4-復合材料在航空領域的應用及發展（22頁）.pdf

1、復合材料在航空領域的應用及發展復合材料在航空領域的應用及發展 蒲永偉蒲永偉 20152015年年5 5月月2121日日 一、航空用復合材料概述一、航空用復合材料概述 二、航空用復合材料應用二、航空用復合材料應用 三、航空用復合材料發展三、航空用復合材料發展 主要內容主要內容 復合材料基本概念復合材料基本概念 復合材料已經發展成為與金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料并列的四大材料體系之一。復合材料已經發展成為與金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料并列的四大材料體系之一。定義：定義：是是由兩種或兩種以上由兩種或兩種以上不同性質不同性質的材料，通過一定的方法，在宏觀上組成的的材料，通過一定的方法，

2、在宏觀上組成的相材料相材料。增強相：增強相：碳纖維碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、硼纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、硼纖維 復合材料復合材料“1+12”的協同效應的協同效應：高界面結合強度被認為是獲得高性能復合材料的必要條件高界面結合強度被認為是獲得高性能復合材料的必要條件?；?體體增強體增強體復復合合材材料料物理結合物理結合化學結合化學結合三維界面相三維界面相吸附和潤濕吸附和潤濕原子擴散原子擴散機械鎖合機械鎖合靜電引力靜電引力基體重結晶基體重結晶化學鍵結合化學鍵結合化學反應物結合化學反應物結合航空用復合材料概述航空用復合材料概述 基體相：基體相：環氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、苯并噁嗪樹脂、環氧樹脂、雙

3、馬來酰亞胺樹脂、苯并噁嗪樹脂、聚芳醚系列樹脂聚芳醚系列樹脂 纖維增強樹脂基復合材料纖維增強樹脂基復合材料 航空用復合材料概述航空用復合材料概述 定義：泛指應用于飛機主承力或次承力結構，性能定義：泛指應用于飛機主承力或次承力結構，性能相當于或優于鋁合金相當于或優于鋁合金的復合材料。的復合材料。航空用復合材料性能航空用復合材料性能 硼纖維復合材料硼纖維復合材料 玻璃纖維復合材料玻璃纖維復合材料 碳纖維復合材料碳纖維復合材料 高的比強度和比模量高的比強度和比模量 各相異性和可設計性各相異性和可設計性 良好的抗疲勞性良好的抗疲勞性 成形工藝性好成形工藝性好 良好的尺寸穩定性良好的尺寸穩定性 便于大面積

4、整體成型便于大面積整體成型 航空用復合材料航空用復合材料 先進復合材料簡介先進復合材料簡介 航空用復合材料的應用優勢航空用復合材料的應用優勢 復合材料作為21世紀的主導材料，其用量已經成為飛機先進性，乃至航空領域先進性的重要標志，是世界強國競相發展的核心技術。機型機型 結構重量結構重量%輕型飛機輕型飛機 90-100 直升機直升機 70 隱身飛機隱身飛機 50 戰斗機戰斗機 20-40 民用飛機民用飛機 7-50 航空領域應用情況航空領域應用情況 三代機三代機 四代機四代機 現代飛機對選材的要求現代飛機對選材的要求質質量量輕輕強強度度高高耐耐高高溫溫耐耐腐腐蝕蝕隱隱身身性性航空用復合材料應用航

5、空用復合材料應用 60-70年代年代 70-90年代年代 90年代至今年代至今 一代材料一代材料 一代飛機一代飛機 航空用復合材料的應用趨勢航空用復合材料的應用趨勢 應用應用 非承力結構件或承力較小非承力結構件或承力較小 (方向舵、整流罩等）方向舵、整流罩等）一級次承力結構件一級次承力結構件5%5%(垂尾、平尾等）垂尾、平尾等）主要的承力結構主要的承力結構2020-50%50%(機翼、機身等）機翼、機身等）民機應用民機應用 非承力非承力構件構件 受力較小的受力較小的部件部件 受力較大的受力較大的部件部件 正式正式大量大量使用使用 航空用復合材料應用航空用復合材料應用 型號型號 復合材料復合材料

6、 F14A 1 F15A 2 F16A 2 幻影幻影2000 7 F18A 10 AV8B 26 陣風陣風 24 F22 24 F35 30 EF2000 40%F22 F35 EF2000 F18E/F 國外航空用復合材料的軍機應用情況國外航空用復合材料的軍機應用情況 航空用復合材料應用航空用復合材料應用 空客空客A350A350-XWB XWB 材料使用情況材料使用情況 波音波音787787 材料應用部位和比例材料應用部位和比例 波音和空客在民機市場競爭激波音和空客在民機市場競爭激烈，在技術上主要對決的內容就是烈，在技術上主要對決的內容就是復合材料，復合材料正是在此背景復合材料，復合材料正

