王國榮版復(fù)合材料概論的課件-第一章-總論

復(fù)合材料概論

楊天武昆明理工大學(xué)材料學(xué)院TELMAIL163.comOFFICE：重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室303教學(xué)教材復(fù)合材料概論—王榮國,武衛(wèi)莉等（哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004）參考資料現(xiàn)代復(fù)合材料—陳華輝,鄧海金,李明（中國物質(zhì)出版社,1998）2、復(fù)合材料—吳人潔（天津大學(xué)出版社,2000）3、復(fù)合材料科學(xué)與工程—倪禮忠,陳麒(科學(xué)出版社,2002)4、復(fù)合材料及其應(yīng)用—尹洪峰,任耘（陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2003）5、高性能復(fù)合材料學(xué)—郝元愷,肖加余(化學(xué)工業(yè)出版社,2004)6、新材料概論—

譚毅,李敬鋒(冶金工業(yè)出版社,2004)

7、先進(jìn)復(fù)合材料—魯云,朱世杰,馬鳴圖（機(jī)械工業(yè)出版社,2004）總論基體增強(qiáng)材料樹脂基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料C/C復(fù)合材料主要以介紹性能、成型方法、應(yīng)用復(fù)合材料概論主要內(nèi)容考核方式平時(shí)成績占總成績的30％理論部分考試，占總成績的70％第一章總論

復(fù)合材料？

簡歷？復(fù)合材料的那些類型？

復(fù)合材料的特性？用途？6輪胎、混凝土、玻璃鋼、皮帶、編織袋、瓦楞板1.1復(fù)合材料發(fā)展概況

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO（InternationalOrganizationforStandardization)復(fù)合材料（Compositematerial）定義：由兩種或兩種以上物理、化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，組合而成的多相固體材料。連續(xù)相——基體分散相——增強(qiáng)材料各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。1.1復(fù)合材料發(fā)展概況復(fù)合思想的產(chǎn)生：單一材料無法滿足人們對結(jié)構(gòu)性能的要求自古有之近代復(fù)合材料現(xiàn)代復(fù)合材料我國發(fā)展現(xiàn)狀自古有之距今7000年前的西安半坡村遺址中曾發(fā)現(xiàn)草拌泥制成的墻壁和磚坯，其性能優(yōu)于草和泥；4000年以前的漆器是典型的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，它是用絲、麻及其織物為增強(qiáng)相，以生漆做粘結(jié)劑一層一層鋪敷在底胎（模具）上，待漆干后挖去底胎成型。近代復(fù)合材料學(xué)術(shù)界開始使用“復(fù)合材料”（compositematerials）一詞大約是在20世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯，開辟了近代復(fù)合材料的新紀(jì)元。近代復(fù)合材料的發(fā)展主要從軍事上輕質(zhì)、高性能需求發(fā)展起來的。纖維增強(qiáng)橡膠：輪胎是以簾子線增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料；玻璃鋼：1932年在美國出現(xiàn)，1940年制成了玻璃纖維增強(qiáng)聚酯的軍用飛機(jī)雷達(dá)罩，其后美國萊特空軍發(fā)展中心設(shè)計(jì)制造了GFRP為機(jī)身和機(jī)翼的飛機(jī)。二戰(zhàn)以后開始迅速擴(kuò)展到民用材料?，F(xiàn)代復(fù)合材料從20世紀(jì)60年代開始，開發(fā)出多種高性能纖維。20世紀(jì)80年代以后，由于人們豐富了設(shè)計(jì)、制造和測試等方面的知識和經(jīng)驗(yàn)，加上各類作為復(fù)合材料基體的材料的使用和改進(jìn)，使現(xiàn)代復(fù)合材料的發(fā)展達(dá)到了更高的水平，即進(jìn)入高性能復(fù)合材料的發(fā)展階段。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，GFRP比強(qiáng)度和比剛度還不夠理想，滿足不了對重量敏感、強(qiáng)度和剛度要求很高的尖端技術(shù)要求。因而開發(fā)了一批如碳纖維、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，并以此增強(qiáng)高性能樹脂、金屬與陶瓷制成先進(jìn)復(fù)合材料（ACM）。用于飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星、飛船等航天飛行器。三件值得一提的成果1、美國全部用碳纖維復(fù)合材料制成一架八座商用飛機(jī)--里爾芳2100號，并試飛成功，這架飛機(jī)僅重567kg，它以結(jié)構(gòu)小巧重量輕而稱奇于世。2、第二件是采用大量先進(jìn)復(fù)合材料制成的哥倫比亞號航天飛機(jī)，這架航天飛機(jī)用碳纖維/環(huán)氧樹脂制作長18.2m、寬4.6m的主貨艙門，用凱芙拉纖維/環(huán)氧樹脂制造各種壓力容器，用硼/鋁復(fù)合材料制造主機(jī)身隔框和翼梁，用碳/碳復(fù)合材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管和喉襯，發(fā)動(dòng)機(jī)組的傳力架全用硼纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合材料制成，被覆在整個(gè)機(jī)身上的防熱瓦片是耐高溫的陶瓷基復(fù)合材料。在這架代表近代最尖端技術(shù)成果的航天收音機(jī)上使用了樹脂、金屬和陶瓷基復(fù)合材料。3、是在波音-767大型客機(jī)上使用了先進(jìn)復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)，這架可載80人的客運(yùn)飛機(jī)使用碳纖維、有機(jī)纖維、玻璃纖維增強(qiáng)樹脂以及各種混雜纖維的復(fù)合材料制造了機(jī)翼前緣、壓力容器、引擎罩等構(gòu)件，不僅使收音機(jī)結(jié)構(gòu)重量減輕，還提高了飛機(jī)的各種飛行性能。1)樹脂基復(fù)合材料

