復(fù)合材料力學(xué)講義課件

1、復(fù)合材料力學(xué)1課程說明工程力學(xué)/固體力學(xué)專業(yè)課時(shí)：36學(xué)時(shí)任課教師：梁軍聯(lián)系方式0451-8641261313936493570參考教材R. M. 瓊斯：復(fù)合材料力學(xué)（中、英文）沈觀林、胡更開：復(fù)合材料力學(xué)，清華大學(xué)出版社王震鳴：復(fù)合材料力學(xué)與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)Stephen W. Tasi：復(fù)合材料設(shè)計(jì)李順林：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法J. R. Vinson: The Behavior of Structures Composed of Composite Materials課程設(shè)置目的和學(xué)習(xí)方法What are the classes and types of comp

2、osites and structures? Why are composites used instead of metals, ceramics, or polymers?How do we estimate composite stiffness & strength or other properties ?What are some typical applications?興趣、責(zé)任課程設(shè)置目的和學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)目的復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)概念和內(nèi)涵為什么要學(xué)習(xí)復(fù)合材料力學(xué)?主要學(xué)習(xí)什么內(nèi)容?如何去用這些知識(shí)?學(xué)習(xí)方法概念清晰、基礎(chǔ)扎實(shí)力學(xué)與材料相結(jié)合微觀與宏觀相結(jié)合試驗(yàn)測量與理論分析模型相結(jié)

3、合從實(shí)踐中來，回到實(shí)踐中去復(fù)合材料力學(xué)的相關(guān)課程材料力學(xué)復(fù)合材料學(xué)復(fù)合材料力學(xué)彈性力學(xué)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法復(fù)合材料動(dòng)力學(xué)非線性復(fù)合材料力學(xué)柔性復(fù)合材料力學(xué)編織復(fù)合材料力學(xué)固體力學(xué)范疇復(fù)合材料力學(xué)的相關(guān)課程固體力學(xué)：結(jié)構(gòu)受力分析與材料的力學(xué)性能彈性力學(xué) 材料力學(xué)材料學(xué)：從材料的物理、化學(xué)性質(zhì)、材料工藝、結(jié)構(gòu)、組分的角度復(fù)合材料學(xué)復(fù)合材料力學(xué)的相關(guān)課程宏觀力學(xué)假設(shè)材料是均質(zhì)的，只從復(fù)合材料的平均表觀性質(zhì)來檢驗(yàn)組份材料的作用微觀力學(xué)從微觀的角度檢驗(yàn)組份材料之間相互影響研究復(fù)合材料的性能細(xì)觀力學(xué)方法固體力學(xué)與材料科學(xué)之間的交叉科學(xué)，從材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手，研究其與材料力學(xué)性能的關(guān)系用連續(xù)

4、介質(zhì)力學(xué)研究材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)系復(fù)合材料力學(xué)復(fù)合材料力學(xué)研究復(fù)合材料的微觀和宏觀力學(xué)特性、包括剛度、強(qiáng)度、破壞機(jī)理、斷裂、疲勞、沖擊、損傷、應(yīng)力集中、邊界效應(yīng)、環(huán)境響應(yīng)和力學(xué)測試等力學(xué)問題復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形、穩(wěn)定和振動(dòng)等問題復(fù)合材料力學(xué)課程主要內(nèi)容復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)簡介復(fù)合材料的力學(xué)特點(diǎn)及其一般理論簡單層板宏觀力學(xué)性能復(fù)合材料簡單層板剛度與強(qiáng)度的微觀力學(xué)分析方法層合板宏觀力學(xué)性能的分析方法（剛度與強(qiáng)度）復(fù)合材料力學(xué)的拓展與應(yīng)用（1）復(fù)合材料力學(xué)的拓展與應(yīng)用（2）答疑、考試復(fù)合材料自然界中普遍存在著天然復(fù)合材料樹木、骨骼、草莖與泥土復(fù)合等天然材料幾乎都是復(fù)合材料，

5、采取復(fù)合的形式是自然的規(guī)律六千年以前，陜西西安半坡村的仰韶文化住房遺址說明我國古人已經(jīng)開始用草混在泥土中筑墻和鋪地，這種草泥就是最原始的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，它與現(xiàn)代高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料非常相似人的能動(dòng)性 復(fù)合材料歷史曾用材料來劃分人類的文明時(shí)代的四次重大突破天然材料：新石器時(shí)代人工材料：銅器和鐵器時(shí)代合成材料：塑料（1924）、橡膠（1931）復(fù)合材料：玻璃纖維（1942）玻璃纖維增強(qiáng)塑料（Fiber Glass Reinforced Plastics, FRP）：俄文叫 “CTeknonJ1Anhk”（玻璃塑料）。當(dāng)時(shí)中文里沒相應(yīng)的詞，想到材料里有玻璃，強(qiáng)度又高，就叫“玻璃鋼”復(fù)合材料金屬材

6、料的高峰四分天下復(fù)合材料復(fù)合材料是指由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料，它既能保留原有組分材料的主要特色，又通過材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得新的優(yōu)越性能，與一般材料的簡單混合有本質(zhì)的區(qū)別（1994年出版，師昌緒主編材料大辭典）由兩種以上材料組合而成的、物理和化學(xué)性質(zhì)與原材料不同、但又保持某些有效功能一般一種材料作為基體，其他材料作為增強(qiáng)劑一定尺度上的組合微觀尺度上的組合（合金）復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料（Advanced Composite Materials，簡稱ACM）是指加進(jìn)了新的高性能纖維的而區(qū)別于“低技術(shù)”的玻璃纖維增強(qiáng)塑料的復(fù)

