全复合材料发动机”方向发展。(1)树脂基复合材料凭借比强度高,比模量高,耐疲劳与耐腐蚀性好,阻噪能力强的优点,树脂基复合材料在航空发动机冷端部件(风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱、反推力装置等部件上得到广泛应用。如JTAGG验证机的进气机匣采用碳纤维增强的PMR15树脂基复合材料,比采用铝合金质量减轻26%;F136发动机采用与F110-132发动机相似的复合材料风扇机匣,使质量减轻9kg。(2)碳化硅纤维增强的钛基复合材料凭借密度小(有的仅为镍基合金的1/2),比刚度和比强度高,耐温性好等优点,碳化硅纤维增强的钛基复合材料在压气机叶片、整体叶环、盘、轴、机匣、传动杆等部件上已经得到了广泛应用。(3)陶瓷基复合材料目前主要的陶瓷基复合材料产品是以SiC或C纤维增强的SiC和SiN基复合材料。凭借密度较小(仅为高温合金的1/3~1/4),力学性能较高,耐磨性及耐腐蚀性好等优点,陶瓷基复合材料,尤其是纤维增强陶瓷基复合材料,已经开始应用于发动机高温静止部件(如喷嘴、火焰稳定器),并正在尝试应用于燃烧室火焰筒、涡轮转子叶片、涡轮导流叶片等部件上。3.2.火箭发动机上的应用由于火箭发动机喷管壁受到高速气流的冲刷,工作条件十分恶劣,因此C/C最早用作其喷管喉衬,并由二维、三向发展到四向及更多向编织。同时火箭发动机设计者多年来一直企图