飞行器新结构飞行器新结构新材料的制造技术新材料的制造技术ManufacturingTechnologiesofNewStructureandMaterialforAircrafts1复合材料及应用概况课件谭昌柏航空宇航制造工程系机电学院南京航空航天大学南京市御道街29号, 210016TEL：84891678 EMAIL: OFFICE：15-A2092复合材料及应用概况课件教材飞行器新结构新材料制造技术周来水 崔耀东 编写参考文献先进复合材料手册 赵渠森 主编3复合材料及应用概况课件课程内容课程内容复合材料复合材料CompositeMaterials智能材料智能材料SmartMaterials钛合金钛合金TitaniumAlloys课程性质：选修课程性质：选修课时：课时：24学时学时制造4复合材料及应用概况课件考核内容考核内容u平时成绩占总成绩的平时成绩占总成绩的3030u理论部分考试，占总成绩的理论部分考试，占总成绩的70705复合材料及应用概况课件主要内容主要内容复合材料及飞行器应用概况复合材料及飞行器应用概况复合材料在飞行器制造中的应用复合材料在飞行器制造中的应用复合材料飞行器构件的制造复合材料飞行器构件的制造智能复合材料（智能复合材料（ICM）与结构）与结构钛合金在飞行器制造中的应用钛合金在飞行器制造中的应用钛合金钣金零件的成形钛合金钣金零件的成形飞行器制造中钛合金的先进制造技术飞行器制造中钛合金的先进制造技术6复合材料及应用概况课件INTRODUCTIONA380B787Composite7复合材料及应用概况课件A3808复合材料及应用概况课件9复合材料及应用概况课件复合材料在复合材料在A380A380上的应用上的应用The excess weight would hurt aircraft efficiency, resulting in financial penalties to Airbus. Engineers, however, are still working to shave weight off of the plane. About 25 percent of the A380 is made from composites, including carbon/epoxy and Glare, and fiberglass/aluminum laminate.compositescomposites10复合材料及应用概况课件复合复合材料材料在在A380A380上的上的应用应用11复合材料及应用概况课件复合材料在复合材料在A380A380上的应用上的应用(1) (1) 机翼，包括中机翼，包括中央翼盒和部分外翼。央翼盒和部分外翼。该翼盒重该翼盒重8.8t8.8t，用，用复合材料复合材料5.3t5.3t，较，较金属翼盒可减重金属翼盒可减重1.5t1.5t。A380A380机是第机是第一个将复合材料用一个将复合材料用于中央翼盒的大型于中央翼盒的大型民机民机。12复合材料及应用概况课件复合材料在复合材料在A380A380上的应用上的应用(2) (2) 垂直尾翼和水平垂直尾翼和水平尾翼。采用碳纤维增尾翼。采用碳纤维增强复合材料的硬壳式强复合材料的硬壳式结构，其水平尾翼大结构，其水平尾翼大小相当于小相当于A310A310的机翼，的机翼，垂尾则相当于垂尾则相当于A320A320的的机翼。尾翼和中央翼机翼。尾翼和中央翼盒均拟采用先进的自盒均拟采用先进的自动铺带动铺带(ATL)(ATL)技术制技术制造。造。13复合材料及应用概况课件自动铺带机自动铺带机切割送带模具模具预浸预浸带压力成型压力成型压力成型压力成型直边开口（直边开口（双刀双刀）单刀单刀切割切割预浸带预浸带预浸带预浸带( (等带宽等带宽) )自动铺带机自动铺带机14复合材料及应用概况课件平面铺带FTLM曲面铺带CTLMFTLM：4个运动轴，采用150mm和300mm宽的预浸带，主要用于平板铺放；CTLM：5个运动轴，主要采用75mm和150mm宽的预浸带，适于小曲率壁板的铺放，如机翼蒙皮、大尺寸机身壁板等部件。 15复合材料及应用概况课件自动铺带机自动铺带机16复合材料及应用概况课件复合材料在复合材料在A380A380上的应用上的应用(3) (3) 地板梁和后承地板梁和后承压框。采用碳纤维压框。采用碳纤维复合材料制造，拟复合材料制造，拟应用更为先进的自应用更为先进的自动纤维铺放动纤维铺放(AFP)(AFP)技技术制造，并将试用术制造，并将试用树脂膜熔化树脂膜熔化(RFI)(RFI)成成型技术型技术. .17复合材料及应用概况课件自动铺丝机自动铺丝机18复合材料及应用概况课件自动铺丝机自动铺丝机19复合材料及应用概况课件自动铺丝机自动铺丝机20复合材料及应用概况课件TORRESFIBERLAYUP高高效自动铺丝机的铺丝头效自动铺丝机的铺丝头21复合材料及应用概况课件自动铺丝机自动铺丝机22复合材料及应用概况课件自动铺丝机自动铺丝机23复合材料及应用概况课件自动铺丝机自动铺丝机24复合材料及应用概况课件A380尾段自动铺丝尾段自动铺丝25复合材料及应用概况课件树脂膜渗透（融化）树脂膜渗透（融化）RFI-ResinFilmInfusion将预催化树脂膜或树脂块放入模腔内将预催化树脂膜或树脂块放入模腔内,然后在其上覆然后在其上覆以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体等增强材料以缝合或三维编织等方法制成的纤维预制体等增强材料,再再用真空袋封闭模腔用真空袋封闭模腔,抽真空并加热模具使模腔内的树脂膜或抽真空并加热模具使模腔内的树脂膜或树脂块融化树脂块融化,并在真空状态下渗透到纤维层并在真空状态下渗透到纤维层(一般是由下至一般是由下至上上),最后进行固化制得制品。最后进行固化制得制品。26复合材料及应用概况课件复合材料在复合材料在A380A380上的应用上的应用(4) (4) 固定机翼前缘和固定机翼前缘和机身上的某些次加强机身上的某些次加强件。采用热塑性复合件。采用热塑性复合材料制造。热塑性复材料制造。热塑性复合材料进一步扩大应合材料进一步扩大应用正处于研究中，如用正处于研究中，如某些翼肋和垂尾、平某些翼肋和垂尾、平尾的固定前缘亦可能尾的固定前缘亦可能用到。用到。27复合材料及应用概况课件复合材料在复合材料在A380A380上的应用上的应用(5) (5) 各种翼身整各种翼身整流罩、襟翼滑轨流罩、襟翼滑轨整流罩、操纵面整流罩、操纵面和起落架舱门等和起落架舱门等处。采用复合材处。采用复合材料夹层面板结构料夹层面板结构制造。制造。28复合材料及应用概况课件复合材料在复合材料在A380A380上的应用上的应用(6) (6) 机翼后缘处的机翼后缘处的襟、副翼。使用碳襟、副翼。使用碳纤维增强复合材料，纤维增强复合材料，当常规的技术难于当常规的技术难于成形时，可能有部成形时，可能有部分制件分制件( (如肋和铰如肋和铰链等链等) )采用采用RTMRTM技术技术制造。制造。29复合材料及应用概况课件RTM波纹梁波纹梁30复合材料及应用概况课件复合材料在复合材料在A380A380上的应用上的应用(7) (7) 机身蒙皮壁机身蒙皮壁板。在机身上计板。在机身上计划大规模采用一划大规模采用一种名为种名为GlareGlare层层板的超混杂复合板的超混杂复合材料结构。材料结构。31复合材料及应用概况课件GlareGlare层板结构层板结构Glare 层板是由（0. 30. 5 mm） 的铝合金薄板与预浸玻璃纤维带(0. 20. 3 mm) 交替层压而成的,我国称之为超混杂复合材料32复合材料及应用概况课件复合材料在复合材料在A380A380上的应用上的应用复合材料在复合材料在A380A380客机上仅碳客机上仅碳纤维复合材料的用量已达纤维复合材料的用量已达32t32t左右，占结构总重的左右，占结构总重的15%15%，再，再加上其他种类的复合材料，加上其他种类的复合材料，其总用量达结构总重的其总用量达结构总重的25%25%左左右，复合材料在右，复合材料在A380A380客机上客机上的应用规模，已远远超过的应用规模，已远远超过B777B777的水平。这一趋势和动的水平。这一趋势和动向引起了国内复合材料界的向引起了国内复合材料界的密切关注。密切关注。33复合材料及应用概况课件复合材料在复合材料在A350A350上的应用上的应用继继A380之后，空中客车之后，空中客车公司下一代商用飞机公司下一代商用飞机A350将将大量使用复合材料。大量使用复合材料。A350结构质量的结构质量的39%将将使用复合材料，主要是碳纤使用复合材料，主要是碳纤维增强塑料复合材料，这些维增强塑料复合材料，这些材料在垂直尾翼、机翼和机材料在垂直尾翼、机翼和机身整流板等重要部件中已被身整流板等重要部件中已被使用。使用。A350复合材料使用量复合材料使用量将比将比A380有很大增加，有很大增加，A380结构质量的结构质量的25%使用复合材使用复合材料，而料，而A380之前的空中客车之前的空中客车商用飞机使用比例仅商用飞机使用比例仅10%。大量使用复合材料以减轻飞大量使用复合材料以减轻飞机重量，减少燃油消耗，降机重量，减少燃油消耗，降低维修成本，延长飞机使用低维修成本，延长飞机使用寿命。寿命。34复合材料及应用概况课件复合材料在复合材料在A350A350上的应用上的应用空客没有在空客没有在B787的竞争机型的竞争机型A350上使用复合材料上使用复合材料机身，而是使用了金属机身，尽管如此，空客仍然希机身，而是使用了金属机身，尽管如此，空客仍然希望在该机型上复合材料重量能占到望在该机型上复合材料重量能占到39%左右。（为响左右。（为响应市场趋势并与应市场趋势并与B787有力竞争，空客考虑重新设计源有力竞争，空客考虑重新设计源于早期于早期A330系列的系列的A350，使其成为一个全新的机型，使其成为一个全新的机型，拥有更大的机身和机翼。）拥有更大的机身和机翼。）35复合材料及应用概况课件B78736复合材料及应用概况课件B78737复合材料及应用概况课件B787材料分布材料分布38复合材料及应用概况课件机身、大梁、翼梁等部件大量采用复合材料，翼肋机身、大梁、翼梁等部件大量采用复合材料，翼肋采用铝合金。采用铝合金。39复合材料及应用概况课件B787自动铺丝技术应用自动铺丝技术应用787飞机机身段整体自动铺丝成型飞机机身段整体自动铺丝成型40复合材料及应用概况课件B787自动铺丝技术应用自动铺丝技术应用位于西雅图波音位于西雅图波音DevelopmentalCenter的第一个的第一个B787复合材料机复合材料机身身41复合材料及应用概况课件B787飞机机身组装飞机机身组装42复合材料及应用概况课件视频视频10min中国航空中国航空复合材料与复合材料与78743复合材料及应用概况课件 复合材料是由两种或多种性质不同的复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合，组成具有材料通过物理和化学复合，组成具有两个两个或两个以上相态结构或两个以上相态结构的材料。该类材料不的材料。该类材料不仅仅性能优于组成中的任意一个单独的材料性能优于组成中的任意一个单独的材料，而且还可而且还可具有组分单独不具有的独特性能具有组分单独不具有的独特性能。