第8章 航空工程复合材料.pdf

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1、崇德尚学崇德尚学 自强不息自强不息 崇德尚学崇德尚学 自强不息自强不息 目 录 0303 金属基复合材料 0505 碳/碳复合材料 0101 复合材料概述 0202 聚合物基复合材料 0404 陶瓷基复合材料 0606 复合材料的损伤与修复 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 复合材料概述 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.1.1复合材料的定义 复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合而成的新型材料。国际标准化组织（ISO）为复合材料所下的定义为：复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。一般材料的简单混合与复合材料的本质区别主

2、要体现在两个方面：（1）复合材料不仅保留了原组成材料的特点，而且通过各组分的相互补充和关联可以获得原组分所没有的新的优越性能；（2）是复合材料的可设计性。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.1.2复合材料的结构 组分材料主要指增强体和基体，它们也被称为复合材料的增强相和基体相。增强相和基体相之间的界面区域因为其特殊的结构与组成也被视作复合材料中的“相”，即界面相。增强相和基体相是根据组分的物理和化学性质以及在最终复合材料中的形态来区分的。复合材料的各种结构形态如图8.1所示。（a）纤维 （b）颗粒 （c）叠层 （d）片状 （e）填充 图8.1 复合材料结构示意图 陕西航空职业技术学院

3、陕西航空职业技术学院 8.1.3复合材料的增强体 按几何形状分 纤维（连续纤维、非连续纤维、编织纤维）晶须 颗粒 片状 1.增强体的分类 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1）以玻璃原料成分分类 E玻璃纤维（无碱玻璃纤维）C 玻璃纤维（中碱玻璃纤维）A玻璃纤维（有碱玻璃纤维）S玻璃纤维（特种玻璃纤维）M玻璃纤维 2.常用增强体（1）玻璃纤维 8.1.3复合材料的增强体 2）以单丝直径分类 粗纤维：30m；初级纤维：20m；中级纤维：1020m；高级纤维：310m，也称纺织纤维。3）根据纤维的性能分类 高强玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维、普通玻璃纤维

4、。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 碳纤维按力学性能又分为通用级（GP）和高性能级（HP），包括中强型（MT）、高强型（HT）、超高强型（UHT）、中模型（IM）、高模型（HM）、和超高模型（UHM）。前者拉伸强度小于1000MPa，拉伸模量低于100GPa；后者拉伸强度可高于2500MPa，拉伸模量大于220GPa。2.常用增强体（2）碳纤维 8.1.3复合材料的增强体 一般是通过在超细的芯材（载体）上化学气相沉积（CVD）硼来获得表层为硼、含有异质芯材的复合纤维。芯材通常选用钨丝或碳丝，也可用涂碳或者涂钨的石英纤维。（3）硼纤维 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 碳化硅纤维

5、是典型的陶瓷纤维，按其形态可分为连续纤维、晶须和短切纤维；按其结构可分为单晶和多晶纤维；按其直径可分为单丝和束丝纤维。（4）碳化硅纤维 2.常用增强体 8.1.3复合材料的增强体 氧化铝纤维是多晶陶瓷纤维，以Al2O3 为主要成分，含有少量的SiO2、B2O3、Zr2O3、MgO。通常情况下，将氧化铝含量大于70%的纤维相称为氧化铝纤维；将氧化铝含量小于70%，其余为二氧化硅和少量杂质的纤维称为硅酸铝纤维。（5）氧化铝纤维 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 芳纶是由芳香簇聚酰胺树脂纺成的纤维，国外商品牌号叫凯芙拉（Kevlar）纤维，我国命名为芳纶纤维。（6）芳纶 玄武岩纤维是以纯天然

6、火山岩为原料，在14501500熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，以玄武岩纤维为增强体可制成多种复合材料。（7）玄武岩纤维 2.常用增强体 8.1.3复合材料的增强体 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.1.4复合材料的性能 1.比强度和比模量高 2.疲劳强度高 3.阻尼减振性好 4.高温性能好 5.断裂安全性较好 6.成型工艺性好 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.1.5复合材料的分类与命名 按基体材料类型可以分为聚合物基、金属基和无机非金属基复合材料三大类。按增强体几何形态分为连续纤维增强复合材料、短纤维复合材料、颗粒增强复合材料、晶须增强复合材料和

7、层状复合材料。复合材料按功能可分为功能复合材料和结构复合材料。1.复合材料的分类 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）强调基体时以基体材料的名称为主。（2）强调增强体时以增强体材料的名称为主。（3）基体材料名称与增强体材料名称并用。2.复合材料的命名 国外还常用英文编号来表示，如MMC（Metal Matrix Composite）表示金属基复合材料，FRP（Fiber Reinforced Plastics）表示纤维增强塑料。8.1.5复合材料的分类与命名 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 聚合物基复合材料 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.2.1聚合物基复合

