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1、Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM纤维增增强复合材料在航天航空复合材料在航天航空领域域应用用戴福洪戴福洪戴福洪戴福洪哈哈哈哈尔滨尔滨工工工工业业大学复合材料与大学复合材料与大学复合材料与大学复合材料与结结构研究所构研究所构研究所构研究所2011,082011,08Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM提提 纲引言引言碳碳纤维复合材料在航天复合材料在航天应用用碳碳纤维复合材料在航空复合材料在航空应用用国
2、国产碳碳纤维复合材料复合材料应用基用基础研究研究进展展结语Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM铝合金合金复合材料复合材料钛合金合金钢引言引言高比高比强强高比模的碳高比模的碳纤维纤维复合材料成复合材料成为为航空航天器用的航空航天器用的最重要最重要结结构材料之一构材料之一Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM引言引言大幅度减重大幅度减重可可设计性性结构整体构整体优化化降低全寿命成本降低全寿命成本2030 增
3、加有效增加有效载荷荷 提升提升飞行器功能行器功能 增大航程、增大航程、降低油耗降低油耗翼身融合、整体成型减少零件数翼身融合、整体成型减少零件数前掠翼、前掠翼、颤振振、承力承力/隐身一体化身一体化u应用效益B787机体机体维护成本与成本与B767相比大幅下降相比大幅下降Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMR.Byron Pipes，ICCM-16复合材料研究领域1970-20002000-2010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
4、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引言引言碳碳纤维复合材料在航天复合材料在航天应用用Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM以高性能碳以高性能碳(石墨石墨)纤维复合材料复合材料为典型代表典型代表的先的先进复合材料作复合材料作为结构、功能或构、功能或结构构/功功能一体化构件材料，在能一体化构件材料，在
5、导弹、运、运载火箭和火箭和卫星星飞行器上也行器上也发挥着不可替代的作用。着不可替代的作用。其其应用水平和用水平和规模已关系到武器装模已关系到武器装备的跨的跨越式提升和型号研制的成越式提升和型号研制的成败。碳。碳纤维复合复合材料的材料的发展推展推动了航天整体技了航天整体技术的的发展。展。碳碳纤维复合材料主要复合材料主要应用于用于导弹弹头、弹体箭体和体箭体和发动机壳体的机壳体的结构部件和构部件和卫星主星主体体结构承力件上构承力件上 Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM卫星和空星和空间站站高模量碳高模量
6、碳纤维质轻，刚性，尺寸性，尺寸稳定性和定性和导热性好，性好，很早就很早就应用于人造用于人造卫星星结构体、太阳能构体、太阳能电池板和天池板和天线中。中。现今的人造今的人造卫星上的展开式太阳能星上的展开式太阳能电池板多池板多采用碳采用碳纤维复合材料制作，而太空站和天地往返运复合材料制作，而太空站和天地往返运输系系统上的一些关上的一些关键部件也往往采用碳部件也往往采用碳纤维复合材复合材料作料作为主要材主要材 料料 Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM导弹导弹发射筒采用先射筒采用先进复合材料保守估复合材料
7、保守估计可降低可降低重量重量30%，对于提高地面生存能力至关重要，于提高地面生存能力至关重要，同同时，复合材料的耐，复合材料的耐环境腐境腐蚀、耐疲、耐疲劳性能性能优异等特点，可以异等特点，可以显著提高著提高发射筒的重复使用寿射筒的重复使用寿命，降低命，降低发射成本射成本Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM动力系力系统美国、日本、法国的固体美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳机壳体主要采用碳纤维复合复合材料，美国三叉戟材料，美国三叉戟-2 导弹、战斧式巡航斧式巡航导弹、大力神一、大力神一4 火
8、箭、法国的阿里安一火箭、法国的阿里安一2 火箭改型、日本的火箭改型、日本的M-5火箭等火箭等发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生机壳体，其中使用量最大的是美国赫克里斯公司生产的的抗拉抗拉强度度为5.3GPa 的的IM-7 碳碳纤维，性能最高的是，性能最高的是东丽T-800 纤维，抗拉，抗拉强度度5.65Gpa、杨氏模量氏模量300GPa Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM碳碳纤维复合材料在航空复合材料在航空应用用Center for Composite Materials,Harbi
9、n Institute of TechnologyHITCCM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量化高可靠高可靠长寿命寿命高效能高效能结构构/功能功能Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM第三阶段（90年代末开始）受力复受力复杂规模大模大中机身段、中央翼盒A380A380中央翼盒中央翼盒 用量用量25%25%B787 B787 机身机身 用量用量50%50%第四阶段（21世纪初开始）起落架用复合材料F-16 F-16 起落架后撑杆起落架后撑杆NH-90 NH-90 直