1.1复合材料复合材料:44复合材料及应用概况课件轮胎、混凝土、玻璃钢、皮带、编织袋、瓦楞板轮胎、混凝土、玻璃钢、皮带、编织袋、瓦楞板45复合材料及应用概况课件基体材料基体材料-在复合材料中连续的物理相；（粘结）在复合材料中连续的物理相；（粘结） 增强材料增强材料-不连续的物理相，粒料、纤维、片不连续的物理相，粒料、纤维、片状材料或它们的组合。（增强）状材料或它们的组合。（增强） 复合材料的命名复合材料的命名-根据增强材料与基体材料名根据增强材料与基体材料名称称碳纤维碳纤维环氧树脂环氧树脂复合材料复合材料46复合材料及应用概况课件复合材料复合材料: 复合材料按用途主要可分为复合材料按用途主要可分为结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料两大类。两大类。47复合材料及应用概况课件结构复合材料结构复合材料主要作为承力结构使用的材料，主要作为承力结构使用的材料，由能承载的由能承载的增强体增强体组元（如玻璃、陶瓷、碳素、组元（如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等）与能联结增强体成为整体材料同时又起颗粒等）与能联结增强体成为整体材料同时又起传力作用的传力作用的基体基体组元（如树脂、金属、陶瓷、玻组元（如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等）构成。结构材料通常按基体的璃、碳和水泥等）构成。结构材料通常按基体的不同分为不同分为聚合物基复合材料聚合物基复合材料、金属基复合材料金属基复合材料、陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料、碳基复合材料碳基复合材料和和水泥基复合材水泥基复合材料料等。等。48复合材料及应用概况课件功能复合材料功能复合材料是指除力学性能以外还是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。包括压电、导电、雷达隐身、合材料。包括压电、导电、雷达隐身、磁性、阻尼、光致变色、吸声、吸波、磁性、阻尼、光致变色、吸声、吸波、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料，具有广阔的发展前途。料，具有广阔的发展前途。 未来的功能未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料，成复合材料比重将超过结构复合材料，成为复合材料发展的主流。主要由为复合材料发展的主流。主要由功能体功能体和和基体基体组成。组成。49复合材料及应用概况课件 复合材料的分类复合材料的分类:根据基体材料的类型根据基体材料的类型根据增强纤维类型根据增强纤维类型根据增强物外形根据增强物外形根据制造方法根据制造方法 金属基复合材料（金属基复合材料（铝、镁、铜）非金属基复合材料（非金属基复合材料（碳、石墨、橡胶、陶瓷、水泥）聚合物基复合材料聚合物基复合材料碳纤维复合材料碳纤维复合材料玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料有机纤维复合材料有机纤维复合材料硼纤维复合材料硼纤维复合材料混杂纤维复合材料混杂纤维复合材料连续纤维复合材料连续纤维复合材料纤维织物或片状材料增强的复合材料纤维织物或片状材料增强的复合材料短纤维增强复合材料短纤维增强复合材料粒状填料复合材料粒状填料复合材料层合复合材料层合复合材料混合复合材料混合复合材料浸渍复合材料浸渍复合材料50复合材料及应用概况课件智能材料（智能材料（SmartMaterials, , IntelligentMaterialSystem）：）： 智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化并智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，作出所能实时地改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。料的复合。 智能材料是一种集材料与结构、智能处理、执智能材料是一种集材料与结构、智能处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。构成智能材料的基本材料组元有压电材料、领域。构成智能材料的基本材料组元有压电材料、形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变体、磁致形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变体、磁致伸缩材料和智能高分子材料等。伸缩材料和智能高分子材料等。新材料新材料51复合材料及应用概况课件智能材料的构成智能材料的构成 基体材料基体材料敏感材料敏感材料驱动材料驱动材料信息处理器信息处理器52复合材料及应用概况课件53复合材料及应用概况课件“主动形主动形”的车门的车门把手，当它感应到把手，当它感应到你想进车的时候就你想进车的时候就会自动的展开。会自动的展开。新型的排风口也新型的排风口也可以自动调节角可以自动调节角度，使得通风效度，使得通风效果更好。果更好。54复合材料及应用概况课件n复合材料：由两种或两种以上的组份组成的材复合材料：由两种或两种以上的组份组成的材料，各组份材料基本上仍保持其固有的物理和化料，各组份材料基本上仍保持其固有的物理和化学性能，彼此间有明显的界面。学性能，彼此间有明显的界面。n先进复合材料：专指可用于加工主承力结构和先进复合材料：专指可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。目前主要指有较高强度和模量合金的复合材料。目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维和芳纶等增强的复合材料。的硼纤维、碳纤维和芳纶等增强的复合材料。n热固性复合材料：热固性复合材料：ThermosettingPlastic，以热，以热固性树脂为基体的复合材料。固性树脂为基体的复合材料。n热塑性复合材料：热塑性复合材料：ThermoplasticPlastic，以热，以热塑性树脂为基体的复合材料。塑性树脂为基体的复合材料。55复合材料及应用概况课件n碳碳/碳复合材料：由碳纤维织物或石墨纤维埋入碳复合材料：由碳纤维织物或石墨纤维埋入碳或石墨基体组成的一种复合材料。碳或石墨基体组成的一种复合材料。n预浸料：预浸料：Prepreg，将树脂基体浸涂在纤维织物，将树脂基体浸涂在纤维织物上，通过一定的处理后贮存备用的中间材料。上，通过一定的处理后贮存备用的中间材料。n单向带：单向带：Tape，以长纤维为径向而在纬向加少，以长纤维为径向而在纬向加少量且更细的纤维纺织加工成不同宽度的带。它经量且更细的纤维纺织加工成不同宽度的带。它经浸胶后叫浸胶后叫“预浸单向带预浸单向带”。56复合材料及应用概况课件1.2 1.2 钛合金钛合金(Titanium Alloys )(Titanium Alloys ) 钛作为一种金属材料步入人类社会只有大约钛作为一种金属材料步入人类社会只有大约半个世纪的历史。钛在地壳中的含量相当丰富。半个世纪的历史。钛在地壳中的含量相当丰富。在地壳外层中含有在地壳外层中含有0.610.61的钛，总蕴藏量达的钛，总蕴藏量达7 7亿亿吨以上，在金属元素中仅次于铝、铁、钙、钠、吨以上，在金属元素中仅次于铝、铁、钙、钠、钾、镁而处于第七位，为铜的钾、镁而处于第七位，为铜的6060倍，钼的倍，钼的600600倍。倍。钛比钢轻得多（它的密度只有钢的钛比钢轻得多（它的密度只有钢的1/21/2强），比强），比铝和钢更加结实（以同等重量而论），能抗腐蚀，铝和钢更加结实（以同等重量而论），能抗腐蚀，还能耐高温。因为这些优点，钛现在已被用于飞还能耐高温。因为这些优点，钛现在已被用于飞机、轮船、导弹等。机、轮船、导弹等。新材料新材料57复合材料及应用概况课件纯钛的形态纯钛的形态海绵钛海绵钛58复合材料及应用概况课件钛合金（钛合金（ Titanium Alloys Titanium Alloys ）：）：目前大部分飞机都是用铝合金制造的。超音速目前大部分飞机都是用铝合金制造的。超音速飞行的飞机表面受到空气强烈的磨擦和压缩，动能飞行的飞机表面受到空气强烈的磨擦和压缩，动能转变为热能，机体温度也随着升高。当飞机在转变为热能，机体温度也随着升高。当飞机在同温同温层层飞行（大气温度飞行（大气温度-56-56），其速度为音速（每小），其速度为音速（每小时时12001200公里）时，飞机表面的温度为公里）时，飞机表面的温度为-18-18；两倍；两倍于音速时，其温度为于音速时，其温度为9898；三倍于音速时，其温度；三倍于音速时，其温度为为300300。钛合金在温度达到钛合金在温度达到550550时强度仍无明显的变时强度仍无明显的变化，它能胜任飞机以化，它能胜任飞机以3 34 4倍音速下的飞行。因而钛倍音速下的飞行。因而钛合金受到航空航天界的特别关注。合金受到航空航天界的特别关注。59复合材料及应用概况课件 钛在其他飞行器，如火箭、导弹、人钛在其他飞行器，如火箭、导弹、人造卫星、航天飞机等方面都占有重要地造卫星、航天飞机等方面都占有重要地位。目前，位。目前，人造卫星的外壳人造卫星的外壳、航天飞机航天飞机的骨架和蒙皮的骨架和蒙皮、卫星的登月舱及推进系卫星的登月舱及推进系统统都采用了钛合金。这些航空航天器采都采用了钛合金。这些航空航天器采用钛合金后，不仅性能得到大幅度的提用钛合金后，不仅性能得到大幅度的提高，而且仅就重量减轻这一项来说，节高，而且仅就重量减轻这一项来说，节省的能源也是十分可观的。省的能源也是十分可观的。60复合材料及应用概况课件钛合金不仅在航空航天方面崭露头角，钛合金不仅在航空航天方面崭露头角，而且在航海方面也开始大显身手。据报道，而且在航海方面也开始大显身手。据报道，用钛制成的某型核动力潜艇，用钛达用钛制成的某型核动力潜艇，用钛达35003500吨，最大航速为每小时吨，最大航速为每小时7474公里，下潜深度公里，下潜深度达达900900米。这种全部钛合金潜艇不仅重量轻、米。这种全部钛合金潜艇不仅重量轻、航速高和攻击力强，而且无磁性，在海底航速高和攻击力强，而且无磁性，在海底不易被发现，因而也就不易遭到攻击。不易被发现，因而也就不易遭到攻击。 钛合金不仅在军事方面显示出独特的钛合金不仅在军事方面显示出独特的优势，由于其密度小、强度高及优异的耐优势，由于其密度小、强度高及优异的耐腐蚀性，在国民经济的许多部门都受到了腐蚀性，在国民经济的许多部门都受到了重视。重视。61复合材料及应用概况课件综观复合材料的发展历程，是高新技术在材料科综观复合材料的发展历程，是高新技术在材料科学研究过程中的推广应用过程。经过几代人不懈的努学研究过程中的推广应用过程。经过几代人不懈的努力，目前已形成四类复合材料共存，而树脂基复合材力，目前已形成四类复合材料共存，而树脂基复合材料则形成五代复合材料共用的良好局面。料则形成五代复合材料共用的良好局面。（1） 复合材料的发展复合材料的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展62复合材料及应用概况课件1)树脂基复合材料树脂基复合材料第一代复合材料第一代复合材料第一代复合材料第一代复合材料是以玻璃纤维增强复合材料为代表，在是以玻璃纤维增强复合材料为代表，在20世纪世纪50-60年代以年代以“玻璃钢玻璃钢”的名称广泛应用于军事、的名称广泛应用于军事、航天航空、兵器、船舶、化工、建筑、汽车、电子电气航天航空、兵器、船舶、化工、建筑、汽车、电子电气等行业。