7、合材料(美國麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系教授J. P. Clark，1985)以碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能增強(qiáng)材料，并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷等為基體，制成的具有比玻璃纖維復(fù)合材料更好性能的先進(jìn)復(fù)合材料What are advanced composites? Advanced composite materials are refereed to those composite materials developed and used in the aerospace industries. They usually consist of h

8、igh performance fibers as reinforcing phases and polymers or metals as matrices.復(fù)合材料復(fù)合材料經(jīng)歷了古代、近代和現(xiàn)代三個(gè)階段自古以來，人們就會(huì)使用天然的復(fù)合材料木材、竹、骨骼等。最原始的人造復(fù)合材料是在粘土泥漿中摻稻草，制成土磚；在灰泥中摻馬鬃或在熟石膏里加紙漿，可制成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料近代復(fù)合材料最早的有玻璃纖維增強(qiáng)樹脂（如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等）玻璃鋼高性能纖維和其他各種形式的先進(jìn)復(fù)合材料第二次世界大戰(zhàn)后期，為了增加雷達(dá)罩透波率，研制成玻璃鋼，沒料到這類復(fù)合材料后來由于它有高的比強(qiáng)度和比剛度而成為使鋼、鋁、鈦等金

9、屬有時(shí)相形見拙的新型結(jié)構(gòu)材料復(fù)合材料隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用和人們?cè)谠牧?、?fù)合工藝、界面理論、復(fù)合效應(yīng)等方面實(shí)踐和理論研究的深入，使人們對(duì)復(fù)合材料有了更全面地認(rèn)識(shí)現(xiàn)在人們可以更能動(dòng)地選擇不同的增強(qiáng)材料（顆粒、片狀物、纖維及其織物等）和基體進(jìn)行合理的性能（功能和力學(xué)）設(shè)計(jì)（如宏觀的鋪層設(shè)計(jì)、微細(xì)觀界面設(shè)計(jì)等）采用多種特殊工藝使其復(fù)合或交叉結(jié)合，從而制造出高于原先單一材料的性能或開發(fā)出單一材料所不具備的性質(zhì)和使用性能，如優(yōu)異的力學(xué)性能、物理-化學(xué)多功能（電、熱、磁、光、耐燒蝕等）或生物效應(yīng)的各類高級(jí)復(fù)合材料。因此“復(fù)合”涵蓋的范圍也越來越廣復(fù)合材料與其他高技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展緊密結(jié)合，復(fù)合材料的內(nèi)涵不

10、斷拓展從宏觀尺度的復(fù)合到納米尺度的復(fù)合從結(jié)構(gòu)材料到結(jié)構(gòu)功能一體化材料和多功能復(fù)合材料從簡單復(fù)合到非線性復(fù)合效應(yīng)的復(fù)合從復(fù)合材料到復(fù)合結(jié)構(gòu)從機(jī)械設(shè)計(jì)到仿生設(shè)計(jì)復(fù)合材料 天然復(fù)合材料智能復(fù)合材料仿生復(fù)合材料功能復(fù)合材料納米復(fù)合材料生物復(fù)合材料材料復(fù)合結(jié)構(gòu)先進(jìn)復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料碳/碳復(fù)合材料玻璃鋼復(fù)合材料“到2020年，只有復(fù)合材料才有潛力獲得20-25%的性能提升，其中陶瓷基和聚合物基復(fù)合材料的密度、剛度、強(qiáng)度、韌性和抗高溫能力都可能有如此大的改善，而被列為最優(yōu)先發(fā)展的材料”。進(jìn)入21世紀(jì)，美國國防部委托國家科學(xué)研究院經(jīng)過三年的調(diào)查，在2019年發(fā)表的“面向21世紀(jì)

11、國防需求的材料研究”報(bào)告指出復(fù)合材料High modulusAbrasion resistantMetalsPoor corrosion ResistanceCeramicsBrittleGlassesBrittleElastomersCreep at low tempPolymersCreep at low tempCompositesCorrosion resistantCorrosion resistantLow modulusHigh strengthHigh strength, Moderate modulus, High ductility復(fù)合材料的要素和分類復(fù)合材料包括三要素：基

12、體材料、增強(qiáng)劑及復(fù)合方式（界面結(jié)合形式）按增強(qiáng)劑形狀不同，可分為顆粒、連續(xù)纖維、短纖維、彌散晶須、層狀、骨架或網(wǎng)狀、編織體增強(qiáng)復(fù)合材料等按照基體材料的不同，復(fù)合材料包括聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料等按使用功能不同，可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料等復(fù)合材料的要素和分類復(fù)合材料的要素和分類增強(qiáng)纖維玻璃纖維、碳纖維、聚芳酰胺纖維（Kevlar、Apmoc)、硼纖維、碳化硅纖維樹脂基體熱固性聚合物聚酯、環(huán)氧、酚醛、聚酰亞胺熱塑性聚合物尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯復(fù)合材料的要素和分類在RMC中，增強(qiáng)材料是決定復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、模量、延伸率的關(guān)鍵組分，增強(qiáng)纖維的種類、機(jī)械