8、材料的基体 用于复合材料的聚合物基体按树脂热行为可分为热塑性和热固性两类。热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子，可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变比。热固性基体如环氧树脂、酚醛树脂、双马树脂、不饱和聚酯等，它们在制成最终产品前，通常为分子量较小的液态或固态预聚体，经加热或加固化剂发生化学反应固化后，形成不溶不熔的三维网状高分子。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.2.2聚合物基复合材料的成型工艺（1）手糊成型（2）喷射成型工艺 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （3）模压成型工艺（4）纤维缠绕成型 8.2.2聚合物基

9、复合材料的成型工艺 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （5）树脂传递模塑（6）注射成型工艺 8.2.2聚合物基复合材料的成型工艺 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.2.3聚合物基复合材料的应用 表8.2 树脂基复合材料在各部分的应用情况 机型 使用部位 用量/%F-14 平尾蒙皮、水平安定面等 0.8 F-15 垂尾及平尾蒙皮、方向舵、减速板等 1.6 F-16 垂尾、方向舵、平尾蒙皮等 3.4 幻影 2000 垂尾蒙皮、方向舵、副翼、起落架舱门等 7 F-18 垂尾、平尾、减速板、操纵面、机翼等 12 AV-8B 机翼蒙皮、翼盒、前机身、平尾等 26 Refale 中机身

10、、蒙皮、鸭翼、机翼、垂尾、副翼等 24 JAS-39 前机身、进气道、鸭翼、机翼、垂尾等 25-30 EF-2000 机身、机翼、垂尾、方向舵等 35-40 F-22 机身、机翼、襟翼、垂尾、副翼等 24 MFI（俄）机身、机翼、鸭翼、控制面 40左右 F-35 机身、机翼、进气道、操纵面、副翼、垂尾等 26 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 表8.3 国外大涵道比民用发动机复合材料构件与选材表 使用部位 复合材料体系 发动机型号 公司 帽罩前锥 玻纤/双马 PW4000、PW6000 P&W 风扇转子叶片 碳纤/环氧 GE90、GEnx、LEAP-XIC GE 风扇机匣及包容环 60

11、60铝合金+芳纤/环氧 CF6-80C2、GE90、RB211、Trent700、Trent800、PW4084 GE、R&R、P&W 碳纤/环氧 GEnx GE 风扇叶片出口导流叶片 碳纤/环氧 PW4084、PW4168 P&W 发动机短舱及反推装置 碳纤/环氧+铝蜂窝夹芯 V2500 LAE 碳纤/双马 Trent700、Trent800 R&R 碳纤/环氧 PW4168 P&W 消音结构 芳纤/环氧 CFM56-3 SNECMA 碳纤/环氧+Nomex V2500 LAE 玻纤/环氧+Nomex GEnx GE 注 涵道比：也称旁通比，是涡扇发动机外涵道与内涵道空气流量的比值。8.2.

12、3聚合物基复合材料的应用 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 金属基复合材料 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.3.1金属基复合材料的基体 用作金属基复合材料的金属有铝及铝合金、镁合金、钛合金、铁合金、铜与铜合金、锌合金、铅、钛铝、镍铝金属间化合物等。对于不同形状、不同类型的增强体，在选择金属基体材料时，除了考虑复合材料的使用要求外，还应考虑基体与增强体之间的相容性、基体金属的性能特点及复合材料的组成特点。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.3.2金属基复合材料的成型工艺（1）粉末冶金法 1.固态法 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.固态法（2）扩散结合

13、 扩散结合也称扩散粘接法或扩散焊接法，是加压焊接的一种，包括热压法和热等静压法。热压工艺通常要求先将纤维与金属基体制成复合材料预制片，然后将预制片按设计要求裁剪成所需的形状、叠层排布（纤维方向），根据对纤维体积分数的要求，在叠层时添加基体箔，将叠层放入模具内，进行加热加压，最终制得复合材料或零件。热等静压法也是热压的一种，用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力的作用。即在高压容器内设置加热器，将金属基体（粉末或箔）与增强材料（纤维、晶须、颗粒）按一定比例混合或排布后，或用预制片叠层后放入金属包套中，抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压，复合成金属基复合材料。8.3.2金属基复合材料的成

14、型工艺 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （3）热轧法、热挤压法和热拉法 热轧法主要用来将已复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板材。也可将由金属箔和连续纤维组成的预制片制成板材，如铝箔与硼纤维、铝箔与钢丝。适用的复合材料有SiCP/Al、SiCW/Cu、Al2O3/Al、Al2O3/Cu、W/Cu等。热挤压和热拉法主要用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料坯料的进一步加工，制成各种形状的管材、型材、棒材等。经挤压，拉拔后复合材料的组织变得均匀、缺陷减少或消除，性能明显提高，短纤维和晶须还有一定的择优取向，轴向拉伸强度提高很多。1.固态法 8.3.2金属基复合

15、材料的成型工艺 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.3.2金属基复合材料的成型工艺 2.液态法（1）真空压力浸渍法（2）挤压铸造法 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （3）液态金属搅拌铸造法 基本原理是将颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属熔体中，然后浇铸成锭坯、铸件等。根据工艺特点及所选用的设备不同可分为涡旋法、复合铸造法、Duralcon法。8.3.2金属基复合材料的成型工艺 2.液态法（4）液态金属浸渍技术 液态金属浸渍法是用液态金属连续浸渍长纤维，得到复合材料预制品（带、丝等）的一种方法，所以又称为连铸法。由于在液态金属中容易分散、复