第一代復(fù)合材料是以玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為代表，在20世紀(jì)50-60年代以“玻璃鋼”的名稱廣泛應(yīng)用于軍事、航天航空、兵器、船舶、化工、建筑、汽車、電子電氣等行業(yè)。后來逐步形成的“玻璃鋼”制造技術(shù)是樹脂基復(fù)合材料的重大技術(shù)進(jìn)步和歷史性變革，其產(chǎn)品質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍，產(chǎn)品由原來在附件上應(yīng)用而后來逐步發(fā)展作為結(jié)構(gòu)件或受力結(jié)構(gòu)件得到廣泛應(yīng)用。第一代復(fù)合材料美國S—994玻璃纖維拉伸強(qiáng)度高達(dá)4650MPa，這種高強(qiáng)度高模量價(jià)格低廉的復(fù)合材料在武器裝備、工業(yè)設(shè)備、車輛中廣泛應(yīng)用。國外發(fā)達(dá)國家和軍事強(qiáng)國也在高新技術(shù)領(lǐng)域、武器裝備、航天航空和車輛中大量采用這類復(fù)合材料，以減輕質(zhì)量、降低成本、增加裝置或設(shè)備的功能特性。是目前用量最大、技術(shù)最為成熟的低成本復(fù)合材料之一。第二代樹脂基復(fù)合材料是以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為代表。它以卓越的比強(qiáng)度（12.8MPa）、比模量（12.8GPa）凌駕于當(dāng)時(shí)各種材料之首。由碳纖維增強(qiáng)的聚酰亞胺具有在300℃以上長期使用、低溫脆化(溫度)點(diǎn)達(dá)-196℃的優(yōu)異性能，因此獲得了各國工業(yè)部門和軍方的高度重視，在工業(yè)領(lǐng)域、空間技術(shù)、航天航空、地面武器裝備中被廣泛使用。隨著碳纖維生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，成本的降低，在普通工業(yè)和常規(guī)兵器上的應(yīng)用將獲得新的突破。第三代樹脂基復(fù)合材料是有機(jī)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，以美國杜邦公司的Kevlar(芳綸)纖維復(fù)合材料為代表。這種熱熔性液晶聚合物纖維比強(qiáng)度優(yōu)越，彈性模量是玻纖的2倍，價(jià)格只有碳纖維的1／3。加上其突出的韌性和回彈性是其他纖維所不具備的。故而問世不久就被各國工業(yè)部門和軍方采用。是目前最有發(fā)展前途的增強(qiáng)材料之一。第四代樹脂基復(fù)合材料是20世紀(jì)80年代末美國Allied公司商品化的一種Spectra-900和1000為代表的超高強(qiáng)度，超高模量的高拉伸聚乙烯纖維。相繼荷蘭DSM研究所和日本東洋紡織公司聯(lián)合開發(fā)了Dyneema高拉伸聚乙烯纖維，并用其制造出環(huán)氧基復(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度達(dá)3.5GPa、模量達(dá)125GPa、比強(qiáng)度比鋼大10倍、比碳纖維大4倍、比芳纖大50％，20世紀(jì)90年代可稱為世界上強(qiáng)度最大的纖維，而且其密度最小(0.92kg／m3)。