13、性能核物理特征，在即體重的體積含量及纖維的取向決定了復(fù)合材料的性質(zhì)樹脂基體則是粘接并包容纖維，使纖維免受摩擦損傷，均衡和傳遞構(gòu)件所承受的載荷的主要組分，樹脂基體的種類、物理特性和化學(xué)特性決定了復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度（非纖維方向）、壓縮強(qiáng)度、耐化學(xué)腐蝕等性質(zhì)）復(fù)合材料的性能強(qiáng)度剛度耐腐蝕性耐磨性重量疲勞壽命與溫度有關(guān)的性能絕熱性導(dǎo)熱性隔音性復(fù)合材料的特點(diǎn)可設(shè)計(jì)性復(fù)合材料的力學(xué)、機(jī)械及熱、聲、光、電、防腐、抗老化等性能都可按照構(gòu)件的使用要求和環(huán)境條件要求，通過組分材料的選擇和匹配以及界面控制等材料設(shè)計(jì)手段，最大限度地達(dá)到預(yù)期的目的，以滿足工程設(shè)計(jì)的使用性能材料與結(jié)構(gòu)的同一性復(fù)合材料構(gòu)件與

14、材料是同時(shí)形成的，它有組成復(fù)合材料的組分材料在復(fù)合成材料的同時(shí)也形成了結(jié)構(gòu)，一般不再由“復(fù)合材料”加工成復(fù)合材料構(gòu)件，使之結(jié)構(gòu)的整體性好，大幅度減少零部件和連接件數(shù)量，從而縮短加工周期，降低成本，提高可靠性復(fù)合材料的特點(diǎn)復(fù)合材料的特點(diǎn)普通的工程材料大多是均勻的、各向同性的均質(zhì)：性能不是物體位置的函數(shù)各向同性：物體的性能在物體內(nèi)的一點(diǎn)的每個(gè)方向都是相同的，性能不是一點(diǎn)方向上的函數(shù)復(fù)合材料一般表現(xiàn)為非均質(zhì)和各向異性的，材料性能是位置和方向的函數(shù)正交各向異性：在物體重的一點(diǎn)的三個(gè)相互垂直方向上有不同的材料性能，此外還有三個(gè)相互垂直的材料對(duì)稱面各向異性：所有方向都有不同的性能，沒有材料對(duì)稱面復(fù)合材料的

15、特點(diǎn)由于復(fù)合材料具有各向異型和非均勻性，可以通過合理的設(shè)計(jì)在我們所需要的方向上具有足夠的強(qiáng)度和剛度，消除材料冗余，最大程度發(fā)揮材料及結(jié)構(gòu)的潛力和效率復(fù)合效應(yīng)的優(yōu)越性復(fù)合材料是由各組分材料經(jīng)過復(fù)合工藝形成的，但它不是幾種材料簡單的混合，而是按照復(fù)合效應(yīng)形成的新的性能，這種復(fù)合效應(yīng)是復(fù)合材料特有的高比強(qiáng)度和高比模量高比強(qiáng)度和高比模量高比強(qiáng)度和高比模量耐高溫性復(fù)合材料的特點(diǎn)材料性能對(duì)復(fù)合工藝的依賴性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在形成過程中有組分材料的物理和化學(xué)變化，因此構(gòu)件的性能對(duì)工藝方法、工藝參數(shù)、工藝過程等依賴性較大，同時(shí)也由于在成形過程中很難準(zhǔn)確地控制工藝參數(shù)，使得其性能的分散性較大 多功能性和發(fā)展性復(fù)合材料

16、具有除力學(xué)性能以外的許多功能（如聲、光、電、磁、熱等），使復(fù)合材料擁有吸波、透波、耐熱、防熱、隔熱、導(dǎo)電、記憶、阻尼、摩擦、阻燃、透析等功能；同時(shí)與其它先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，如與納米技術(shù)結(jié)合發(fā)展的納米復(fù)合材料、與生物、醫(yī)學(xué)科學(xué)相結(jié)合發(fā)展的生物復(fù)合材料、與微機(jī)電、控制、傳感技術(shù)等相結(jié)合發(fā)展的智能復(fù)合材料等復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用主要應(yīng)用于國防、航空、航天等尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域民用領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大型建筑、橋墩、水壩、橋梁等 石油工業(yè)原油輸送、生產(chǎn)、貯存、致冷設(shè)備、氣缸、海上平臺(tái)等 交通運(yùn)輸業(yè)汽車結(jié)構(gòu)件、纖維增強(qiáng)高速公路路面及配套設(shè)備、鐵路牽引機(jī)車和車輛、艦船殼體和輔助構(gòu)件、高性能自行車等能源工業(yè)火力發(fā)

17、電的通風(fēng)、管道、冷卻系統(tǒng)，水力發(fā)電的電站、壩體和隧道建設(shè)以及風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源方面體育、娛樂產(chǎn)業(yè)高性能體育器械：網(wǎng)球、棒球、高爾夫、賽車、滑雪、魚桿等生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域電子、信息產(chǎn)業(yè)國防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用國防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料是國防、航空航天領(lǐng)域不可替代的關(guān)鍵材料之一，其水平和用量是國防、航空航天產(chǎn)品先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一將先進(jìn)復(fù)合材料用于航空航天結(jié)構(gòu)上可相應(yīng)減重20 30%，這是其他先進(jìn)技術(shù)無法達(dá)到的效果，因此其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，繼鋁、鋼、鈦之后，已迅速發(fā)展成四大航空航天結(jié)構(gòu)材料之一航空航天工業(yè)的發(fā)展為先進(jìn)復(fù)合材料提出了需求和經(jīng)費(fèi)支持，先進(jìn)復(fù)合材料的成功應(yīng)用促進(jìn)了航