10、升机起落架直升机起落架受力很大受力很大代替代替钢结构构舱门、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）受受载不大不大简单零部件零部件第二阶段（80年代初开始）尾翼(垂尾、平尾)、前机身段、机翼F F14 14 硼硼/环氧复合材料平尾氧复合材料平尾F/A-18 F/A-18 机翼机翼 用量用量1313AV-8BAV-8B 机翼和前机身机翼和前机身 用量用量26%26%承力大承力大规模模较大大国外航空复合材料国外航空复合材料发展展历程程Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCC
11、MMirageF18CDC17AV 8BRafaleF18 E/FUCAVEuro FighterF35F/A 22B2A-380A-320A-340A-330F15787Premier Horizonu用量用量用量用量发发展情况展情况展情况展情况Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM飞机机结构复合材料用量构复合材料用量是是飞机先机先进性的重要性的重要标志志F22 25%F35 35%EF2000 40%F16 2%u军军机机机机应应用用用用Center for Composite Material
12、s,Harbin Institute of TechnologyHITCCMTiger 80%u直升机直升机直升机直升机应应用用用用V-22 50%Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMu无人机无人机无人机无人机应应用用用用全球全球鹰鹰（Global HawkGlobal Hawk）捕食者捕食者(P Predatorredator）暗星（暗星（Dark StarDark Star）先先锋锋（P Pioneerioneer）搜索者（搜索者（SearcherSearcher）X-45C 90%P Pre
13、datorredatorCenter for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMu民机应用A380A380复合材料22%Glare 3%铝61%钛和钢 10%其他5%Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM机机身身结构构机机翼翼结构构u民机民机民机民机应应用用用用B787B787Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM机翼结构中央翼
14、盒中央翼盒Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCMBoeing787 Boeing787 第一个全尺寸复合材料机身段，第一个全尺寸复合材料机身段，长7m 7m 宽6m6m，减重，减重20%20%uu民机民机民机民机应应用用用用B787B787Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM2000年年 2020年（年（预测）u应应用用用用趋势趋势复合材料成复合材料成为飞为飞机机结结构最构最为为重要的基本材料重要的基本
15、材料飞机机机体机体结构构材料材料国国产碳碳纤维复合材料复合材料应用基用基础研究研究Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM国国产碳碳纤维复合材料复合材料航空航空结构构应用用标准准指导高效可靠高效可靠高效可靠高效可靠应应用用用用支撑纤维树脂界面改改改改进进提高提高提高提高国产碳纤维高效可靠应用复合材料性能性能性能性能转转化化化化 性能性能性能性能 评评价价价价外翼Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM稳稳定性
16、逐步提高定性逐步提高定性逐步提高定性逐步提高与与与与进进口碳口碳口碳口碳纤维纤维水平相当水平相当水平相当水平相当q第二第二阶段：段：20072007年年0505月月20082008年年0202月月拉伸拉伸强度度 拉伸模量拉伸模量q第一第一阶段：段：20052005年年0606月月20072007年年0404月月q第三第三阶段：段：20082008年年0303月月20092009年年0505月月 碳碳纤维纤维性能分散性的性能分散性的发发展展Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM CCF300CCF30
17、0单丝单丝的的综综合力学性能合力学性能测试测试l l常常规规性能性能测试测试p拉伸模量、拉伸拉伸模量、拉伸强度、断裂延伸率度、断裂延伸率l综合力学性能测试p碳碳纤维压缩强度度p碳碳纤维断裂断裂韧性性p碳碳纤维单丝的拉伸性能的拉伸性能p碳碳纤维泊松比泊松比压缩强度(GPa)拉伸强度(GPa)CCF 3002.293.28T3002.023.53T700SC2.455.30M40JB2.074.46M55JB1.684.08CCF300CCF300断裂截面强度：1.34rH：1.56rH/c：4.2Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM结语碳碳纤维及其复合材料行及其复合材料行业面面临良好的良好的发展机遇；展机遇；加加强先先进复合材料基复合材料基础研究和研究和应用基用基础研究，科学研究，科学表征、准确表征、准确评价、有效价、有效预报和和优化化设计；工工业部部门、研究院所与高等学校、研究院所与高等学校优势互互补，以，以务实、科学的科学的态度追求行度追求行业创新、新、发展！展！Center for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyHITCCM谢 谢!