具有可透射雷達(dá)波、介電性極佳、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，經(jīng)V50彈道實(shí)驗(yàn)表明該纖維屬20世紀(jì)90年代抗彈性最好的彈道材料，故而在兵器上獲得了較為廣泛的應(yīng)用，特別是裝甲防護(hù)領(lǐng)域更是這種復(fù)合材料發(fā)揮作用的一展身手的領(lǐng)域；另外，可作為超輕質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)材料和超輕質(zhì)功能結(jié)構(gòu)材料加以應(yīng)用。目前，這四代樹脂基復(fù)合材料已形成四代共用局面。其材料技術(shù)和應(yīng)用研究也逐步深入，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，品種增多，為工程設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研制提供了更為廣泛的選材余地。第五代樹脂基復(fù)合材料--第五代為PBO纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(商品名為柴隆Zylon)。美國道化學(xué)公司和日本東洋紡織公司合作研制成功的聚苯并雙曙唑(PBO)纖維及其復(fù)合材料被稱為21世紀(jì)超級纖維復(fù)合材料。該纖維無熔點(diǎn)，高溫下不熔融，在空氣中的熱分解溫度高達(dá)650℃

，比對位芳酰胺纖維高100℃左右。極限氧指數(shù)為68，在有機(jī)纖維中，小于PTFE纖維(95)，而高于聚苯并瞇唑(PBl)纖維(41)。該纖維在與火焰接觸后不收縮，移去火焰后基本無殘焰，布料質(zhì)地柔軟。其密度為1.54-1.56g／cm3，拉伸強(qiáng)度為5.8GPa，拉伸模量為280GPa，斷裂伸長率為3.5％?？芍瞥啥糖欣w維、織物、氈等，與樹脂浸漬性亦佳，加工性能良好。是目前唯一將優(yōu)越的力學(xué)性能、卓越的耐高溫性能和優(yōu)良的加工性能結(jié)合在一起的有機(jī)纖維。1994年，日本東洋紡公司開始批量生產(chǎn)，是21世紀(jì)集耐高溫和力學(xué)特性為一身的超高性能復(fù)合材料。也是一代更新?lián)Q代的材料品種。2)C/C復(fù)合材料

20世紀(jì)50年代以來，碳纖維技術(shù)的出現(xiàn)，為將石墨材料發(fā)展成為一種真正實(shí)用的結(jié)構(gòu)材料提供了條件。20世紀(jì)60年代，在美國空軍材料實(shí)驗(yàn)室支持下，一種新的材料C/C復(fù)合材料試制成功。它具有優(yōu)異的比強(qiáng)度和比彈性模量。今天C/C復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于軍事工業(yè)和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。