18、空航天的進(jìn)步。對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料的需求不斷增加，體現(xiàn)了國防航空航天領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)復(fù)合材料研發(fā)的巨大牽引國防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用導(dǎo)彈、戰(zhàn)機(jī)的航程、速度和機(jī)動(dòng)性不斷提高，要求實(shí)現(xiàn)武器裝備的輕質(zhì)化和小型化，從而要求采用高比強(qiáng)度、高比模量的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。航空航天復(fù)合材料從最初的木材、帆布、發(fā)展到鋁合金、鈦合金，再發(fā)展到復(fù)合材料，反映了航空航天技術(shù)的發(fā)展歷史一直伴隨著結(jié)構(gòu)材料比強(qiáng)度、比模量不斷提高的過程現(xiàn)在國外復(fù)合材料在武器裝備上的應(yīng)用有兩個(gè)明顯的技術(shù)特征，即范圍越來越大和性能越來越好輕質(zhì)化國防、航空航天的永恒主題降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量提高結(jié)構(gòu)效率增加有效載荷增加射程和續(xù)航能力減小能耗、降低成本機(jī)動(dòng)性能和生存能力國防、航空

19、航天領(lǐng)域應(yīng)用以碳/碳、碳/酚醛等為代表的多向編織防熱復(fù)合材料是洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)部件無可替代的防熱/結(jié)構(gòu)材料，要承受超高溫、高壓和多相粒子流的高速?zèng)_刷等極為惡劣的服役環(huán)境，對(duì)其使用規(guī)范、可靠性能否做出準(zhǔn)確估算將取決于對(duì)該過程力學(xué)現(xiàn)象的理解深度國防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用國防、航空航天領(lǐng)域追求性能第一的特點(diǎn)，使得其成為先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)率先實(shí)驗(yàn)和轉(zhuǎn)化的戰(zhàn)場彈箭主體結(jié)構(gòu)、彈頭、整流罩、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等各個(gè)部位衛(wèi)星承力結(jié)構(gòu)、天線、太陽電池帆板等坦克裝甲、避彈產(chǎn)品等最大限度地追求復(fù)合材料化國防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭減少1Kg結(jié)構(gòu)重量，增加射程20Km戰(zhàn)略導(dǎo)彈三級(jí)固體火箭發(fā)

20、動(dòng)機(jī)減少1Kg結(jié)構(gòu)重量，增加射程16Km某第三級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用碳/環(huán)氧復(fù)合材料后，結(jié)構(gòu)質(zhì)量由原來的116千克降為46千克，僅此就將導(dǎo)彈射程提高1000Km以上國防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用國防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用國防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用國防、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用輕質(zhì)化國防、航空航天的永恒主題Reusable launch Vehicle（RLV）Space Operations Vehicle (SOV)Hypersonic Cruise Vehicle (HCV)Common Aero Vehicle (CAV)Enhanced CAV (ECAV)Expendable Launch Vehicles（

21、ELV）Small Launch Vehicle (SLV)輕質(zhì)化國防、航空航天的永恒主題X-43“Stratellite ”飛艇HCV太空船1號(hào) HAAHeliosX-33復(fù)合材料液氫貯箱貯箱結(jié)構(gòu)形式為二層薄輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料層板，中間為浸樹脂Kevlar紙蜂窩，環(huán)氧樹脂膠粘接關(guān)鍵技術(shù)為耐低溫樹脂的研發(fā)及其固化工藝實(shí)驗(yàn)未能成功：其破壞的直接原因是由于低溫導(dǎo)致樹脂基體開裂，氫氣泄漏，升溫后裂紋愈合，將氣體包裹在里面臨近空間發(fā)展的飛行器復(fù)合多層結(jié)構(gòu)（TPS、熱結(jié)構(gòu)、機(jī)體結(jié)構(gòu)）巨型框架和支撐結(jié)構(gòu)（幾百米的量級(jí)）先進(jìn)復(fù)合材料/充氣承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/材料/連接/動(dòng)作殲擊機(jī)更新?lián)Q代及其相關(guān)的關(guān)鍵材料殲擊機(jī)代

22、表機(jī)型技術(shù)特征關(guān)鍵材料第一代F-100超聲速鋼、鋁合金（一代）第二代F-4全天候鋁合金（二代）高溫合金（一代）第三代F-15高機(jī)動(dòng)性高性能鈦合金、定向凝固高溫合金（二代）先進(jìn)復(fù)合材料（一代）第四代F-22超聲速巡航、非常規(guī)機(jī)動(dòng)、隱身先進(jìn)復(fù)合材料（二代）單晶高溫合金（三代）軍用先進(jìn)材料技術(shù)在軍機(jī)結(jié)構(gòu)減重中的重要性及發(fā)展趨勢010203040501960195019701980199020002019主動(dòng)載荷控制及顫振控制自動(dòng)化設(shè)計(jì)先進(jìn)結(jié)構(gòu)概念新材料及改進(jìn)型材料年代 結(jié)構(gòu)減重（）材料技術(shù)對(duì)軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重的貢獻(xiàn)率達(dá)到70% 航空航空領(lǐng)域的材料體系更加強(qiáng)調(diào)性能和可靠性的綜合，只有應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料才能