后来逐步形成的等行业。后来逐步形成的“玻璃钢玻璃钢”制造技术是树脂基制造技术是树脂基复合材料的重大技术进步和历史性变革，其产品质量有复合材料的重大技术进步和历史性变革，其产品质量有了质的飞跃，产品由原来在附件上应用而后来逐步发展了质的飞跃，产品由原来在附件上应用而后来逐步发展作为结构件或受力结构件得到广泛应用。作为结构件或受力结构件得到广泛应用。（1） 复合材料的发展复合材料的发展63复合材料及应用概况课件1)树脂基复合材料树脂基复合材料第一代复合材料第一代复合材料第一代复合材料第一代复合材料美国美国S994玻璃纤维拉伸强度高达玻璃纤维拉伸强度高达4650MPa，这种高，这种高强度高模量价格低廉的复合材料在武器装备、工业设备强度高模量价格低廉的复合材料在武器装备、工业设备、车辆中广泛应用。国外发达国家和军事强国也在高新、车辆中广泛应用。国外发达国家和军事强国也在高新技术领域、武器装备、航天航空和车辆中大量采用这类技术领域、武器装备、航天航空和车辆中大量采用这类复合材料，以减轻质量、降低成本、增加装置或设备的复合材料，以减轻质量、降低成本、增加装置或设备的功能特性。是目前用量最大、技术最为成熟的低成本复功能特性。是目前用量最大、技术最为成熟的低成本复合材料之一。合材料之一。（1） 复合材料的发展复合材料的发展64复合材料及应用概况课件第二代树脂基复合材料第二代树脂基复合材料是以碳纤维增强复合材料是以碳纤维增强复合材料为代表。它以卓越的比强度（为代表。它以卓越的比强度（12.8MPa）、比模量）、比模量（12.8GPa）凌驾于当时各种材料之首。由碳纤维增）凌驾于当时各种材料之首。由碳纤维增强的聚酰亚胺具有在强的聚酰亚胺具有在300以上长期使用、低温脆化以上长期使用、低温脆化(温度温度)点达点达-196的优异性能，因此获得了各国工业的优异性能，因此获得了各国工业部门和军方的高度重视，在工业领域、空间技术、航部门和军方的高度重视，在工业领域、空间技术、航天航空、地面武器装备中被广泛使用。随着碳纤维生天航空、地面武器装备中被广泛使用。随着碳纤维生产规模的扩大，成本的降低，在普通工业和常规兵器产规模的扩大，成本的降低，在普通工业和常规兵器上的应用将获得新的突破。上的应用将获得新的突破。（1） 复合材料的发展复合材料的发展65复合材料及应用概况课件第三代树脂基复合材料第三代树脂基复合材料是有机纤维增强复合是有机纤维增强复合材料，以美国杜邦公司的材料，以美国杜邦公司的Kevlar(芳纶芳纶)纤维复纤维复合材料为代表。这种热熔性液晶聚合物纤维比合材料为代表。这种热熔性液晶聚合物纤维比强度优越，弹性模量是玻纤的强度优越，弹性模量是玻纤的2倍，价格只有倍，价格只有碳纤维的碳纤维的13。加上其突出的韧性和回弹性是。加上其突出的韧性和回弹性是其他纤维所不具备的。故而问世不久就被各国其他纤维所不具备的。故而问世不久就被各国工业部门和军方采用。是目前最有发展前途的工业部门和军方采用。是目前最有发展前途的增强材料之一。增强材料之一。（1） 复合材料的发展复合材料的发展66复合材料及应用概况课件第四代树脂基复合材料第四代树脂基复合材料是是20世纪世纪80年代末美国年代末美国Allied公司商品化的一种公司商品化的一种Spectra-900和和1000为代表的超高强为代表的超高强度，度，超高模量的高拉伸聚乙烯纤维超高模量的高拉伸聚乙烯纤维。相继荷兰。相继荷兰DSM研究所研究所和日本东洋纺织公司联合开发了和日本东洋纺织公司联合开发了Dyneema高拉伸聚乙烯纤高拉伸聚乙烯纤维，并用其制造出环氧基复合材料，其拉伸强度达维，并用其制造出环氧基复合材料，其拉伸强度达3.5GPa、模量达模量达125GPa、比强度比钢大、比强度比钢大10倍、比碳纤维大倍、比碳纤维大4倍、比芳倍、比芳纤大纤大50，20世纪世纪90年代可称为世界上强度最大的纤维，年代可称为世界上强度最大的纤维，而且其密度最小而且其密度最小(0.92kgm3)。（1） 复合材料的发展复合材料的发展67复合材料及应用概况课件第四代树脂基复合材料第四代树脂基复合材料具有可透射雷达波、介电性极佳、结构强度高等特点，具有可透射雷达波、介电性极佳、结构强度高等特点，经经V50弹道实验表明该纤维属弹道实验表明该纤维属20世纪世纪90年代抗弹性最好的弹年代抗弹性最好的弹道材料，故而在兵器上获得了较为广泛的应用，特别是装道材料，故而在兵器上获得了较为广泛的应用，特别是装甲防护领域更是这种复合材料发挥作用的一展身手的领域；甲防护领域更是这种复合材料发挥作用的一展身手的领域；另外，可作为超轻质复合结构材料和超轻质功能结构材料另外，可作为超轻质复合结构材料和超轻质功能结构材料加以应用。加以应用。目前，这四代树脂基复合材料已形成四代共用局面。目前，这四代树脂基复合材料已形成四代共用局面。其材料技术和应用研究也逐步深入，生产规模不断扩大，其材料技术和应用研究也逐步深入，生产规模不断扩大，品种增多，为工程设计和新产品设计与研制提供了更为广品种增多，为工程设计和新产品设计与研制提供了更为广泛的选材余地。泛的选材余地。（1） 复合材料的发展复合材料的发展68复合材料及应用概况课件第五代树脂基复合材料第五代树脂基复合材料-第五代为第五代为PBO纤维增纤维增强复合材料强复合材料(商品名为柴隆商品名为柴隆Zylon)。美国道化学公司。美国道化学公司和日本东洋纺织公司合作研制成功的聚苯并双曙唑和日本东洋纺织公司合作研制成功的聚苯并双曙唑(PBO)纤维及其复合材料被称为纤维及其复合材料被称为21世纪超级纤维复合世纪超级纤维复合材料。该纤维无熔点，高温下不熔融，在空气中的热材料。该纤维无熔点，高温下不熔融，在空气中的热分解温度高达分解温度高达650 ，比对位芳酰胺纤维高，比对位芳酰胺纤维高100左左右。极限氧指数为右。极限氧指数为68，在有机纤维中，小于，在有机纤维中，小于PTFE纤纤维维(95)，而高于聚苯并眯唑，而高于聚苯并眯唑(PBl)纤维纤维(41)。（1） 复合材料的发展复合材料的发展69复合材料及应用概况课件第五代树脂基复合材料第五代树脂基复合材料该纤维在与火焰接触后不收缩，移去火焰后基本该纤维在与火焰接触后不收缩，移去火焰后基本无残焰，布料质地柔软。其密度为无残焰，布料质地柔软。其密度为1.54-1.56gcm3，拉，拉伸强度为伸强度为5.8GPa，拉伸模量为，拉伸模量为280GPa，断裂伸长率为，断裂伸长率为3.5。可制成短切纤维、织物、毡等，与树脂浸渍性。可制成短切纤维、织物、毡等，与树脂浸渍性亦佳，加工性能良好。是目前唯一将优越的力学性能、亦佳，加工性能良好。是目前唯一将优越的力学性能、卓越的耐高温性能和优良的加工性能结合在一起的有机卓越的耐高温性能和优良的加工性能结合在一起的有机纤维。纤维。1994年，日本东洋纺公司开始批量生产，是年，日本东洋纺公司开始批量生产，是21世世纪集耐高温和力学特性为一身的超高性能复合材料。也纪集耐高温和力学特性为一身的超高性能复合材料。也是一代更新换代的材料品种。是一代更新换代的材料品种。（1） 复合材料的发展复合材料的发展70复合材料及应用概况课件2)C/C复合材料复合材料20世纪世纪50年代以来，碳纤维技术的出现，为将石年代以来，碳纤维技术的出现，为将石墨材料发展成为一种真正实用的结构材料提供了条件。墨材料发展成为一种真正实用的结构材料提供了条件。20世纪世纪60年代，在美国空军材料实验室支持下，一种新年代，在美国空军材料实验室支持下，一种新的材料的材料C/C复合材料试制成功。它具有优异的比强度和复合材料试制成功。它具有优异的比强度和比弹性模量。今天比弹性模量。今天C/C复合材料已广泛应用于军事工业复合材料已广泛应用于军事工业和民用工业的各个领域。和民用工业的各个领域。（1） 复合材料的发展复合材料的发展71复合材料及应用概况课件2)C/C复合材料复合材料C/C复合材料的真正实用化得益于多向编织技术的复合材料的真正实用化得益于多向编织技术的出现和发展。出现和发展。20世纪世纪60年代末期出现了用于树脂基和碳年代末期出现了用于树脂基和碳基复合材料制造的编织技术，并成功地完成了圆轮、空基复合材料制造的编织技术，并成功地完成了圆轮、空心圆柱、平锥体结构的编织，此后，通过正确选取和设心圆柱、平锥体结构的编织，此后，通过正确选取和设计增强织物以满足复杂结构的需要成为可能。今天计增强织物以满足复杂结构的需要成为可能。今天C/C复合材料增强体可以有二向、三向、五向、七向、十一复合材料增强体可以有二向、三向、五向、七向、十一向等多种形式。特别是向等多种形式。特别是20世纪世纪80年代，多维整体编织技年代，多维整体编织技术的出现使得极大地发挥术的出现使得极大地发挥C/C复合材料潜力成为可能。复合材料潜力成为可能。（1） 复合材料的发展复合材料的发展72复合材料及应用概况课件2)C/C复合材料复合材料C/C复合材料具有优异的综合性能，迄今为止是用于宇航工业、复合材料具有优异的综合性能，迄今为止是用于宇航工业、热结构和固体火箭发动机喷管的热结构和固体火箭发动机喷管的最理想的烧蚀结构材料最理想的烧蚀结构材料，但其过，但其过长的工艺周期、过高的制造成本在一定程度上限制了它的应用。长的工艺周期、过高的制造成本在一定程度上限制了它的应用。C/C复合材料的改性方向主要围绕着提高性能和降低成本而复合材料的改性方向主要围绕着提高性能和降低成本而展开。在提高性能方面展开。在提高性能方面,近年来提出的一项重要途径是应用难熔近年来提出的一项重要途径是应用难熔碳化物涂层来提高碳化物涂层来提高C/C复合材料的抗氧化能力、降低烧蚀率、承复合材料的抗氧化能力、降低烧蚀率、承受更高的燃气温度或更长的工作时间。所用的难熔碳化物有碳化受更高的燃气温度或更长的工作时间。所用的难熔碳化物有碳化硅硅(SiC)、碳化铪、碳化铪(HfC)、碳化钽、碳化钽(TaC)、碳化铌、碳化铌(NbC)、碳化锆、碳化锆(ZrC)等，美、俄、法等国家均已开展这方面的研究并已取得阶等，美、俄、法等国家均已开展这方面的研究并已取得阶段性的成果，涂覆工艺多用化学气相沉积段性的成果，涂覆工艺多用化学气相沉积(CVD或或CVl)和化学气和化学气相反应相反应(CVR).（1） 复合材料的发展复合材料的发展73复合材料及应用概况课件2)C/C复合材料复合材料在降低成本方面，除编织技术外，更重要的是致密工艺的改在降低成本方面，除编织技术外，更重要的是致密工艺的改进，目前已着手研究的有强制热梯度进，目前已着手研究的有强制热梯度CVI工艺、快速致密工艺、工艺、快速致密工艺、等离子气相沉积工艺、使用新型高残碳率前驱体等离子气相沉积工艺、使用新型高残碳率前驱体(如如PAA)及采用及采用智能工艺控制系统来提高工艺质量等。从目前的研究结果来看，智能工艺控制系统来提高工艺质量等。从目前的研究结果来看，使用强制热梯度使用强制热梯度CVI工艺比均热法可提高效率工艺比均热法可提高效率10-30倍，而采用倍，而采用智能工艺控制系统可使预制件的工艺时间缩短智能工艺控制系统可使预制件的工艺时间缩短11、成本降低、成本降低15-20。（1） 复合材料的发展复合材料的发展74复合材料及应用概况课件3)陶瓷基和金属基复合材料陶瓷基和金属基复合材料尚处于研究阶段，还未进入批量生产和实际应用。具有优异尚处于研究阶段，还未进入批量生产和实际应用。