C/C復(fù)合材料的真正實(shí)用化得益于多向編織技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。20世紀(jì)60年代末期出現(xiàn)了用于樹脂基和碳基復(fù)合材料制造的編織技術(shù)，并成功地完成了圓輪、空心圓柱、平錐體結(jié)構(gòu)的編織，此后，通過正確選取和設(shè)計(jì)增強(qiáng)織物以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的需要成為可能。今天C/C復(fù)合材料增強(qiáng)體可以有二向、三向、五向、七向、十一向等多種形式。特別是20世紀(jì)80年代，多維整體編織技術(shù)的出現(xiàn)使得極大地發(fā)揮C/C復(fù)合材料潛力成為可能。

C/C復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能，迄今為止是用于宇航工業(yè)、熱結(jié)構(gòu)和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的最理想的燒蝕結(jié)構(gòu)材料，但其過長的工藝周期、過高的制造成本在一定程度上限制了它的應(yīng)用。

C/C復(fù)合材料的改性方向主要圍繞著提高性能和降低成本而展開。在提高性能方面,近年來提出的一項(xiàng)重要途徑是應(yīng)用難熔碳化物涂層來提高C/C復(fù)合材料的抗氧化能力、降低燒蝕率、承受更高的燃?xì)鉁囟然蚋L的工作時(shí)間。所用的難熔碳化物有碳化硅(SiC)、碳化鉿(HfC)、碳化鉭(TaC)、碳化鈮(NbC)、碳化鋯(ZrC)等，美、俄、法等國家均已開展這方面的研究并已取得階段性的成果，涂覆工藝多用化學(xué)氣相沉積(CVD或CVl)和化學(xué)氣相反應(yīng)(CVR).

在降低成本方面，除編織技術(shù)外，更重要的是致密工藝的改進(jìn)，目前已著手研究的有強(qiáng)制熱梯度CVI工藝、快速致密工藝、等離子氣相沉積工藝、使用新型高殘?zhí)悸是膀?qū)體(如PAA)及采用智能工藝控制系統(tǒng)來提高工藝質(zhì)量等。從目前的研究結(jié)果來看，使用強(qiáng)制熱梯度CVI工藝比均熱法可提高效率10-30倍，而采用智能工藝控制系統(tǒng)可使預(yù)制件的工藝時(shí)間縮短11％、成本降低15％-20％。26

3)陶瓷基和金屬基復(fù)合材料

尚處于研究階段，還未進(jìn)入批量生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，目前是可用其制作摩擦結(jié)構(gòu)材料、固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和燃燒室殼體之間的熱結(jié)構(gòu)連接件的理想材料，此外，還可用作出口錐和延伸錐的一些部件(如噴管背壁防熱／絕熱系統(tǒng)等)。陶瓷基復(fù)合材料作為固體發(fā)動(dòng)機(jī)的熱結(jié)構(gòu)連接件，已進(jìn)行過發(fā)動(dòng)機(jī)地面熱試車。眾多陶瓷材料中，以氮化硅系高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合材料最引人注目。其綜合性能較突出，具有耐高溫、耐腐蝕、抗熱震、硬度高、韌性好、熱脹系數(shù)小、密度較低等特點(diǎn)，非常適于制作高溫承力部件。目前，先進(jìn)國家已把氮化硅系陶瓷材料作為熱結(jié)構(gòu)的首選陶瓷材料進(jìn)行廣泛、重點(diǎn)的研究與開發(fā)。Si3N4系陶瓷材料在軍用和民用領(lǐng)域均有十分廣闊的應(yīng)用前景。復(fù)合材料在中國始于軍品開發(fā)，1958年研制出玻璃鋼快艇、手提火箭發(fā)射管60年代研制成用于遠(yuǎn)程火箭的GF-酚醛樹脂燒蝕防熱彈頭、GFRP直升機(jī)螺旋槳1970年制造出直徑44米的GFRP雷達(dá)罩70年代以后GFRP逐漸轉(zhuǎn)入民用，如冷卻塔、化學(xué)儲(chǔ)罐、水箱、汽車部件、運(yùn)動(dòng)器材等目前研發(fā)FRTP、MMC和CMC復(fù)合材料的組成1.2復(fù)合材料的命名和分類