23、實(shí)現(xiàn)減重20%以上尾翼（垂尾和平尾）復(fù)合材料化：占結(jié)構(gòu)重量達(dá)到5-7%機(jī)翼復(fù)合材料化：占結(jié)構(gòu)重量達(dá)到12-15%前機(jī)身和中機(jī)身復(fù)合材料化：占結(jié)構(gòu)重量25%航空三十多年來走過了一條由小到大，由弱到強(qiáng)、由少到多、由結(jié)構(gòu)到功能的發(fā)展道路，大致分為三個(gè)階段第一階段：用于艙門、口蓋、整流罩以及襟、副翼、方向舵等操縱面上，受力較小、規(guī)模較小，于60年代末70年代初完成第二階段：用于垂尾、平尾等受力較大、規(guī)模較大的尾翼一級(jí)部件，自70年代初始，至今仍在延續(xù)，現(xiàn)軍機(jī)尾翼一級(jí)部件已均為復(fù)合材料的了。其中F-14的硼/環(huán)氧復(fù)合材料平尾于1971年前后研制成功，是復(fù)合材料發(fā)展史上一個(gè)重要里程碑，此后則有F-15、F

24、-16、F-18、B1-B、幻影2000和幻影4000等，此時(shí)復(fù)合材料用量一般不超過結(jié)構(gòu)總重的5%航空第三階段：用于機(jī)翼、機(jī)身等主要受力結(jié)構(gòu)上、受力很大、規(guī)模很大。其中美國麥道飛機(jī)公司于1976年率先研制F-18的復(fù)合材料機(jī)翼，并于1982年進(jìn)入服役，把復(fù)合材料用量提高到了13%，此后該公司又將復(fù)合材料用于AV-8B的機(jī)翼和前機(jī)身上，其用量為26%，使復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用跨入了第三個(gè)階段，自80年代初始至今此后世界各國較新研制的性能先進(jìn)的軍機(jī)機(jī)翼一級(jí)的部件已幾乎無一例外地都是復(fù)合材料的了，機(jī)身也程度不同的采用了復(fù)合材料：如美國的B-2、F-22、F-35（JSF），法國的“陣風(fēng)”（Rafal

25、e）、瑞典的JAS39、歐洲英、德、意、西四國的“臺(tái)風(fēng)”（EF2000），日本的F2、印度的LCA、俄羅斯的C-37等目前軍機(jī)上復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)總重的2050%左右不等航空四十年代的原子彈、五十年代的北極星導(dǎo)彈，高度機(jī)密機(jī)型復(fù)合材料用量(%)應(yīng)用部位F-140.8平尾蒙皮、水平安定面抗扭盒F-151.6垂直安定面、方向舵、水平安定面蒙皮、減速板F-163.4垂直安定面抗扭盒、安定面前緣、方向舵幻影20008.4垂尾安定面抗扭盒蒙皮、方向舵、升降副翼、電子艙口蓋、起落架艙門幻影400010.7垂直安定面、方向舵、升降副翼、鴨翼F-1812.1垂尾、平尾、操縱面、減速板、前緣、口蓋、機(jī)翼翼面蒙皮

26、AV-8B26.3翼身整流罩、發(fā)動(dòng)機(jī)艙門、副翼、襟翼、升降舵方向舵、前機(jī)身、機(jī)翼抗扭盒蒙皮和結(jié)構(gòu)Rafale24操縱面、起落架艙門、檢修門、鴨翼、機(jī)翼、機(jī)身（50%）EF200030垂尾、鴨翼、前機(jī)身、起落架艙門、進(jìn)氣道、機(jī)翼、機(jī)身JAS3930垂尾、鴨翼、前機(jī)身、起落架艙門、進(jìn)氣道、機(jī)翼F-2226垂尾、平尾、升降副翼、襟翼、口蓋、起落架艙門、機(jī)翼、前機(jī)身、中機(jī)身B-250迄今最大的52米翼展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)X-29-前掠翼X-31A17前機(jī)身蒙皮、進(jìn)氣道、前翼、垂尾、方向舵、機(jī)翼蒙皮V-2251機(jī)翼整體壁板、梁、肋、前后緣機(jī)翼、尾翼航空航空J(rèn)10J11B先進(jìn)復(fù)合材料占機(jī)體重量百分比四代機(jī)我國J

27、10的復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的6%，正在研發(fā)的J11B用量提高到了9%，戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料用量儲(chǔ)備達(dá)到了20%以上 航空結(jié)構(gòu)功能一體化美國于1988年相繼公布了“F-117A”隱身戰(zhàn)斗機(jī)和“B-2”隱身轟炸機(jī)研制成功的信息；1990年披露了“AGM-129A”先進(jìn)隱身巡航導(dǎo)彈已經(jīng)進(jìn)行試飛；1993年公布了“海影號(hào)”隱身戰(zhàn)艦試航的消息；同時(shí)指出：“對(duì)各軍兵種來說，擁有一種隱身武器，可能與五十年代擁有一種和能力具有同樣的重要性”美國第四代先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)“F-22”已經(jīng)裝備部隊(duì)，該機(jī)實(shí)現(xiàn)了隱身、速度和機(jī)動(dòng)性的高度統(tǒng)一，其雷達(dá)散射截面僅為0.05m2，比“F-15”下降了100倍以上航空在這些隱身飛行器上