具有优异的高温强度，目前是可用其制作摩擦结构材料、固体发动机喷管的高温强度，目前是可用其制作摩擦结构材料、固体发动机喷管和燃烧室壳体之间的热结构连接件的理想材料，此外，还可用作和燃烧室壳体之间的热结构连接件的理想材料，此外，还可用作出口锥和延伸锥的一些部件出口锥和延伸锥的一些部件(如喷管背壁防热绝热系统等如喷管背壁防热绝热系统等)。陶。陶瓷基复合材料作为固体发动机的热结构连接件，已进行过发动机瓷基复合材料作为固体发动机的热结构连接件，已进行过发动机地面热试车。地面热试车。众多陶瓷材料中，以氮化硅系高温热结构陶瓷复合材料最引众多陶瓷材料中，以氮化硅系高温热结构陶瓷复合材料最引人注目。其综合性能较突出，具有耐高温、耐腐蚀、抗热震、硬人注目。其综合性能较突出，具有耐高温、耐腐蚀、抗热震、硬度高、韧性好、热胀系数小、密度较低等特点，非常适于制作高度高、韧性好、热胀系数小、密度较低等特点，非常适于制作高温承力部件。目前，先进国家已把氮化硅系陶瓷材料作为热结构温承力部件。目前，先进国家已把氮化硅系陶瓷材料作为热结构的首选陶瓷材料进行广泛、重点的研究与开发。的首选陶瓷材料进行广泛、重点的研究与开发。Si3N4系陶瓷材系陶瓷材料在军用和民用领域均有十分广阔的应用前景。料在军用和民用领域均有十分广阔的应用前景。（1） 复合材料的发展复合材料的发展75复合材料及应用概况课件 复合材料的发展与其制造技术的发展息息相关，也就是说，复合材料的发展与其制造技术的发展息息相关，也就是说，复合材料工艺的发展是复合材料发展最重要的基础和条件，材料复合材料工艺的发展是复合材料发展最重要的基础和条件，材料和工艺两者相辅相成互相推进和工艺两者相辅相成互相推进。复合材料工艺利用和借鉴其他材。复合材料工艺利用和借鉴其他材料的成型工艺及设备，根据复合材料成型过程的特殊要求，不断料的成型工艺及设备，根据复合材料成型过程的特殊要求，不断发展和完善，逐步形成一套复合材料制造技术体系。工艺技术的发展和完善，逐步形成一套复合材料制造技术体系。工艺技术的发展和技术进步主要是指树脂基复合材料、发展和技术进步主要是指树脂基复合材料、C/CC/C复合材料和纳米复合材料和纳米复合材料的技术进步，而陶瓷基和金属基复合材料制造工艺技术复合材料的技术进步，而陶瓷基和金属基复合材料制造工艺技术基本上还是采用基体材料的制造方法，就其纤维增强的陶瓷或金基本上还是采用基体材料的制造方法，就其纤维增强的陶瓷或金属基复合材料而言，目前还是借用属基复合材料而言，目前还是借用C/CC/C复合材料的制造工艺生产复合材料的制造工艺生产的。的。（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展76复合材料及应用概况课件 1 1 1 1) )树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术早在早在20世纪世纪40年代初国外就用手糊工艺制造出军用飞机雷达年代初国外就用手糊工艺制造出军用飞机雷达罩，这种质轻、承载能力强、并具备优良的电磁波穿透性的制品罩，这种质轻、承载能力强、并具备优良的电磁波穿透性的制品的出现，受到各国军方和飞机制造厂家的高度关注。的出现，受到各国军方和飞机制造厂家的高度关注。1942年第一年第一艘玻璃钢渔船又采用手糊方法制造成功，使有数千年历史的裱糊艘玻璃钢渔船又采用手糊方法制造成功，使有数千年历史的裱糊工艺中的手糊工艺技术得到了广泛的应用，随之石油化工容器、工艺中的手糊工艺技术得到了广泛的应用，随之石油化工容器、贮槽、汽车壳体等相继问世。手糊工艺在目前制备技术高度发达贮槽、汽车壳体等相继问世。手糊工艺在目前制备技术高度发达的今天，以其工艺简便，投资低廉，工艺适用面广等独特的优点的今天，以其工艺简便，投资低廉，工艺适用面广等独特的优点仍然延用，且具有发展趋势。仍然延用，且具有发展趋势。（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展77复合材料及应用概况课件 为了克服手糊制品材料质地疏松、密度低从而严重影响制品为了克服手糊制品材料质地疏松、密度低从而严重影响制品强度的缺点，强度的缺点，20世纪世纪50年代初研制出真空袋、压力袋、压力罐等年代初研制出真空袋、压力袋、压力罐等技术，使制品质量有了明显提高，满足了应用要求。技术，使制品质量有了明显提高，满足了应用要求。为了改善工人劳动条件，提高手糊工作效率，为了改善工人劳动条件，提高手糊工作效率，20世纪世纪60年代年代又研制出喷射工艺。喷射成型也可归于手糊工艺又研制出喷射工艺。喷射成型也可归于手糊工艺(低压成型低压成型)一类。一类。它的主要不同处是增强材料改用短切纤维代替玻璃布，短切纤维它的主要不同处是增强材料改用短切纤维代替玻璃布，短切纤维和树脂分别经过喷枪混和后被压缩空气喷洒在模具上，达到预定和树脂分别经过喷枪混和后被压缩空气喷洒在模具上，达到预定厚度后，再手工用橡胶辊按压，然后固化成型。喷射成型较之手厚度后，再手工用橡胶辊按压，然后固化成型。喷射成型较之手糊工艺适应性得以提高，制品的质量也获得改善，更重要的是提糊工艺适应性得以提高，制品的质量也获得改善，更重要的是提高了工作效率，使复合材料成型的手工劳动比例大为下降。高了工作效率，使复合材料成型的手工劳动比例大为下降。（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展1)1)树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术78复合材料及应用概况课件 19941994年，美国采用玻璃钢机翼的军用飞机试飞成功。这种机年，美国采用玻璃钢机翼的军用飞机试飞成功。这种机年，美国采用玻璃钢机翼的军用飞机试飞成功。这种机年，美国采用玻璃钢机翼的军用飞机试飞成功。这种机翼的上下蒙皮均是玻璃布层合板，中间粘接轻质材料作为夹芯。翼的上下蒙皮均是玻璃布层合板，中间粘接轻质材料作为夹芯。翼的上下蒙皮均是玻璃布层合板，中间粘接轻质材料作为夹芯。翼的上下蒙皮均是玻璃布层合板，中间粘接轻质材料作为夹芯。蒙皮采用了层压工艺，制品的密度、表面质量和强度均大大优于蒙皮采用了层压工艺，制品的密度、表面质量和强度均大大优于蒙皮采用了层压工艺，制品的密度、表面质量和强度均大大优于蒙皮采用了层压工艺，制品的密度、表面质量和强度均大大优于手糊工艺。同时夹芯的装配采用了粘接工艺，从此将具有悠久历手糊工艺。同时夹芯的装配采用了粘接工艺，从此将具有悠久历手糊工艺。同时夹芯的装配采用了粘接工艺，从此将具有悠久历手糊工艺。同时夹芯的装配采用了粘接工艺，从此将具有悠久历史的粘接技术引入了复合材料工艺。在第二次世界大战期间，美史的粘接技术引入了复合材料工艺。在第二次世界大战期间，美史的粘接技术引入了复合材料工艺。在第二次世界大战期间，美史的粘接技术引入了复合材料工艺。在第二次世界大战期间，美国陆军采用模压成型工艺制造出碎布增强的枪托、护木和握把，国陆军采用模压成型工艺制造出碎布增强的枪托、护木和握把，国陆军采用模压成型工艺制造出碎布增强的枪托、护木和握把，国陆军采用模压成型工艺制造出碎布增强的枪托、护木和握把，2020世纪世纪世纪世纪5050年代年代年代年代6060年代又改用玻璃钢枪托护木和握把，同时还模年代又改用玻璃钢枪托护木和握把，同时还模年代又改用玻璃钢枪托护木和握把，同时还模年代又改用玻璃钢枪托护木和握把，同时还模压成大口径炮弹弹托，使武器装备的重量大大减轻，机动灵活性压成大口径炮弹弹托，使武器装备的重量大大减轻，机动灵活性压成大口径炮弹弹托，使武器装备的重量大大减轻，机动灵活性压成大口径炮弹弹托，使武器装备的重量大大减轻，机动灵活性增强，为地面武器装备轻量化、功能化开创了新的研究领域。增强，为地面武器装备轻量化、功能化开创了新的研究领域。增强，为地面武器装备轻量化、功能化开创了新的研究领域。增强，为地面武器装备轻量化、功能化开创了新的研究领域。（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展1)1)树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术79复合材料及应用概况课件 2020世纪世纪世纪世纪5050年代，环氧树脂获得实际应用，由于它的年代，环氧树脂获得实际应用，由于它的年代，环氧树脂获得实际应用，由于它的年代，环氧树脂获得实际应用，由于它的优越性能，立即被作为基体制成复合材料用于直升机旋优越性能，立即被作为基体制成复合材料用于直升机旋优越性能，立即被作为基体制成复合材料用于直升机旋优越性能，立即被作为基体制成复合材料用于直升机旋翼。翼。翼。翼。19561956年，采用层压工艺生产出了玻璃布环氧树脂年，采用层压工艺生产出了玻璃布环氧树脂年，采用层压工艺生产出了玻璃布环氧树脂年，采用层压工艺生产出了玻璃布环氧树脂层合板，迄今仍是制造印刷电路板的理想材料。与手糊层合板，迄今仍是制造印刷电路板的理想材料。与手糊层合板，迄今仍是制造印刷电路板的理想材料。与手糊层合板，迄今仍是制造印刷电路板的理想材料。与手糊和喷射成型不同，层压是将逐层铺叠的浸胶玻璃布放置和喷射成型不同，层压是将逐层铺叠的浸胶玻璃布放置和喷射成型不同，层压是将逐层铺叠的浸胶玻璃布放置和喷射成型不同，层压是将逐层铺叠的浸胶玻璃布放置于上下平板模之间加压加温固化，因此产品质量改善，于上下平板模之间加压加温固化，因此产品质量改善，于上下平板模之间加压加温固化，因此产品质量改善，于上下平板模之间加压加温固化，因此产品质量改善，易于实现连续化大批量生产，这种工艺直接继承了木胶易于实现连续化大批量生产，这种工艺直接继承了木胶易于实现连续化大批量生产，这种工艺直接继承了木胶易于实现连续化大批量生产，这种工艺直接继承了木胶合板的生产方法与设备，并根据树脂的流变性能，进行合板的生产方法与设备，并根据树脂的流变性能，进行合板的生产方法与设备，并根据树脂的流变性能，进行合板的生产方法与设备，并根据树脂的流变性能，进行了改进与完善。了改进与完善。了改进与完善。了改进与完善。（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展1)1)树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术80复合材料及应用概况课件与层压工艺相近的复合材料工艺是模压。此种工艺与层压工艺相近的复合材料工艺是模压。此种工艺与层压工艺相近的复合材料工艺是模压。此种工艺与层压工艺相近的复合材料工艺是模压。此种工艺是在对模中加温加压一次得到所需形状的制品。模压工是在对模中加温加压一次得到所需形状的制品。模压工是在对模中加温加压一次得到所需形状的制品。模压工是在对模中加温加压一次得到所需形状的制品。模压工艺参照了金属成型的铸造、模锻等工艺，模压制品作为艺参照了金属成型的铸造、模锻等工艺，模压制品作为艺参照了金属成型的铸造、模锻等工艺，模压制品作为艺参照了金属成型的铸造、模锻等工艺，模压制品作为一种复合材料，它的历史较之玻璃钢要更早一些，可以一种复合材料，它的历史较之玻璃钢要更早一些，可以一种复合材料，它的历史较之玻璃钢要更早一些，可以一种复合材料，它的历史较之玻璃钢要更早一些，可以追溯到追溯到追溯到追溯到1919世纪末期。当时发明了酚醛树脂，开始在树脂世纪末期。