1）按材料作用分類2）按增強(qiáng)材料形狀分類3)按基體材料分類按材料作用分類按增強(qiáng)材料形狀分類按基體材料分類1.3復(fù)合材料的基本性能

各有千秋揚(yáng)長避短

克服單一材料的缺點(diǎn)

產(chǎn)生原來單一材料本身所沒有的新性能1.3復(fù)合材料的基本性能

復(fù)合材料能構(gòu)保持原組分材料的部分特性和優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)取長補(bǔ)短，從而可獲得比單一組分材料更為優(yōu)異的性能。復(fù)合材料主要特性

1）多性能性

2）性能可設(shè)計(jì)性

3）可制任意形狀性能的可設(shè)計(jì)性是復(fù)合材料最大特點(diǎn)。

性能可設(shè)計(jì)性復(fù)合材料最顯著的特性是其性能（主要指力學(xué)性能、物理性能和工藝性能）在一定范圍內(nèi)具有可設(shè)計(jì)性。選擇基體、增強(qiáng)體的類型及其含量；增強(qiáng)體在基體中的排列方式；基體與增強(qiáng)體之間的界面性能。來獲得常規(guī)材料難以提供的某一性能或綜合性能。例如：FRP372、可設(shè)計(jì)性好

復(fù)合材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料的根本特點(diǎn)之一設(shè)計(jì)人員可根據(jù)所需制品對力學(xué)及其它性能的要求，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)對材料本身進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體體現(xiàn)在兩個(gè)方面力學(xué)設(shè)計(jì)——給制品一定的強(qiáng)度和剛度功能設(shè)計(jì)——給制品除力學(xué)性能外的其他性能力學(xué)性能與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料一般具有優(yōu)異的力學(xué)性能，主要表現(xiàn)在比強(qiáng)度、比模量高；耐磨性好（MMC、C/C復(fù)合材料）；抗疲勞性能好，通常金屬材料的疲勞強(qiáng)度極限/拉伸強(qiáng)度=30-50%，而CFRP的疲勞強(qiáng)度極限/拉伸強(qiáng)度=70-80%；抗沖擊能力強(qiáng)（如：RMC）；高溫性能好（如：MMC、C/C復(fù)合材料）

表1-1傳統(tǒng)金屬材料與復(fù)合材料性能比較材料密度g/cm3抗拉強(qiáng)度

MPa拉伸模量

GPa比強(qiáng)度*1e6/cm比模量*1e8/cm膨脹系數(shù)*1e-6/KC/環(huán)氧1.6180012811.380.2芳綸/環(huán)氧1.4150080B/環(huán)氧2.116002207.610.54.0碳化硅/環(huán)氧2.01500130石墨纖維/鋁2.28002313.610.52.0鋼7.814002101.42.712鋁合金2.8500771.72.823鈦合金4.510001物理性能密度小：比強(qiáng)度、比模量高；低膨脹系數(shù)?。簾岱€(wěn)定性好,（如CFRP、KFRP可設(shè)計(jì)成零膨脹結(jié)構(gòu)）；導(dǎo)電、導(dǎo)熱性：導(dǎo)電和超導(dǎo)材料、散熱結(jié)構(gòu)；抗沖刷、耐燒蝕：CMC、C/C復(fù)合材料；阻尼性能：受力結(jié)構(gòu)的自振頻率除與形狀有關(guān)外，還同結(jié)構(gòu)材料的比模量平方根成正比。減振結(jié)構(gòu)材料（CFRP）、隱身材料；工藝特性不同復(fù)合材料成型及加工工藝差別很大，但各類復(fù)合材料相對于其所用的基體材料而言，成型與加工工藝并不復(fù)雜，有時(shí)很簡單。如：RMC、MMC、CMC可整體成型，可大大減少結(jié)構(gòu)中的裝配零件數(shù)量，提高構(gòu)件的質(zhì)量和使用可靠性；短纖維或顆粒增強(qiáng)MMC，可采用傳統(tǒng)的金屬工藝進(jìn)行制備和二次加工。影響復(fù)合材料性能的主要因素

