碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology,HITCCM,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,碳纤维复合材料在航空航天领域的应用,提 纲,引言,碳纤维复合材料在航天应用,碳纤维复合材料在航空应用,国产碳纤维复合材料应用根底研究进展,结语,铝合金,复合材料,钛合金,钢,引言高比强高比模的碳纤维复合材料成为航空航天器用的最重要构造材料之一,引言,大幅度减重,可设计性,构造整体优化,降低全寿命本钱,20,30,增加有效载荷,提升飞行器功能,增大航程、 降低油耗,翼身融合、整体成型减少零件数,前掠翼、颤振,、,承力,/,隐身一体化,应用效益,B787机体维护本钱与B767相比大幅下降,R. Byron Pipes ，,ICCM-16,复合材料研究领域,1970-2000,2000-2010,纤维,高强,/,低成本,高性能有机纤维,树脂,增韧,/,高温,RTM,树脂,复合材料力学,材料,/,结构相互作用,渐进损伤,耐久性,寿命预报,预埋器件,环境考虑,湿热,烟毒,工艺与制造,非热压罐预浸料,RTM,净成型,应用,高效减重,复合材料机翼、机身,成本效益,降低全寿命成本,制造成本,设计方法,多尺度计算方法,虚拟设计与制造,验证,积木式方法,净成型结构验证,The Evolution of Composites,引言,碳纤维复合材料在航天应用,以高性能碳(石墨)纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为构造、功能或构造/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。碳纤维复合材料的开展推动了航天整体技术的开展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的构造部件和卫星主体构造承力件上,卫星和空间站,高模量碳纤维质轻，刚性，尺寸稳定性和导热性好，很早就应用于人造卫星构造体、太阳能电池板和天线中。现今的人造卫星上的展开式太阳能电池板多采用碳纤维复合材料制作，而太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用碳纤维复合材料作为主要材 料,导弹,导弹发射筒采用先进复合材料保守估计可降低重量30%，对于提高地面生存能力至关重要，同时，复合材料的耐环境腐蚀、耐疲劳性能优异等特点，可以显著提高发射筒的重复使用寿命，降低发射本钱,动力系统,美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料，美国三叉戟,-2,导弹、战斧式巡航导弹、大力神一,4,火箭、法国的阿里安一,2,火箭改型、日本的,M-5,火箭等发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的抗拉强度为,5.3GPa,的,IM-7,碳纤维，性能最高的是东丽,T-800,纤维，抗拉强度、杨氏模量,300GPa,碳纤维复合材料在航空应用,飞,机,发,展,目,标,高比强,可设计,抗疲劳,多功能,耐腐蚀,先,进,树,脂,基,复,合,材,料,轻量化,高可靠,长寿命,高效能,构造/功能,第三阶段,（,9,0年代,末开始）,受力复杂,规模大,中机身段、中央翼盒,A380,中央翼盒 用量,25%,B787,机身 用量,50%,第四阶段,（,21,世纪初开始）,起落架用复合材料,F-16,起落架后撑杆,NH-90,直升机起落架,受力很大,代替钢结构,舱门、口盖、整流罩、方向舵、,襟副翼、雷达罩、起落架舱门,第一阶段,（,70,年代初完成）,受载不大,简单零部件,第二阶段,（,80,年代初开始）,尾翼,(,垂尾、平尾,),、前机身段、机翼,F,14,硼,/,环氧复合材料平尾,F/A-18,机翼 用量,13,AV-8B,机翼和前机身,用量26%,承力大,规模较大,国外航空复合材料开展历程,Mirage,F18CD,C17,AV 8B,Rafale,F18 E/F,UCAV,Euro Fighter,F35,F/A 22,B2,A-380,A-320,A-340,A-330,F15,787,Premier,Horizon,用量开展情况,飞机构造复合材料用量,是飞机先进性的重要标志,F22,25%,F35,35%,EF2000,40%,F16,2%,军机应用,Tiger,80%,直升机应用,V-22,50%,无人机应用,全球鹰Global Hawk,捕食者(Predator,暗星Dark Star,先锋Pioneer,搜索者Searcher,X-45C 90%,P,redator,民机应用,A380,复合材料,22%,Glare 3%,铝,61%,钛和钢,10%,其他,5%,机身构造,机翼构造,民机应用,B787,机翼,构造,中央翼盒,Boeing787,第一个全尺寸复合材料机身段，长,7m,宽,6m,，减重,20%,民机应用,B787,2000年 2021年预测,应用趋势,复合材料成为飞机构造最为重要的根本材料,飞机机体,构造材料,国产碳纤维复合材料应用根底研究,国产碳纤维复合材料,航空构造应用标准,指导,高效可靠,应用,支撑,纤维,树脂,界面,改进提高,国产,碳纤维,高效可靠应用,复合,材料,性能,转化,性能,评价,外翼,稳定性逐步提高,与进口碳纤维水平相当,第二阶段：,2007年05月2021年02月,拉伸强度 拉伸模量,第一阶段：,2005,年,06,月,2007,年,04,月,第三阶段：,2021年03月2021年05月,碳纤维性能分散性的开展,CCF300,单丝的综合力学性能测试,常规性能测试,拉伸模量、拉伸强度、断裂延伸率,综合力学性能测试,碳纤维,压缩强度,碳纤维,断裂韧性,碳纤维单丝的拉伸性能,碳纤维泊松比,压缩强度,(GPa),拉伸强度,(GPa),CCF 300,2.29,3.28,T300,2.02,3.53,T700SC,2.45,5.30,M40JB,2.07,4.46,M55JB,1.68,4.08,CCF300,CCF300,断裂截面,强度：,rH,：,rH/c,：,结语,碳纤维与其复合材料行业面临良好的开展机遇；,加强先进复合材料根底研究和应用根底研究，科学表征、准确评价、有效预报和优化设计；,工业部门、研究院所与高等学校优势互补，以务实、科学的态度追求行业创新、开展！,谢 谢,!,谢谢,29,谢谢观赏,