28、無一例外地大量采用了復(fù)合材料。如“B-2”機(jī)身結(jié)構(gòu)，除主梁和發(fā)動(dòng)機(jī)采用鈦合金外，其余皆由碳纖維和石墨纖維等復(fù)合材料構(gòu)成；“F-22”前機(jī)身復(fù)合材料用量占50%、中機(jī)身占30%，機(jī)翼占38%，比例相當(dāng)可觀。這是對(duì)飛行器隱身、結(jié)構(gòu)重量、特殊外形的制造等各方面要求綜合考慮的結(jié)果。值得注意的是，在“B-2”和“F-22”飛機(jī)上采用了結(jié)構(gòu)新型吸波材料。它由具有不同電磁特性和力學(xué)性能的樹脂基體、增強(qiáng)纖維、吸收劑和特種蜂窩芯材所組成。該結(jié)構(gòu)的最外層具有良好的透波性能，而底層為全反射層，以阻止雷達(dá)波束進(jìn)入機(jī)（彈）體內(nèi)部，中間層為經(jīng)過阻抗匹配設(shè)計(jì)的吸收損耗層，包括特種蜂窩芯材，在蜂窩空格中可以填充吸波材料，對(duì)雷

29、達(dá)波起到“透”、“吸”、“散”的作用。該結(jié)構(gòu)型吸波材料能夠吸收較寬頻帶的雷達(dá)波，同時(shí)具有良好的力學(xué)性能，是一種多功能材料F-117材料應(yīng)用情況PEEK-聚醚醚酮F-22材料應(yīng)用情況25% （24%為熱固性樹脂復(fù)合材料，1%為熱塑性樹脂復(fù)合材料，幾乎覆蓋了飛機(jī)的全部外表面）B-2材料應(yīng)用情況大型民機(jī)第一階段：受力很小的構(gòu)件：前緣、口蓋、整流罩、擾流板等，該階段約于70年代中期結(jié)束第二階段：受力較小的部件：升降舵、方向舵、襟副翼等。1975年NASA開始執(zhí)行ACEE計(jì)劃（飛機(jī)節(jié)能計(jì)劃）：減重、節(jié)油、增加商載。該階段約于80年代初結(jié)束第三階段：受力較大的部件：平尾、垂尾仍在ACEE計(jì)劃下執(zhí)行，該階段

30、約于85年前后完成第四階段：在生產(chǎn)型飛機(jī)上正式設(shè)計(jì)應(yīng)用大型民機(jī)機(jī)型類別最大起飛重量結(jié)構(gòu)重量復(fù)合材料用量圖204近-中程/150-186座/窄機(jī)身93.529.43.2伊爾96-300中-遠(yuǎn)程/187-250座/寬機(jī)身230654.02A-300-600中-遠(yuǎn)程/251-350座/寬機(jī)身165516.2A-310-300中-遠(yuǎn)程/187-250座/寬機(jī)身15044.76.2A-320近-中程/150-186座/窄機(jī)身7220.84.5A-340中-遠(yuǎn)程/251-350座/寬機(jī)身2357611B-777中-遠(yuǎn)程/350座以上/寬機(jī)身-9.9大型民機(jī)國外客機(jī)A3105垂直安定面抗扭盒A3205.5垂

31、直安定面、水平安定面、外側(cè)襟翼A3408中央翼盒、襟翼B-7673襟翼、副翼、整流裝置B-77711尾翼等MD-11-副翼、襟翼、外翼蒙皮MD-12-機(jī)翼翼盒的蒙皮及其它次要構(gòu)件大型民機(jī)大型民機(jī)波音：B777：共用復(fù)合材料9.9噸，占結(jié)構(gòu)總重的11%B7E7：（Sonic cruiser）：擬采用60%空中客車A320、321、322：15%A380：25%，32噸支線客機(jī)和公務(wù)機(jī)：10-20%大型民機(jī)Boeing-7777E7（Boeing 787）7E7客機(jī)將是第一架包括機(jī)翼和機(jī)身在內(nèi)大部分主體結(jié)構(gòu)由復(fù)合材料制成的商用噴氣式客機(jī)項(xiàng)目專家說，改用復(fù)合材料這一飛機(jī)設(shè)計(jì)的重大變革可能會(huì)給全球的鋁

32、工業(yè)帶來沉重打擊 波音民機(jī)集團(tuán)副總裁邁克拜爾（Mike Bair):“復(fù)合材料為我們提供了多種優(yōu)勢，如耐用性更強(qiáng)、維修率更低，而且未來具有極大的研發(fā)潛力，我們相信，隨著人類飛行進(jìn)入第二個(gè)世紀(jì)， 這一選擇將幫助波音在采用現(xiàn)代化的材料技術(shù)方面，占據(jù)優(yōu)勢地位”China大型民機(jī)歐洲Airbus-A380雙層，500-650人，2019首飛，2019交付中央翼盒、部分外翼、機(jī)身上蒙皮壁板、地板梁、后隔板框、垂尾、平尾等使用復(fù)合材料僅碳纖維復(fù)合材料用量可達(dá)32噸左右，加上其他各種復(fù)合材料，估計(jì)總用量在25%左右開創(chuàng)大型民機(jī)大量使用復(fù)合材料的先河超混雜復(fù)合材料Glare大量采用（耐疲勞）熱塑性復(fù)合材料（機(jī)