增強(qiáng)材料的性能；基體材料的性能；含量及其分布狀況；界面結(jié)合情況；作為產(chǎn)品還與成型工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1.6復(fù)合材料的應(yīng)用目前復(fù)合材料已大量應(yīng)用在航空航天、國防、建筑、化工、能源、體育等國民經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。

1.6.1

航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

復(fù)合材料的高比強(qiáng)度、高比模量、良好的抗疲勞損傷、獨(dú)特的可設(shè)計(jì)性，可使飛行器顯著提高結(jié)構(gòu)效率和壽命，減輕重量，改善氣動(dòng)力性能，同時(shí)在隱身、智能、結(jié)構(gòu)綜合等方面顯示巨大的潛力。剛發(fā)明飛機(jī)時(shí),是用木質(zhì)和布料制造飛機(jī)的。隨著飛行速度的不斷增快,木布結(jié)構(gòu)已無法承受顯著增大的載荷,因而很快進(jìn)入了金屬結(jié)構(gòu)時(shí)代,前期以鋁合金和鋼為主,后期由于鈦合金的興起而形成鋁合金、鈦合金和鋼三分天下的局面。“比強(qiáng)度”高于上述金屬材料的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料問世后,飛機(jī)開始進(jìn)入了金屬/復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)的時(shí)代。噴氣式飛機(jī)出現(xiàn)后,飛機(jī)材料主要采用鋁合金,但現(xiàn)在這種趨勢發(fā)生了變化。鋁合金在早期戰(zhàn)斗機(jī)上確實(shí)占有相當(dāng)大的份額,一般在70%以上,其次是鋼,約占20%。不過鋁合金和鋼在先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)上的用量已經(jīng)逐漸縮小,而鈦合金和樹脂基復(fù)合材料的用量則不斷爬升,美國F-22飛機(jī),鈦合金的用量已躍居首位(41%),樹脂基復(fù)合材料的用量24%,而鋁合金和鋼的用量卻分別降至第三位(16%)和第四位(5%).再如美國研制的JSF飛機(jī),波音公司的X－32方案，洛克希德·馬丁公司的X－35方案都將大量地采用鈦合金。X－35的復(fù)合材料計(jì)劃用量大致與F－22相當(dāng),而X－32上復(fù)合材料的計(jì)劃用量竟高達(dá)40%左右。洛克希德·馬丁公司聯(lián)合了諾斯羅普·格魯門公司和英國宇航公司，研制X-35。鋁合金和鋼在飛機(jī)上的用量會(huì)逐漸減少,而鈦合金和復(fù)合材料的優(yōu)良性能恰恰適應(yīng)了先進(jìn)飛機(jī)發(fā)展的客觀需要。鈦合金的強(qiáng)度和使用溫度上限與鋼相近,密度卻只有鋼的57%左右,減重效果顯而易見。鋁合金的密度雖小,但由于強(qiáng)度顯著低于鈦合金,其“比強(qiáng)度”仍不及鈦合金,尤其當(dāng)零部件工作溫度較高時(shí),使用溫度上限較低的鋁合金更不得不讓位給鈦合金。當(dāng)零部件的工作溫度較低時(shí),鋁合金又遇到了比鈦合金更強(qiáng)勁的競爭對手—復(fù)合材料,被“比強(qiáng)度”更優(yōu)越的復(fù)合材料所“侵占”。當(dāng)然，鋁合金和鋼的成本要比鈦合金和復(fù)合材料低得多,只要能滿足飛機(jī)性能指標(biāo),還會(huì)盡量選用鋁合金和鋼。

國外軍用飛機(jī)上應(yīng)用情況

續(xù)表

國外民用飛機(jī)上復(fù)合材料的應(yīng)用

波音767用復(fù)合材料

某飛機(jī)垂尾使用復(fù)合材料減輕的重量美國90年就計(jì)劃到20世紀(jì)末在先進(jìn)作戰(zhàn)飛機(jī)上復(fù)合材料的用量將占結(jié)構(gòu)總重量的26%—65%。每架飛機(jī)平均使用2.4-4.5t，年增長率8%-20%，到2000年先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量超過3萬t.