当时发明了酚醛树脂，开始在树脂世纪末期。当时发明了酚醛树脂，开始在树脂世纪末期。当时发明了酚醛树脂，开始在树脂中加入木粉或石棉粉作填料，采用金属对模压制生产电中加入木粉或石棉粉作填料，采用金属对模压制生产电中加入木粉或石棉粉作填料，采用金属对模压制生产电中加入木粉或石棉粉作填料，采用金属对模压制生产电器绝缘零件器绝缘零件器绝缘零件器绝缘零件( (如电开关如电开关如电开关如电开关) )。玻璃钢问世后，玻璃纤维取代。玻璃钢问世后，玻璃纤维取代。玻璃钢问世后，玻璃纤维取代。玻璃钢问世后，玻璃纤维取代了木粉、石棉等，用此种工艺制成了复合材料制件。了木粉、石棉等，用此种工艺制成了复合材料制件。了木粉、石棉等，用此种工艺制成了复合材料制件。了木粉、石棉等，用此种工艺制成了复合材料制件。（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展1)1)树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术81复合材料及应用概况课件模压制品内外表面光洁，尺寸准确，材料质量均匀，强度提模压制品内外表面光洁，尺寸准确，材料质量均匀，强度提模压制品内外表面光洁，尺寸准确，材料质量均匀，强度提模压制品内外表面光洁，尺寸准确，材料质量均匀，强度提高，适于大批量生产。最早是湿法成型，即将纤维与树脂直接放高，适于大批量生产。最早是湿法成型，即将纤维与树脂直接放高，适于大批量生产。最早是湿法成型，即将纤维与树脂直接放高，适于大批量生产。最早是湿法成型，即将纤维与树脂直接放人模具内加压固化。它的缺点是混料不易均匀，劳动条件差，费人模具内加压固化。它的缺点是混料不易均匀，劳动条件差，费人模具内加压固化。它的缺点是混料不易均匀，劳动条件差，费人模具内加压固化。它的缺点是混料不易均匀，劳动条件差，费时费工。从时费工。从时费工。从时费工。从19491949年开始，市面有事先混合好的面团状模塑料年开始，市面有事先混合好的面团状模塑料年开始，市面有事先混合好的面团状模塑料年开始，市面有事先混合好的面团状模塑料“ “团状模塑料团状模塑料团状模塑料团状模塑料(DMC)”(DMC)”出售。它由专门厂出售。它由专门厂出售。它由专门厂出售。它由专门厂( (车间车间车间车间) )将不饱和聚酯树将不饱和聚酯树将不饱和聚酯树将不饱和聚酯树脂、短切玻璃无捻粗纱、填料、颜料、固化剂等混合搅拌均匀呈脂、短切玻璃无捻粗纱、填料、颜料、固化剂等混合搅拌均匀呈脂、短切玻璃无捻粗纱、填料、颜料、固化剂等混合搅拌均匀呈脂、短切玻璃无捻粗纱、填料、颜料、固化剂等混合搅拌均匀呈半干态的团状料作为原料出售。复合材料制造厂家只需购买半干态的团状料作为原料出售。复合材料制造厂家只需购买半干态的团状料作为原料出售。复合材料制造厂家只需购买半干态的团状料作为原料出售。复合材料制造厂家只需购买DMCDMC，按制品重量将料块加入模具中，加热加压固化成型。由，按制品重量将料块加入模具中，加热加压固化成型。由，按制品重量将料块加入模具中，加热加压固化成型。由，按制品重量将料块加入模具中，加热加压固化成型。由于原料准备工作由专业厂集中进行，极大地改善了模压工艺条件，于原料准备工作由专业厂集中进行，极大地改善了模压工艺条件，于原料准备工作由专业厂集中进行，极大地改善了模压工艺条件，于原料准备工作由专业厂集中进行，极大地改善了模压工艺条件，也在一定程度上提高了工作效率，改善了制品质量，这是模压工也在一定程度上提高了工作效率，改善了制品质量，这是模压工也在一定程度上提高了工作效率，改善了制品质量，这是模压工也在一定程度上提高了工作效率，改善了制品质量，这是模压工艺的一个划时代的进步。艺的一个划时代的进步。艺的一个划时代的进步。艺的一个划时代的进步。（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展1)1)树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术82复合材料及应用概况课件DMCDMC流动性好，成本低，缺点是制品收缩较大。后来又出流动性好，成本低，缺点是制品收缩较大。后来又出流动性好，成本低，缺点是制品收缩较大。后来又出流动性好，成本低，缺点是制品收缩较大。后来又出现了块状模塑料现了块状模塑料现了块状模塑料现了块状模塑料(BMC)(BMC)。BMCBMC是在是在是在是在DMCDMC配方基础上加入化学增配方基础上加入化学增配方基础上加入化学增配方基础上加入化学增稠剂和低收缩添加剂，并采用较长的纤维，提高纤维含量。这一稠剂和低收缩添加剂，并采用较长的纤维，提高纤维含量。这一稠剂和低收缩添加剂，并采用较长的纤维，提高纤维含量。这一稠剂和低收缩添加剂，并采用较长的纤维，提高纤维含量。这一改进大大提高了模压制品的物理力学性能和表面粗糙度。改进大大提高了模压制品的物理力学性能和表面粗糙度。改进大大提高了模压制品的物理力学性能和表面粗糙度。改进大大提高了模压制品的物理力学性能和表面粗糙度。BMCBMC还可用于注射成型，进一步提高了生产效率。为了适应大尺寸薄还可用于注射成型，进一步提高了生产效率。为了适应大尺寸薄还可用于注射成型，进一步提高了生产效率。为了适应大尺寸薄还可用于注射成型，进一步提高了生产效率。为了适应大尺寸薄壁制品模压件的要求和降低压机的吨位，壁制品模压件的要求和降低压机的吨位，壁制品模压件的要求和降低压机的吨位，壁制品模压件的要求和降低压机的吨位，2020世纪世纪世纪世纪6060年代初在联邦年代初在联邦年代初在联邦年代初在联邦德国出现了片状模塑料德国出现了片状模塑料德国出现了片状模塑料德国出现了片状模塑料(SMC)(SMC)，19651965年左右美日等国相继发展了年左右美日等国相继发展了年左右美日等国相继发展了年左右美日等国相继发展了片状模塑料的成型工艺。现在此种模塑料成型工艺已广泛应用于片状模塑料的成型工艺。现在此种模塑料成型工艺已广泛应用于片状模塑料的成型工艺。现在此种模塑料成型工艺已广泛应用于片状模塑料的成型工艺。现在此种模塑料成型工艺已广泛应用于汽车车身、船身、浴盆等薄壁深凹形制品的自动化连续生产，近汽车车身、船身、浴盆等薄壁深凹形制品的自动化连续生产，近汽车车身、船身、浴盆等薄壁深凹形制品的自动化连续生产，近汽车车身、船身、浴盆等薄壁深凹形制品的自动化连续生产，近几年世界玻璃钢市场上几年世界玻璃钢市场上几年世界玻璃钢市场上几年世界玻璃钢市场上SMCSMC的年增长率高达的年增长率高达的年增长率高达的年增长率高达20202525。（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展1)1)树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术83复合材料及应用概况课件19461946年，美国发明了用纤维缠绕工艺技术，连续玻璃纤维年，美国发明了用纤维缠绕工艺技术，连续玻璃纤维年，美国发明了用纤维缠绕工艺技术，连续玻璃纤维年，美国发明了用纤维缠绕工艺技术，连续玻璃纤维缠绕压力容器的工艺方法，应用于制造火箭发动机壳体、高压气缠绕压力容器的工艺方法，应用于制造火箭发动机壳体、高压气缠绕压力容器的工艺方法，应用于制造火箭发动机壳体、高压气缠绕压力容器的工艺方法，应用于制造火箭发动机壳体、高压气瓶和管道等承压结构件。这种工艺可以保证增强材料按承力需要瓶和管道等承压结构件。这种工艺可以保证增强材料按承力需要瓶和管道等承压结构件。这种工艺可以保证增强材料按承力需要瓶和管道等承压结构件。这种工艺可以保证增强材料按承力需要的方向和数量配置，可充分发挥纤维的承载潜力，体现了复合材的方向和数量配置，可充分发挥纤维的承载潜力，体现了复合材的方向和数量配置，可充分发挥纤维的承载潜力，体现了复合材的方向和数量配置，可充分发挥纤维的承载潜力，体现了复合材料可设计性及各向异性的优点。从料可设计性及各向异性的优点。从料可设计性及各向异性的优点。从料可设计性及各向异性的优点。从2020世纪世纪世纪世纪6060年代开始，美国将纤年代开始，美国将纤年代开始，美国将纤年代开始，美国将纤维缠绕技术用于制造大型固体火箭发动机壳体使导弹的重量大大维缠绕技术用于制造大型固体火箭发动机壳体使导弹的重量大大维缠绕技术用于制造大型固体火箭发动机壳体使导弹的重量大大维缠绕技术用于制造大型固体火箭发动机壳体使导弹的重量大大减轻，射程成倍增加。例如北极星减轻，射程成倍增加。例如北极星减轻，射程成倍增加。例如北极星减轻，射程成倍增加。例如北极星A3A3导弹一、二级发动机壳体导弹一、二级发动机壳体导弹一、二级发动机壳体导弹一、二级发动机壳体用复合材料代替合金钢，质量减轻用复合材料代替合金钢，质量减轻用复合材料代替合金钢，质量减轻用复合材料代替合金钢，质量减轻4545，射程由，射程由，射程由，射程由1600km1600km增至增至增至增至4000km4000km，此一范例稳固地确立了复合材料在现代武器和国防技，此一范例稳固地确立了复合材料在现代武器和国防技，此一范例稳固地确立了复合材料在现代武器和国防技，此一范例稳固地确立了复合材料在现代武器和国防技术中的地位。术中的地位。术中的地位。术中的地位。（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展1)1)树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术84复合材料及应用概况课件纤维缠绕的主要设备缠绕机是参考纺织技术设计发纤维缠绕的主要设备缠绕机是参考纺织技术设计发纤维缠绕的主要设备缠绕机是参考纺织技术设计发纤维缠绕的主要设备缠绕机是参考纺织技术设计发展的，充分继承了纺织工业的一些古典技术，例如旋转展的，充分继承了纺织工业的一些古典技术，例如旋转展的，充分继承了纺织工业的一些古典技术，例如旋转展的，充分继承了纺织工业的一些古典技术，例如旋转机构，并捻、络纱和张力控制等，同时也汲取了车床走机构，并捻、络纱和张力控制等，同时也汲取了车床走机构，并捻、络纱和张力控制等，同时也汲取了车床走机构，并捻、络纱和张力控制等，同时也汲取了车床走刀系统的动作原理。和模压工艺类似，缠绕工艺也经历刀系统的动作原理。和模压工艺类似，缠绕工艺也经历刀系统的动作原理。和模压工艺类似，缠绕工艺也经历刀系统的动作原理。和模压工艺类似，缠绕工艺也经历了湿法了湿法了湿法了湿法( (纤维浸胶在缠绕机上进行纤维浸胶在缠绕机上进行纤维浸胶在缠绕机上进行纤维浸胶在缠绕机上进行)半干法半干法半干法半干法( (纤维从纤维从纤维从纤维从浸胶到缠绕于芯模上中间经过烘烤驱除溶剂浸胶到缠绕于芯模上中间经过烘烤驱除溶剂浸胶到缠绕于芯模上中间经过烘烤驱除溶剂浸胶到缠绕于芯模上中间经过烘烤驱除溶剂)干法干法干法干法( (由专门的工厂或车间提供已浸胶并达到预固化状态的由专门的工厂或车间提供已浸胶并达到预固化状态的由专门的工厂或车间提供已浸胶并达到预固化状态的由专门的工厂或车间提供已浸胶并达到预固化状态的纤维纤维纤维纤维) )，从而改善了操作条件、提高了生产效率。缠绕，从而改善了操作条件、提高了生产效率。缠绕，从而改善了操作条件、提高了生产效率。缠绕，从而改善了操作条件、提高了生产效率。缠绕机也从机械式发展到高精度液压伺服缠绕机和计算机控机也从机械式发展到高精度液压伺服缠绕机和计算机控机也从机械式发展到高精度液压伺服缠绕机和计算机控机也从机械式发展到高精度液压伺服缠绕机和计算机控制的缠绕机，适于缠绕各种复杂截面及形状的承压容器。