33、翼前緣）復(fù)合材料焊接技術(shù)大型民機(jī)大型民機(jī)Airbus-A380超混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料Glare是玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金層板，與以前發(fā)展的芳綸纖維增強(qiáng)鋁合金層板ARALL相比，除成本較低外，還具有極好的雙軸向承載和適于機(jī)身的疲勞性能大型民機(jī)輕型飛機(jī)、通用航空（70-90%）小型民機(jī)又稱輕型飛機(jī)，一般乘員不超過9人，該類飛機(jī)用復(fù)合材料量最大，有許多全復(fù)合材料飛機(jī)（90%以上），如Lear Fan2100、AVTEK400、Lancair320、Starship 1、 Voyager等其中Starship 1（星舟1號(hào)）是第一個(gè)獲得FAA合格證的全復(fù)合材料飛機(jī)，Voyager（旅游者號(hào)）于1986年創(chuàng)下

34、了不加油，不著陸連續(xù)環(huán)球飛行9天、40252km的世界紀(jì)錄通用航空是指除軍用航空和民用運(yùn)輸航空以外，為國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)服務(wù)的所有航空活動(dòng)的總稱，該領(lǐng)域多與輕型飛機(jī)相關(guān)，在我國具有較大的發(fā)展空間 Voyager直升機(jī)（50-80% 中國：50%）包括軍用直升機(jī)、民用直升機(jī)和輕型直升機(jī)，在各種直升機(jī)上先進(jìn)復(fù)合材料的用量均較大，超過軍機(jī)、民機(jī)的用量美國有ACAP （Advanced Composite Application Plan）計(jì)劃。在此計(jì)劃下研制了H360，S-75，BK-117、V-22等均大量應(yīng)用了復(fù)合材料典型的V-22，可垂直起落、傾轉(zhuǎn)旋翼后又能高速巡航，用復(fù)合材料3000公斤，占結(jié)

35、構(gòu)總重的50%左右；RAH66（50%）；歐洲的Tiger，虎式武裝直升機(jī)用量更高達(dá)80%直升機(jī)直升機(jī)直升機(jī)臺(tái)灣緯華直升機(jī)公司的ULTRASPORT系列超輕型直升機(jī)為全復(fù)合材料直升機(jī)，雙座的輕達(dá)180kg，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的世界之最無人機(jī)（50-80%，中國目標(biāo)：80%）各種無人機(jī)，包括無人偵察機(jī)和無人作戰(zhàn)飛機(jī)（UCAV-Uninhabited Combat aerial Vehicle），作為一種新型航空作戰(zhàn)武器是當(dāng)前發(fā)展研究的一個(gè)熱點(diǎn)無人機(jī)具有低成本、輕結(jié)構(gòu)、高機(jī)動(dòng)、大過載、長航程、高隱身、低使用壽命、長儲(chǔ)存壽命的鮮明技術(shù)特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了其對(duì)減重有迫切的需求，從而對(duì)復(fù)合材料有迫切的需求各種無

36、人機(jī)上復(fù)合材料的用量較有人機(jī)的要大，一般在5080%之間，有的甚至是全復(fù)合材料飛機(jī)無人機(jī)全球鷹（Global Hawk）、捕食者(Predator）、暗星（Dark Star）等，以色列的先鋒（Pioneer）、搜索者（Searcher）等均為全復(fù)合材料無人機(jī)UCAV中的X-45A，2000年9月27日出廠、 2019年5月22日首飛X-45B，將于2019年首飛，批生產(chǎn)時(shí)可能完全由復(fù)合材料制成 （90%以上）X-47（為海軍用）于2019年2月出廠，2019年交首飛，基本上為全復(fù)合材料飛機(jī)未來-納米碳纖維復(fù)合材料單壁碳納米管的彈性模量可以達(dá)到1TPa，強(qiáng)度達(dá)到200GPa納米超級(jí)結(jié)構(gòu)材料未來

37、-納米碳纖維復(fù)合材料未來-納米碳纖維復(fù)合材料納米管提高了LOCAAS (美國低成本自主功攻擊系統(tǒng)）的延伸翼設(shè)計(jì)水平，飛行特性模擬顯示了納米管機(jī)翼的優(yōu)勢提高空中巡邏時(shí)間：12%提高了機(jī)動(dòng)靈活性 (“G” Loading)：24% at Mach 0.3降低了燃油消耗：13% （飛行25000英尺）民用領(lǐng)域民用領(lǐng)域復(fù)合材料是典型的軍民兩用技術(shù)，民用領(lǐng)域的規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軍用領(lǐng)域，以CFRP為例宇航應(yīng)用：18%體育休閑用品：37%工業(yè)應(yīng)用：45%體育用品這是一個(gè)開發(fā)較早，有穩(wěn)定需求的應(yīng)用領(lǐng)域高爾夫球拍：4000萬只/年，約占總數(shù)的80%以上，“已碳化了” ，其他各種球拍（網(wǎng)球拍、羽毛球拍等）500600