直升飛機(jī)上應(yīng)用金屬槳葉的壽命一般不超過3000h，而復(fù)合材料槳葉的壽命可達(dá)10000h以上。1987年第一架全復(fù)合材料飛機(jī)——波音公司的360直升機(jī)，被稱為直升機(jī)技術(shù)的第二次革命。

航天器結(jié)構(gòu)對材料的要求

發(fā)射時(shí)，航天器受到很大的加速度過載和強(qiáng)烈的振動(dòng)，要求材料有足夠的強(qiáng)度；為了避免航天器和發(fā)射系統(tǒng)共振，要求結(jié)構(gòu)有足夠的剛度；在軌運(yùn)行中航天器處于高低溫交變環(huán)境中，某些部件（如衛(wèi)星拋物線天線等）尺寸精度要求很高，必須有盡可能小的熱膨脹系數(shù)；高真空及粒子、紫外輻射下具有足夠的穩(wěn)定性；返回式航天器結(jié)構(gòu)，還要求防熱、耐熱。

應(yīng)用例衛(wèi)星天線：用石墨/環(huán)氧復(fù)合材料天線支撐桁架比鋁合金減重50%，可設(shè)計(jì)成零膨脹系數(shù)結(jié)構(gòu)；太陽電池帆板：要求高比模量、低熱變形，采用碳/環(huán)氧材料；空間平臺材料：石墨/鋁；熱結(jié)構(gòu)材料：C/C、C/SiC、SiC/SiC；隔熱材料：SiC/SiO2防熱瓦使用溫度高達(dá)1260℃，用于哥倫比亞和挑戰(zhàn)者，各用了31000塊；低密度燒蝕材料、對流冷卻結(jié)構(gòu)、熱管結(jié)構(gòu)等

哥倫比亞航天飛機(jī)所用復(fù)合材料導(dǎo)彈燒蝕材料復(fù)合材料殼體噴管材料：CMC、C/C固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的全復(fù)合材料化：美國飛馬座火箭的三級固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用的復(fù)合材料已占其構(gòu)件質(zhì)量的94%，大富大降低了結(jié)構(gòu)重量。燒蝕材料

導(dǎo)彈運(yùn)行環(huán)境：飛行速度>20馬赫、彈頭錐體表面溫度3500℃左右。早期的宇宙神、大力神、雷神導(dǎo)彈彈頭采用熱容量大、比熱容高的金屬如鎢、鉬、銅制作彈頭的錐部，以吸收大量的氣動(dòng)熱量而防止熔化，但材料密度大，使彈頭結(jié)構(gòu)笨重、吸熱量不夠大。燒蝕式防熱材料：在熱流作用下能發(fā)生分解、熔化、蒸發(fā)、升華等多種物理和化學(xué)變化，借材料自身的質(zhì)量消耗帶走大量的熱量，以防止熱流傳入彈頭內(nèi)部的目的。應(yīng)用例復(fù)合材料殼體主要指標(biāo)：在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下減重，比鋁合金減重30%以上應(yīng)用圖片

1.6.2

交通與能源工業(yè)中的應(yīng)用機(jī)場路面：鋼纖維混凝土；汽車：殼體、保險(xiǎn)杠、板簧（GFRP板簧疲勞壽命>鋼板彈簧，而重量僅為鋼板彈簧的20%）、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管（GF/尼龍）、活塞（Al2O3/鋁硅合金）；發(fā)電：風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片；