制的缠绕机，适于缠绕各种复杂截面及形状的承压容器。制的缠绕机，适于缠绕各种复杂截面及形状的承压容器。制的缠绕机，适于缠绕各种复杂截面及形状的承压容器。（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展1)1)树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术85复合材料及应用概况课件缠绕技术除用于制造有承载要求的承压容器外，也被用于缠绕技术除用于制造有承载要求的承压容器外，也被用于缠绕技术除用于制造有承载要求的承压容器外，也被用于缠绕技术除用于制造有承载要求的承压容器外，也被用于制造防热制品，如远程导弹的再人头锥，大面积防热壳体和固体制造防热制品，如远程导弹的再人头锥，大面积防热壳体和固体制造防热制品，如远程导弹的再人头锥，大面积防热壳体和固体制造防热制品，如远程导弹的再人头锥，大面积防热壳体和固体火箭的烧蚀式尾喷管。此时多用布带代替纤维作为增强材料，并火箭的烧蚀式尾喷管。此时多用布带代替纤维作为增强材料，并火箭的烧蚀式尾喷管。此时多用布带代替纤维作为增强材料，并火箭的烧蚀式尾喷管。此时多用布带代替纤维作为增强材料，并在一些产品中综合运用手糊、模压、缠绕技术。在一些产品中综合运用手糊、模压、缠绕技术。在一些产品中综合运用手糊、模压、缠绕技术。在一些产品中综合运用手糊、模压、缠绕技术。为了适应节省能源的世界性趋势，国外出现了反应注射模塑为了适应节省能源的世界性趋势，国外出现了反应注射模塑为了适应节省能源的世界性趋势，国外出现了反应注射模塑为了适应节省能源的世界性趋势，国外出现了反应注射模塑(RIM)(RIM)、增强反应注射模塑、增强反应注射模塑、增强反应注射模塑、增强反应注射模塑(RRIM)(RRIM)新工艺和树脂传递模塑新工艺和树脂传递模塑新工艺和树脂传递模塑新工艺和树脂传递模塑(RTM)(RTM)等等等等液体法成型复合材料新工艺。液体法成型复合材料新工艺。液体法成型复合材料新工艺。液体法成型复合材料新工艺。它将液态单体合成为高分子聚合物，它将液态单体合成为高分子聚合物，它将液态单体合成为高分子聚合物，它将液态单体合成为高分子聚合物，再从聚合物固化反应为复合材料的过程改为直接在模具中同时一再从聚合物固化反应为复合材料的过程改为直接在模具中同时一再从聚合物固化反应为复合材料的过程改为直接在模具中同时一再从聚合物固化反应为复合材料的过程改为直接在模具中同时一次完成，既减少了工艺过程中的能量消耗，又缩短了模塑周期次完成，既减少了工艺过程中的能量消耗，又缩短了模塑周期次完成，既减少了工艺过程中的能量消耗，又缩短了模塑周期次完成，既减少了工艺过程中的能量消耗，又缩短了模塑周期( (只需约只需约只需约只需约2min2min便可完成一件制品便可完成一件制品便可完成一件制品便可完成一件制品) )。当然，此种工艺的推广应用，当然，此种工艺的推广应用，当然，此种工艺的推广应用，当然，此种工艺的推广应用，必须以精确的管道输送和计量以及温度压力自动控制为基础。它必须以精确的管道输送和计量以及温度压力自动控制为基础。它必须以精确的管道输送和计量以及温度压力自动控制为基础。它必须以精确的管道输送和计量以及温度压力自动控制为基础。它是高分子材料和近代高新科学技术成果应用于复合材料工艺的范是高分子材料和近代高新科学技术成果应用于复合材料工艺的范是高分子材料和近代高新科学技术成果应用于复合材料工艺的范是高分子材料和近代高新科学技术成果应用于复合材料工艺的范例，是复合材料工艺方法的一次革命性进步。例，是复合材料工艺方法的一次革命性进步。例，是复合材料工艺方法的一次革命性进步。例，是复合材料工艺方法的一次革命性进步。（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展1)1)树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术86复合材料及应用概况课件综观复合材料制造工艺的发展过程，其间产生了四次重大的技综观复合材料制造工艺的发展过程，其间产生了四次重大的技术进步：术进步： 第一次技术进步是第一次技术进步是19261926年发明的年发明的传递模塑工艺传递模塑工艺，对树脂基复合，对树脂基复合材料制品采用了专用的塑化装置，有效地改变了制品在型腔内的塑材料制品采用了专用的塑化装置，有效地改变了制品在型腔内的塑化状况，解决了树脂基复合材料，特别是用量较大的热固性树脂基化状况，解决了树脂基复合材料，特别是用量较大的热固性树脂基复合材料复杂结构制品质量和制造难题。复合材料复杂结构制品质量和制造难题。 第二次技术进步是第二次技术进步是19451945年研制的年研制的高频预热技术高频预热技术，克服了以往几，克服了以往几种预热方法的缺点，使制品质量和生产效率有了显著提高。种预热方法的缺点，使制品质量和生产效率有了显著提高。 第三次技术进步是于第三次技术进步是于19631963年研制成功的年研制成功的注射成型技术注射成型技术，特别是，特别是热固性树脂基复合材料的注射成型技术，使其制品质量、生产效率、热固性树脂基复合材料的注射成型技术，使其制品质量、生产效率、自动化程度得到明显提高。自动化程度得到明显提高。（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展1)1)树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术87复合材料及应用概况课件第四次技术进步是第四次技术进步是2020世纪世纪8080年代研制的年代研制的液体模塑成型技术液体模塑成型技术，即，即增强反应注射成型和树脂传递模塑成型技术。它用单体注射、转化增强反应注射成型和树脂传递模塑成型技术。它用单体注射、转化为聚合物，再与预制件结合制成高级复合材料或制品。利用这种工为聚合物，再与预制件结合制成高级复合材料或制品。利用这种工艺可制造超厚截面制品艺可制造超厚截面制品( (如厚板复合装甲、车体、炮塔用复合材料如厚板复合装甲、车体、炮塔用复合材料装甲装甲) )、雷达罩、直升飞机机体和舰船体、汽车车体等，再加上电、雷达罩、直升飞机机体和舰船体、汽车车体等，再加上电子束固化技术的运用，使复合材料制造更加便捷，在取代钢铁的道子束固化技术的运用，使复合材料制造更加便捷，在取代钢铁的道路上迈出坚定的一步，标志着工业用结构材料已由钢铁时代进入复路上迈出坚定的一步，标志着工业用结构材料已由钢铁时代进入复合材料时代。合材料时代。（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展1)1)树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术树脂基复合材料制造技术88复合材料及应用概况课件 2 2 2 2)C/C)C/C复合材料制造技术复合材料制造技术复合材料制造技术复合材料制造技术C/CC/C复合材料目前主要采用气体热解技术、树脂先驱体热复合材料目前主要采用气体热解技术、树脂先驱体热复合材料目前主要采用气体热解技术、树脂先驱体热复合材料目前主要采用气体热解技术、树脂先驱体热解技术和沥青先驱体热解技术等。解技术和沥青先驱体热解技术等。解技术和沥青先驱体热解技术等。解技术和沥青先驱体热解技术等。uu编织技术：编织技术：编织技术：编织技术：（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展二向二向碳布织物碳布织物三向三向碳布织物碳布织物 为了获得各向同性的织物结构，对最基本的为了获得各向同性的织物结构，对最基本的3D3D正正交结构进行适当的修改可得到四向、五向、七向和十交结构进行适当的修改可得到四向、五向、七向和十一向增强织物结构。一向增强织物结构。 89复合材料及应用概况课件5D5D结构结构-在在3D3D正交结构的基础上沿正交结构的基础上沿x x、y y平平面增加两个增强方向，使得其在面增加两个增强方向，使得其在xyxy面内土面内土4545方向上具有新的增强效果。方向上具有新的增强效果。 7D7D结构结构-增加对角线增强方向，这样，由增加对角线增强方向，这样，由三个正交方向和四个对角向组成三个正交方向和四个对角向组成7D7D结构。结构。11D11D结构结构-3D-3D正交结构同时增加四个对角线正交结构同时增加四个对角线向和四个对角面向将产生一种基本各向同性的向和四个对角面向将产生一种基本各向同性的11D11D增强织物结构。增强织物结构。 所有这些结构都可以通过选取织物密实效所有这些结构都可以通过选取织物密实效率、密度和增强向的分布进行设计。率、密度和增强向的分布进行设计。 编织技术编织技术90复合材料及应用概况课件91复合材料及应用概况课件 2 2 2 2)C/C)C/C复合材料制造技术复合材料制造技术复合材料制造技术复合材料制造技术uu多向织物的加工技术：多向织物的加工技术：多向织物的加工技术：多向织物的加工技术：主要有软编、硬编、软硬混编三种，包括干纱编织、织物穿刺、主要有软编、硬编、软硬混编三种，包括干纱编织、织物穿刺、主要有软编、硬编、软硬混编三种，包括干纱编织、织物穿刺、主要有软编、硬编、软硬混编三种，包括干纱编织、织物穿刺、预浸纤维杆组排，纤维缠绕以及多维整体编织等。预浸纤维杆组排，纤维缠绕以及多维整体编织等。预浸纤维杆组排，纤维缠绕以及多维整体编织等。预浸纤维杆组排，纤维缠绕以及多维整体编织等。织物结构也可通过无纺方式加工而成，如采用穿刺技术或刚性织物结构也可通过无纺方式加工而成，如采用穿刺技术或刚性织物结构也可通过无纺方式加工而成，如采用穿刺技术或刚性织物结构也可通过无纺方式加工而成，如采用穿刺技术或刚性预浸纤维束组排技术。若不使用机织或其他编织工艺，织物结构预浸纤维束组排技术。若不使用机织或其他编织工艺，织物结构预浸纤维束组排技术。若不使用机织或其他编织工艺，织物结构预浸纤维束组排技术。若不使用机织或其他编织工艺，织物结构的最基本单元是棒状预浸纤维束，这些刚化纤维束由单向纤维或的最基本单元是棒状预浸纤维束，这些刚化纤维束由单向纤维或的最基本单元是棒状预浸纤维束，这些刚化纤维束由单向纤维或的最基本单元是棒状预浸纤维束，这些刚化纤维束由单向纤维或酚醛树脂挤压而成。酚醛树脂挤压而成。酚醛树脂挤压而成。酚醛树脂挤压而成。92复合材料及应用概况课件uu多向织物的加工技术：多向织物的加工技术：多向织物的加工技术：多向织物的加工技术：随着多向织物结构加工技术的发展，于随着多向织物结构加工技术的发展，于随着多向织物结构加工技术的发展，于随着多向织物结构加工技术的发展，于2020世纪世纪世纪世纪8080年代形成年代形成年代形成年代形成了一种复合材料了一种复合材料了一种复合材料了一种复合材料三维整体编织三维整体编织三维整体编织三维整体编织高新纺织技术。三维编织的过程是高新纺织技术。三维编织的过程是高新纺织技术。三维编织的过程是高新纺织技术。三维编织的过程是参加编织的所有纤维束都沿同一方向排列，然后每根纤维束都沿参加编织的所有纤维束都沿同一方向排列，然后每根纤维束都沿参加编织的所有纤维束都沿同一方向排列，然后每根纤维束都沿参加编织的所有纤维束都沿同一方向排列，然后每根纤维束都沿自己的方向偏移一个角度互相交织形成织物。