38、萬只/年，幾乎獨(dú)占市場釣魚桿：1200萬只/年，約占總數(shù)的50%以上自行車：12萬輛/年其他：賽艇、賽車、弓箭、滑雪板、桿等等。前4項(xiàng)約占CF耗量的85%左右，其他只占15%左右我國的臺(tái)灣有“復(fù)合材料體育用品王國”之稱，但近年來已向大陸轉(zhuǎn)移。臺(tái)灣碳纖維約有3000噸/年的產(chǎn)能體育用品體育用品基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）系指建筑領(lǐng)域的房屋、橋梁、隧道、涵洞、地鐵及其相關(guān)的混凝土工程，其修復(fù)、更新、加固已構(gòu)成復(fù)合材料目前極重要的應(yīng)用領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)合材料在建筑和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中有很大潛力，復(fù)合材料為主體的建筑具有抗震、耐蝕、輕質(zhì)、隔音、隔熱等特點(diǎn)。事實(shí)證明水泥基復(fù)合材料和高性能復(fù)合

39、材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋，在建筑業(yè)是性能優(yōu)異的新材料，特別是在應(yīng)用于橋墩、水壩、大型建筑、橋梁等大型基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)等方面，顯示出有極大的競爭性，其優(yōu)越性在日本神戶和美國洛山磯的地震中得到證實(shí)，施工質(zhì)量好而且費(fèi)用低采用復(fù)合材料研制高速公路橋面臺(tái)板是經(jīng)過大量試驗(yàn)，包括靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度評(píng)定后選擇的，它具有良好的耐候性、韌性和抗惡劣環(huán)境的能力。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，價(jià)格下降給復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。復(fù)合材料在建筑工業(yè)的應(yīng)用中三個(gè)動(dòng)向：復(fù)合材料代替鋼筋、代替木質(zhì)型材、在橋梁或基礎(chǔ)設(shè)施方面的應(yīng)用 基礎(chǔ)設(shè)施汽車與交通在交通運(yùn)輸工業(yè)方面，復(fù)合材料已經(jīng)成功地應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件、纖維增強(qiáng)高速公路路面及配套設(shè)備

40、、鐵路牽引機(jī)車和車輛、艦船殼體和輔助構(gòu)件、高性能自行車等領(lǐng)域，并且需求量越來越大汽車材料是汽車工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一，材料和汽車的制造成本密切相關(guān)，也對(duì)汽車整體性能的提高有重要的影響，先進(jìn)復(fù)合材料可以大幅度提高汽車性能和節(jié)約能源，在未來5年中先進(jìn)復(fù)合材料汽車將大規(guī)摸占領(lǐng)市場汽車與交通復(fù)合材料可用做傳動(dòng)軸、框架和車身部件、彈簧片、儲(chǔ)能飛輪以及液化石油氣容器。2019年美國汽車工業(yè)使用的各種復(fù)合材料近4.5萬噸，西方汽車制造業(yè)正日益廣泛地利用復(fù)合材料。增強(qiáng)劑主要是玻璃纖維，其次是碳纖維，而基體材料美國主要使用熱固性樹脂，而歐洲則多采用熱塑性樹脂。美國的達(dá)納公司已成功地將碳纖維復(fù)合材料用作傳動(dòng)軸,每

41、年生產(chǎn)50萬根，碳纖維用量約250噸汽車與交通克林頓政府提出的“超級(jí)汽車”要求輕質(zhì)底盤和框架，以便使車輛百公里耗油量減至3升；發(fā)展電動(dòng)汽車也要求輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，先進(jìn)復(fù)合材料可以滿足這些要求通用汽車公司已有多年制造汽車和卡車復(fù)合材料彈簧的經(jīng)驗(yàn)，該公司利用連續(xù)的E玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，采用一種改進(jìn)的纏繞工藝制造復(fù)合材料彈簧，每年纖維用量近5000噸。在全電動(dòng)或電動(dòng)/天然氣混合車輛中，用作儲(chǔ)能裝置的超高速飛輪轉(zhuǎn)子需要高比強(qiáng)度纖維,高強(qiáng)度碳纖維是最好的候選材料。天然氣是高效清潔燃料，復(fù)合材料很適合用于制造壓縮天然氣容器High performance carsThe use of carbon fibre/

42、polymer composites can result in weight savings of 7580% compared to steel, 3040% compared to aluminium, and 50% compared to chopped fibre-glass reinforced composite.High performance carsHigh performance cars賽車代表了汽車發(fā)展方向和未來將要采用的技術(shù)據(jù)估計(jì)，當(dāng)碳纖維的市場價(jià)格降至11$/kg時(shí)，CFRP 將會(huì)在汽車行業(yè)大量使用，目前據(jù)這一目標(biāo)還有近一倍的差距目前又反彈了海洋石油工業(yè)充分發(fā)揮復(fù)合材料高耐腐蝕性的優(yōu)勢管道系統(tǒng)、油罐、油箱、圍欄、扶手、通道、堅(jiān)井、抽油桿等海洋石油工業(yè)今后十年內(nèi)復(fù)合材料在近海石油工業(yè)中的應(yīng)用將達(dá)到130億美元。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)相比，不僅本身造價(jià)低廉，而且安裝費(fèi)也便宜，