7、是在此背景下飛速發展。下飛速發展?！鞍俅ㄈ牒?，殊途同歸”“百川入海，殊途同歸”民機應用情況民機應用情況 航空用復合材料應用航空用復合材料應用 民機應用增長趨勢民機應用增長趨勢 F-35 1020304019651970197519801985199019952000DC950B747DC10MD80B767B757B737-300A310A320A300A340A330 MD11B747-400A321A400MA380MD90B777A322A350B787研制年代研制年代復復合合材材料料應應用用百百分分比比%200520102015航空用復合材料應用航空用復合材料應用 國內航空用復合材料的

8、應用情況國內航空用復合材料的應用情況 航空用復合材料應用航空用復合材料應用 國產運-20四發渦扇重型運輸機 國產C919短程雙發窄體民用運輸機 復合材料約為20%復合材料用量約為10%15%國內民用航空復合材料典型案例國內民用航空復合材料典型案例 航空用復合材料應用航空用復合材料應用 國內民用航空復合材料典型案例國內民用航空復合材料典型案例 航空用復合材料應用航空用復合材料應用 國內民用航空復合材料典型案例國內民用航空復合材料典型案例 航空用復合材料應用航空用復合材料應用 航空用復合材料發展趨勢航空用復合材料發展趨勢 隨著復合材料在航空領域應用增多，未來的航空用復合材料發展趨勢將向復合材料數字

9、化集成制造所轉變 航空用復合材料發展航空用復合材料發展 高質量 低成本 高效率 大型整體化 精密自動化 設計制造一體化 數字化集成制造 共固化長桁（框、肋）常見結構：航空用復合材料發展航空用復合材料發展 大型整體化大型整體化 采用共固化制造可以實現復合材料構件的大型整體化制造采用共固化制造可以實現復合材料構件的大型整體化制造 制造過程重復性高、質量穩定性好；生產效率高；操作安全可靠；人為干擾因素少；制件制造精度高。自動鋪帶工藝的優點：自動鋪帶工藝達自動鋪帶工藝達到國內先進水平到國內先進水平（目前應用于C919垂尾試驗件）航空用復合材料發展航空用復合材料發展 大型整體化大型整體化 熱隔膜成形工藝

10、是在歐洲推出的ALCAS計劃中，開發的一種用于加工飛機前梁的一種典型成型工藝方法。隔膜成型原是一種為熱塑性復合材料開發的成型工藝，后發現用于熱固性復合材料具有很廣泛的用途。它具有成型過程中纖維不易滑動、不易產生皺褶的特殊功效，非常適于加工大型飛機機翼前梁的C形截面。在近年推出的A400M飛機的C形前梁的毛坯制備采用了這種T藝方法。該工藝方法并非針對所有的預浸料都適用，相應的樹脂應具有一定的流動性。航空用復合材料發展航空用復合材料發展 精密自動化精密自動化 采用熱隔膜法制造長桁等筋條結構件采用熱隔膜法制造長桁等筋條結構件 鋪層展開數據鋪層展開數據 工程數模（工程數模（FibersimFibers

11、im）激光投影數據激光投影數據 采用了先進的數控鋪層剪裁、激光投影定位等先進技術，向數字化制造的改變。剪裁周期縮短60%左右 鋪疊周期縮短40%左右 提高了制件尺寸精度及質量穩定性 航空用復合材料發展航空用復合材料發展 精密自動化精密自動化 數控鋪層剪裁及投影定位數控鋪層剪裁及投影定位 五坐標數控銑切中心五坐標數控銑切中心 數控銑孔工藝數控銑孔工藝 銑切加工后的復材制件銑切加工后的復材制件 蜂窩芯材蜂窩芯材 纖維增強樹脂基復合材料在機械加工過程中易出現分層、劈裂、高溫損傷等問題，目前比較常用的為高速磨削加工、高速銑切加工。采用硬質刀具（硬質合金、金剛等）；小進給，高轉速的磨削、切削加工（約20

12、000r/min)；焦點孔定位精度0.05mm。航空用復合材料發展航空用復合材料發展 精密自動化精密自動化 精密機械加工精密機械加工 復合材料構件的試驗周期長、制造成本高，產品性能難以達到現代航空業對復合材料性能的苛刻要求，嚴重阻礙了我國民用航空業的發展。采用數值模擬技術實現模具設計、工藝過程控制及參數優化：低成本方向發展；縮短研制周期；提高制造質量。航空用復合材料發展航空用復合材料發展 設計制造一體化設計制造一體化 樹脂轉移模塑成型 真空輔助樹脂轉移模塑成型 樹脂膜滲透成型 RTM VARTM 航空用復合材料發展航空用復合材料發展 基于前期模擬仿真過程的液體成型制造基于前期模擬仿真過程的液體成型制造 謝謝大家！謝謝大家！