三维整体编织技术自己的方向偏移一个角度互相交织形成织物。三维整体编织技术自己的方向偏移一个角度互相交织形成织物。三维整体编织技术自己的方向偏移一个角度互相交织形成织物。三维整体编织技术的突出特点是能编织异形整体织物，同时能有效地控制复合材料的突出特点是能编织异形整体织物，同时能有效地控制复合材料的突出特点是能编织异形整体织物，同时能有效地控制复合材料的突出特点是能编织异形整体织物，同时能有效地控制复合材料中纤维体积含量，在编织以前按照设计的要求，通过中纤维体积含量，在编织以前按照设计的要求，通过中纤维体积含量，在编织以前按照设计的要求，通过中纤维体积含量，在编织以前按照设计的要求，通过CADCAD系统系统系统系统预先计算，从而准确地控制纤维的体积含量，由此制得的复合材预先计算，从而准确地控制纤维的体积含量，由此制得的复合材预先计算，从而准确地控制纤维的体积含量，由此制得的复合材预先计算，从而准确地控制纤维的体积含量，由此制得的复合材料整体性好，力学性能发挥合理。料整体性好，力学性能发挥合理。料整体性好，力学性能发挥合理。料整体性好，力学性能发挥合理。93复合材料及应用概况课件uu针刺针刺针刺针刺C CC C预制件成型技术预制件成型技术预制件成型技术预制件成型技术针刺技术比较古老，人类早期的羊毛制毡就是针刺技术针刺技术比较古老，人类早期的羊毛制毡就是针刺技术针刺技术比较古老，人类早期的羊毛制毡就是针刺技术针刺技术比较古老，人类早期的羊毛制毡就是针刺技术的雏形。在的雏形。在的雏形。在的雏形。在2020世纪世纪世纪世纪6060年代年代年代年代C CC C复合材料刚起步时期，预制件就复合材料刚起步时期，预制件就复合材料刚起步时期，预制件就复合材料刚起步时期，预制件就是预氧丝针刺而成的平板毡。在是预氧丝针刺而成的平板毡。在是预氧丝针刺而成的平板毡。在是预氧丝针刺而成的平板毡。在2020世纪世纪世纪世纪7070年代末到年代末到年代末到年代末到8080年代初，欧年代初，欧年代初，欧年代初，欧洲动力公司洲动力公司洲动力公司洲动力公司(SEP)(SEP)发明了一种全新概念的针刺发明了一种全新概念的针刺发明了一种全新概念的针刺发明了一种全新概念的针刺C CC C预制件技术预制件技术预制件技术预制件技术NovohexNovohex。 NovohexNovohex并非简单意义上的针刺，它是一种带并非简单意义上的针刺，它是一种带并非简单意义上的针刺，它是一种带并非简单意义上的针刺，它是一种带Z Z向向向向连续纤维的三维结构预制件。连续纤维的三维结构预制件。连续纤维的三维结构预制件。连续纤维的三维结构预制件。94复合材料及应用概况课件 2 2 2 2)C/C)C/C复合材料制造技术复合材料制造技术复合材料制造技术复合材料制造技术uu快速低成本快速低成本快速低成本快速低成本C CC C复合材料制造技术：复合材料制造技术：复合材料制造技术：复合材料制造技术：强迫流动热梯度化学气相渗透强迫流动热梯度化学气相渗透强迫流动热梯度化学气相渗透强迫流动热梯度化学气相渗透(FCVI)-(FCVI)-适于较厚的预制件适于较厚的预制件适于较厚的预制件适于较厚的预制件化学液相沉积化学液相沉积化学液相沉积化学液相沉积感应加热梯度快速致密化技术感应加热梯度快速致密化技术感应加热梯度快速致密化技术感应加热梯度快速致密化技术(RD)(RD)（2） 制造工艺的发展制造工艺的发展1.3 1.3 复合材料及其制造技术的发展复合材料及其制造技术的发展95复合材料及应用概况课件 自从自从19031903年莱特兄弟发明第一架飞机以来，年莱特兄弟发明第一架飞机以来，航空技术有了飞跃的发展，乘飞机已是人们日航空技术有了飞跃的发展，乘飞机已是人们日常生活中比较普遍的活动。航空的发展对人类常生活中比较普遍的活动。航空的发展对人类的社会、生活、经济、贸易及军事产生了革命的社会、生活、经济、贸易及军事产生了革命性影响。飞机是性影响。飞机是2020世纪人类最伟大的发明之一。世纪人类最伟大的发明之一。进入进入2121世纪，航空科学技术的发展将取得更加世纪，航空科学技术的发展将取得更加辉煌的成就。辉煌的成就。1. 41世纪航空发展与新结构新材料的应用世纪航空发展与新结构新材料的应用1.4 1.4 新材料应用概况新材料应用概况96复合材料及应用概况课件 近近100100年来，航空飞行已从每小时几十年来，航空飞行已从每小时几十公里的速度提高到公里的速度提高到M3M3以上；飞行高度从几十以上；飞行高度从几十米提高到米提高到 30000 30000米以上；飞机的座级从单人米以上；飞机的座级从单人飞机发展到飞机发展到800800座级以上的大型民用客机。座级以上的大型民用客机。展望展望2121世纪，民用飞机将继续沿着安全世纪，民用飞机将继续沿着安全性、经济性、舒适性、环保性的要求发展，性、经济性、舒适性、环保性的要求发展，更大、更快、更安全、更经济的飞机必将出更大、更快、更安全、更经济的飞机必将出现；现；50050010001000座的飞机将投入航线使用。座的飞机将投入航线使用。新一代的超音速民机也将会在新一代的超音速民机也将会在2121世纪投入使世纪投入使用。用。97复合材料及应用概况课件新一代的军用飞机将具有隐身、超音新一代的军用飞机将具有隐身、超音速巡航、短距起降能力，并具有更先进的速巡航、短距起降能力，并具有更先进的电子武器系统。新一代军用飞机的作战效电子武器系统。新一代军用飞机的作战效能将比现有飞机提高能将比现有飞机提高1010倍，维护工作量降倍，维护工作量降低低70%70%。M5M51515的超高速军用飞机也将在的超高速军用飞机也将在2121世纪研制。这一切也将对气动技术、发世纪研制。这一切也将对气动技术、发动机、新材料、新结构、控制技术、电子动机、新材料、新结构、控制技术、电子设备、能源等航空技术提出更高的要求和设备、能源等航空技术提出更高的要求和更多的挑战。更多的挑战。 98复合材料及应用概况课件在飞机领域，下列新技术成为研究热点：在飞机领域，下列新技术成为研究热点：空气动力技术空气动力技术发动机技术发动机技术新新结构结构新材料新材料自由飞技术自由飞技术环保新技术环保新技术新燃料新燃料99复合材料及应用概况课件在材料中植入敏感元件、控制系统、射频在材料中植入敏感元件、控制系统、射频发射源或其他执行元件，能使飞机结构具有隐发射源或其他执行元件，能使飞机结构具有隐身、目标探测、发射信息功能，也能够根据飞身、目标探测、发射信息功能，也能够根据飞行状态随时改变结构构型。飞机性能的提高，行状态随时改变结构构型。飞机性能的提高，在很大程度上依赖于航空材料的进步。目前，在很大程度上依赖于航空材料的进步。目前，航空结构材料正向着航空结构材料正向着高比强、高比模高比强、高比模的方向发的方向发展，复合材料在未来飞机上将得到广泛应用，展，复合材料在未来飞机上将得到广泛应用，而且新复合材料的价格将会更低，使用维护也而且新复合材料的价格将会更低，使用维护也更方便。更方便。100复合材料及应用概况课件为了提高发动机的推力，必须要提为了提高发动机的推力，必须要提高涡轮前的温度，而这将会使发动机的高涡轮前的温度，而这将会使发动机的寿命大大缩短。解决这一问题的最佳方寿命大大缩短。解决这一问题的最佳方法就是发展新一代的高温材料，提高发法就是发展新一代的高温材料，提高发动机部件的耐热能力。目前，人们正在动机部件的耐热能力。目前，人们正在研制热塑性复合材料、高温钛合金、陶研制热塑性复合材料、高温钛合金、陶瓷基复合材料和碳瓷基复合材料和碳- -碳复合材料。预计碳复合材料。预计到到20102010年，发动机上各种复合材料的用年，发动机上各种复合材料的用量会大量增加。量会大量增加。101复合材料及应用概况课件1.4.2.飞机上所用复合材料飞机上所用复合材料（一）、材料对飞机的影响及飞机对材料的要求（一）、材料对飞机的影响及飞机对材料的要求（二）、飞机材料的发展变化（二）、飞机材料的发展变化（四）、发动机材料选用（四）、发动机材料选用（三）、飞机用新材料发展（三）、飞机用新材料发展102复合材料及应用概况课件视频视频9min复合材料在航空领域复合材料在航空领域中的应用中的应用103复合材料及应用概况课件（一）、材料对飞机的影响及飞机对材料的要求（一）、材料对飞机的影响及飞机对材料的要求 飞机性能一半取决于设计飞机性能一半取决于设计, ,另一半取决于材料另一半取决于材料。材料。材料的优劣对速度、高度、航程、机动性、隐身性、服役寿的优劣对速度、高度、航程、机动性、隐身性、服役寿命、安全可靠性、可维修性等性能起无可置疑的重大影命、安全可靠性、可维修性等性能起无可置疑的重大影响。现代和未来飞机在高速化、机动化、隐形化、智能响。现代和未来飞机在高速化、机动化、隐形化、智能化、微型化、无人化、电子化等方面的发展都离不开航化、微型化、无人化、电子化等方面的发展都离不开航空材料的相应发展。飞机对结构材料的性能要求是多方空材料的相应发展。飞机对结构材料的性能要求是多方面的面的, ,首先是首先是“比强度比强度”,”,即强度与密度之比即强度与密度之比, ,同时综合考同时综合考虑其他性能虑其他性能, ,例如例如“比刚度比刚度”、断裂韧度、疲劳强度、耐、断裂韧度、疲劳强度、耐热性、耐蚀性热性、耐蚀性等。对于功能材料等。对于功能材料, ,主要是要求良好的功能主要是要求良好的功能特性特性, ,例如例如隐形性能隐形性能。104复合材料及应用概况课件（二）、飞机材料的发展变化（二）、飞机材料的发展变化 刚发明飞机时刚发明飞机时, ,是用是用木质和布料木质和布料制造制造飞机的。随着飞行速度的不断增快飞机的。随着飞行速度的不断增快, ,木布木布结构已无法承受显著增大的载荷结构已无法承受显著增大的载荷, ,因而很因而很快进入了快进入了金属金属结构时代结构时代, ,前期以前期以铝合金和铝合金和钢钢为主为主, ,后期由于后期由于钛合金钛合金的兴起而形成铝的兴起而形成铝合金、钛合金和钢三分天下的局面。合金、钛合金和钢三分天下的局面。“比强度比强度”高于上述金属材料的纤维增强高于上述金属材料的纤维增强树脂基复合材料问世后树脂基复合材料问世后, ,飞机开始进入了飞机开始进入了金属金属/ /复合材料复合材料混合结构的时代。混合结构的时代。 105复合材料及应用概况课件106复合材料及应用概况课件（二）、飞机材料的发展变化（二）、飞机材料的发展变化 喷气式飞机出现后喷气式飞机出现后, ,飞机材料主要采用铝合金飞机材料主要采用铝合金, ,但但现在这种趋势发生了变化。现在这种趋势发生了变化。铝合金铝合金在早期战斗机上确在早期战斗机上确实占有相当大的份额实占有相当大的份额, ,一般在一般在70%70%以上以上, ,其次是其次是钢钢, ,约占约占20%20%。不过铝合金和钢在先进战斗机上的用量已经逐渐。不过铝合金和钢在先进战斗机上的用量已经逐渐缩小缩小, ,而而钛合金钛合金和和树脂基复合材料树脂基复合材料的用量则不断爬升的用量则不断爬升, , 美国美国F-22F-22飞机飞机, ,钛合金的用量已跃居首位钛合金的用量已跃居首位(41%),(41%),树脂基树脂基复合材料的用量复合材料的用量24%,24%,而铝合金和钢的用量却分别降至而铝合金和钢的用量却分别降至第三位第三位(16%)(16%)和第四位和第四位(5%).(5%).再如美国研制的再如美国研制的JSFJSF飞机飞机, ,波音公司的波音公司的X X3232方案，洛克希德方案，洛克希德马丁公司的马丁公司的X X3535方案都将大量地采用钛合金。方案都将大量地采用钛合金。X X3535的复合材料计划用的复合材料计划用量大致与量大致与F F2222相当相当, ,而而X X3232上复合材料的计划用量竟上复合材料的计划用量竟高达高达40%40%左右。左右。 107复合材料及应用概况课件洛克希德洛克希德马丁公司联合了诺斯罗普马丁公司联合了诺斯罗普格鲁门公司格鲁门公司和英国宇航公司，研制和英国宇航公司，研制X-35。108复合材料及应用概况课件波音公司联合麦克唐纳波音公司联合麦克唐纳道格拉斯公司，共同研制道格拉斯公司，共同研制X-32。109复合材料及应用概况课件 铝合金和钢在飞机上的用量会逐渐减铝合金和钢在飞机上的用量会逐渐减少少, ,而钛合金和复合材料的优良性能恰恰而钛合金和复合材料的优良性能恰恰适应了先进飞机发展的客观需要。钛合金适应了先进飞机发展的客观需要。钛合金的强度和使用温度上限与钢相近的强度和使用温度上限与钢相近, ,密度却密度却只有钢的只有钢的57%57%左右左右, ,减重效果显而易见。铝减重效果显而易见。铝合金的密度虽小合金的密度虽小, ,但由于强度显著低于钛但由于强度显著低于钛合金合金, ,其其“比强度比强度”仍不及钛合金仍不及钛合金, ,尤其当尤其当零部件工作温度较高时零部件工作温度较高时, ,使用温度上限较使用温度上限较低的铝合金更不得不让位给钛合金。低的铝合金更不得不让位给钛合金。110复合材料及应用概况课件 当零部件的工作温度较低时当零部件的工作温度较低时, ,铝合金铝合金又遇到了比钛合金更强劲的竞争对手又遇到了比钛合金更强劲的竞争对手复合材料复合材料, , 被被“比强度比强度”更优越的复合材更优越的复合材料所料所“侵占侵占”。当然，铝合金和钢的成本。当然，铝合金和钢的成本要比钛合金和复合材料低得多要比钛合金和复合材料低得多, ,只要能满只要能满足飞机性能指标足飞机性能指标, , 还会尽量选用铝合金和还会尽量选用铝合金和钢。钢。111复合材料及应用概况课件 复合材料种类繁多复合材料种类繁多, ,目前在飞机上应用的目前在飞机上应用的主要有树脂基复合材料、碳纤维复合材料等。主要有树脂基复合材料、碳纤维复合材料等。树脂基复合材料可分为树脂基复合材料可分为“热固性热固性”与与“热塑性热塑性”两大类。由于热塑性复合材料具有两大类。由于热塑性复合材料具有韧性好、韧性好、可重复成形可重复成形等优点等优点, ,故美国故美国F-22F-22飞机早期设想飞机早期设想主要采用热塑性复合材料主要采用热塑性复合材料, ,而生产型而生产型F F2222上却上却完全相反完全相反, ,热塑性复合材料只有热塑性复合材料只有1%1%的用量的用量, ,热固热固性复合材料用量却高达性复合材料用量却高达23%,23%,这是因为热塑性复这是因为热塑性复合材料的合材料的成本较高、预浸料硬挺成本较高、预浸料硬挺和和缺乏粘性而缺乏粘性而难以铺贴成工件难以铺贴成工件等。等。112复合材料及应用概况课件 “环氧树脂环氧树脂”和和“双马来酰亚胺双马来酰亚胺”都属于热固性树脂都属于热固性树脂, ,通常通常“环氧树环氧树脂脂”应用较多应用较多, ,而而F F2222的全部蒙皮以的全部蒙皮以及大量的肋、梁及水平安定面等都选及大量的肋、梁及水平安定面等都选用了用了“双马双马”,“”,“环氧环氧”则只用于一则只用于一些工作温度较低的进气道和框架等。些工作温度较低的进气道和框架等。 113复合材料及应用概况课件 复合材料主要用于雷达罩、进气道、机翼复合材料主要用于雷达罩、进气道、机翼( (含整体油箱等含整体油箱等) )、襟翼、副翼、垂尾、平尾、襟翼、副翼、垂尾、平尾、减速板、机身蒙皮及各种舱门等。例如美国的减速板、机身蒙皮及各种舱门等。例如美国的F F2222机身蒙皮全都是高强度、耐高温的树脂基机身蒙皮全都是高强度、耐高温的树脂基复合材料复合材料, ,法国的法国的“阵风阵风”机翼大部分部件和机机翼大部分部件和机身的一半都采用了碳纤维复合材料。身的一半都采用了碳纤维复合材料。 美国拥有大量的隐形飞机美国拥有大量的隐形飞机, ,像像F Fl17Al17A、B BIBIB、B B2 2、F F2222等等, ,它们的隐形效果除采用外它们的隐形效果除采用外形设计形设计( (如如B B2 2采用翼身融合、圆滑过渡的外形采用翼身融合、圆滑过渡的外形; F 117A; F 117A采用多面体外形采用多面体外形) )外外, ,再就是取决于再就是取决于其隐形材料。其隐形材料。 114复合材料及应用概况课件115复合材料及应用概况课件116复合材料及应用概况课件采用自动铺丝技术制造的采用自动铺丝技术制造的PremierI飞机碳纤维复合材料机身飞机碳纤维复合材料机身117复合材料及应用概况课件JSF飞机的飞机的S形进气道形进气道118复合材料及应用概况课件（三）、飞机用新材料发展（三）、飞机用新材料发展智能结构是今后飞机发展的一智能结构是今后飞机发展的一大趋势。飞机上采用的智能结构大趋势。飞机上采用的智能结构是由各种智能材料制成的是由各种智能材料制成的传感元传感元件、处理元件和驱动元件件、处理元件和驱动元件组成的组成的, ,而这三个组成部分相当于人的神而这三个组成部分相当于人的神经、大脑和肌肉。经、大脑和肌肉。119复合材料及应用概况课件 对强击机而言对强击机而言, ,智能自适应机翼智能自适应机翼可使它从航可使它从航母上起飞的有效载荷提高母上起飞的有效载荷提高20%20%。格鲁曼公司的设。格鲁曼公司的设计方案是将光导纤维埋入树脂基复合材料制成计方案是将光导纤维埋入树脂基复合材料制成机翼机翼, ,这些光导纤维能像神经那样感知机翼上因这些光导纤维能像神经那样感知机翼上因气动条件变化而引起的压力变化气动条件变化而引起的压力变化, ,根据光传输信根据光传输信号进行处理后发出指令号进行处理后发出指令, ,通过驱动元件驱动机翼通过驱动元件驱动机翼前缘和后缘弯曲。驱动可通过电流让电陶瓷变前缘和后缘弯曲。驱动可通过电流让电陶瓷变形来实现形来实现, ,也可通过磁场让磁致伸缩材料变形来也可通过磁场让磁致伸缩材料变形来实现。或通过加热让形状记忆合金发生位移来实现。或通过加热让形状记忆合金发生位移来实现实现, ,例如有一种形状记忆合金驱动器可产生例如有一种形状记忆合金驱动器可产生9 9吨推力和吨推力和150150毫米位移毫米位移。120复合材料及应用概况课件智能材料压电陶瓷制成的传感智能材料压电陶瓷制成的传感器和驱动器可解决机翼和尾翼的器和驱动器可解决机翼和尾翼的颤振问题颤振问题,例如例如F/AJSE/F(美国美国海军计划未来海军计划未来10年内采购年内采购548架架)垂尾的振动试验表明垂尾的振动试验表明,振动减少振动减少了了80%。121复合材料及应用概况课件 智能材料还将在其他领域发挥它智能材料还将在其他领域发挥它的作用的作用, ,例如美国正在制造一种小型例如美国正在制造一种小型智能炸弹智能炸弹, ,可使一架重型轰炸机同时可使一架重型轰炸机同时精确攻击数百个独立目标精确攻击数百个独立目标, ,还准备给还准备给这种炸弹装上智能引信这种炸弹装上智能引信, ,巧妙地做到巧妙地做到不见目标不拉弦不见目标不拉弦”。122复合材料及应用概况课件 新的智能材料正在不断开发出来新的智能材料正在不断开发出来, ,例如例如美国开发成功一种磁致形状记忆合金、比美国开发成功一种磁致形状记忆合金、比热致形状记忆合金的性能更好；美国一家热致形状记忆合金的性能更好；美国一家公司发展了一种改进型磁致伸缩金属材料公司发展了一种改进型磁致伸缩金属材料, , 比以往的磁致伸缩材料的伸长大比以往的磁致伸缩材料的伸长大4040倍倍, ,可可直接把电能转换为机械能（驱动器直接把电能转换为机械能（驱动器),),也可也可把机械能转换为电能把机械能转换为电能( (传感器传感器) )。总之。总之, ,智智能材料虽然尚处于早期开发阶段能材料虽然尚处于早期开发阶段, ,但正孕但正孕育着新的突破和大的发展育着新的突破和大的发展. .123复合材料及应用概况课件（四）、发动机材料选用（四）、发动机材料选用 在某种意义上说在某种意义上说, ,发动机比飞机的科技含量发动机比飞机的科技含量更高更高, ,世界上有许多国家都能自行设计自己需要的世界上有许多国家都能自行设计自己需要的飞机飞机, ,却设计不出相应的高性能发动机。发动机在却设计不出相应的高性能发动机。发动机在选材上最初也是以钢和铝合金为主选材上最初也是以钢和铝合金为主, ,如如 20 20世纪世纪5050年年代初代初, ,钢和铝合金在喷气发动机上的结构重量百分钢和铝合金在喷气发动机上的结构重量百分比分别高达比分别高达80%80%、17%,17%,但随着镍合金和钛合金的迅但随着镍合金和钛合金的迅猛发展猛发展, ,铝合金和钢的用量显著降低铝合金和钢的用量显著降低, ,从从2020世纪世纪6060年年代至今代至今, ,钢的结构重量百分比已降至钢的结构重量百分比已降至20%20%以下以下, ,而从而从7070年代开始年代开始, ,在喷气发动机上已不再选用铝合金。在喷气发动机上已不再选用铝合金。目前喷气发动机在选材上是冷端以钛合金为主目前喷气发动机在选材上是冷端以钛合金为主, ,热热端以镍合金为主端以镍合金为主, ,同时适量选用一些钢。同时适量选用一些钢。124复合材料及应用概况课件 喷气发动机选用钢材作材料和选用喷气发动机选用钢材作材料和选用钛合金相比钛合金相比, ,用钢制造一些发动机零件是用钢制造一些发动机零件是会增加结构重量的会增加结构重量的, ,未来的高推重比发动未来的高推重比发动机将进一步减少钢的用量机将进一步减少钢的用量, ,但由于钢的成但由于钢的成本显著低于钛合金本显著低于钛合金, ,也不会像钛合金那样也不会像钛合金那样在一定条件下可能发生燃烧在一定条件下可能发生燃烧, ,因此在结构因此在结构重量指标允许的情况下重量指标允许的情况下, ,设计师们还会或设计师们还会或多或少地选用一些钢制造零件的。多或少地选用一些钢制造零件的。125复合材料及应用概况课件 在未来的先进发动机中在未来的先进发动机中, ,主要有主要有树脂基复合材料、金属基复合材料、树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和金属间化合物等。陶瓷基复合材料和金属间化合物等。树脂基复合材料因其综合性能树脂基复合材料因其综合性能( (特别特别是耐热性能是耐热性能) )不断提高不断提高, ,故从故从2020世纪世纪9090年代初开始逐渐年代初开始逐渐“进驻进驻”发动机发动机, ,未未来的用量将不断扩大。来的用量将不断扩大。126复合材料及应用概况课件 F119F119发动机采用了树脂基复合材发动机采用了树脂基复合材料取代钛合金制造风扇送气机区料取代钛合金制造风扇送气机区, ,节节省结构重量省结构重量6.76.7公斤公斤, ,并正在考虑用树并正在考虑用树脂基复合材料风扇叶片取代现在的钛脂基复合材料风扇叶片取代现在的钛合金空心风扇叶片合金空心风扇叶片, ,以期减轻结构重以期减轻结构重量量30%30%。金属基复合材料因其诱人的。金属基复合材料因其诱人的高比强度而已研究多年高比强度而已研究多年, ,但直到最近但直到最近才有极少量的应用才有极少量的应用, ,世界上第一个在世界上第一个在航空上应用的钛基复合材料航空上应用的钛基复合材料( (属于金属于金属基复合材料属基复合材料) )零件就是零件就是F119F119发动机发动机矢量喷管驱动器活塞矢量喷管驱动器活塞。127复合材料及应用概况课件