16、合完全，因此特别适用于一束多丝、直径细的连续长纤维。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 3.原位自生成法（2）反应自生成法 Lanxide法是由美国Lanxide公司开发的，它由金属直接氧化法（DIMOXTM）和金属无压浸渗法（PRIMEXTM）两者组成。DIMOXTM是定向氧化法，即将氧通入铝熔体中，与之反应生成Al2O3，弥散分布在金属铝中，成为增强材料。DIMOXTM工艺，除可以直接氧化外，还可以直接氮化、碳化通过此工艺还可以获得AlN/Al、ZrN/Al、TiN/Ti等金属基或陶瓷基复合材料。PRIMEXTM是金属无压渗透到陶瓷预制体中，也就是将金属或合金锭置于石墨模中的陶瓷预制

17、件上，将它们一起在真空或氮保护气氛中加热到金属或合金的熔点以上，熔融金属自发地渗透到陶瓷预制件中，得到金属基复合材料。1）Lanxide法 8.3.2金属基复合材料的成型工艺 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 3.原位自生成法（2）反应自生成法 XDTM是在自蔓延高温合成法（SHS）的基础改进而来的，其基本原理是将增强体组分物料与金属基粉末按一定的比例均匀混合，冷压或热压成型，制成坯块，以一定的加热速率，预热试样，在一定的温度下（通常是高于基体的熔点而低于增强体的熔点），增强体各组分之间进行放热化学反应，生成增强体，增强体尺寸细小，呈弥散分布。用这种方法能制造SiC、TiC、TiB2、

18、TiN等颗粒增强铝基、钛基、镍基以及NiAl、TiAl等金属间化合物基复合材料。如TiC/Al、SiC/Al、TiB2/NiAl、SiC/MoSi2等。2）固相反应自生成法（XDTM）8.3.2金属基复合材料的成型工艺 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.3.3金属基复合材料的应用 NASA采用硼纤维增强铝基（50%Bf/6061Al）复合材料作为航天飞机轨道器中段（货舱段）机身构架的加强桁架的管形支柱。60%石墨（Gr）纤维（P100）/6061铝基复合材料被成功地用于哈勃太空望远镜的高增益天线悬架（也是波导）。DWA复合材料公司与洛克希德马丁公司及空军合作，将粉末冶金法制备的碳化

19、硅颗粒增强铝基（6062Al）复合材料用于F-16战斗机的腹鳍。F-16上部机身有26个可活动的燃油检查口盖，采用了碳化硅颗粒增强铝基复合材料后，刚度提高40%，承载能力提高28%，预计平均翻修寿命可高于8000h，裂纹检查期延长为23年。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 英国航天金属基复合材料公司（AMC）采用高能球磨粉末冶金法制备出了碳化硅颗粒增强铝基（2009A1）复合材料，用该种材料制造的直升机旋翼系统连接用模锻件（浆毂夹板及轴套)，已成功地用于Eurocopter（欧直）公司生产的N4及EC-120新型直升机。镁基复合材料在汽车工业中用作方向盘减振器、活塞环、支架、变速箱外壳

20、等；在通讯电子工业，作为手机、便携计算机等外壳材料；SiCw/Mg复合材料还用于制造齿轮、泵壳体、止推板、安全阀等零部件。钛基复合材料用作高温、高压、酸、碱、盐等条件下的结构材料，被认为是一种很有希望的新型复合材料。8.3.3金属基复合材料的应用 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 陶瓷基复合材料 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.4.1陶瓷材料概述 1.陶瓷材料的分类 根据陶瓷的化学组成、性能特点以及用途等不同，可将陶瓷分为传统陶瓷和先进陶瓷两大类。传统陶瓷的主要原料是石英、长石和粘土等自然界存在的矿物。传统陶瓷又称为普通陶瓷。先进陶瓷的原料一般采用人工合成或提炼处理过的化

21、工原料。国内外关于先进陶瓷的技术术语有很多，如新型陶瓷，精细陶瓷，现代陶瓷，高技术陶瓷，特种陶瓷等。根据先进陶瓷的性能特点，可将先进陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。用于高温、高压、抗辐射、抗冲击、耐磨损、耐腐蚀等环境下的陶瓷材料称为结构陶瓷，分为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷等。功能陶瓷是具有某种特殊敏感功能的陶瓷制品，分为电功能陶瓷、磁功能陶瓷、光功能陶瓷、生物功能陶瓷等。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.先进陶瓷材料的特点 先进陶瓷材料具有高硬度、高耐热性、高化学稳定性、较高的抗压强度以及其他优良的物理、化学性能，如光学、磁学和电学性能等，但其脆性大，耐热震性

22、能差，而且对裂纹、气孔和夹杂等细微的缺陷很敏感。3.陶瓷材料的缺点 脆性大是陶瓷材料的最大缺点。采用添加第二组分，制备复合材料是解决脆性的主要方法。8.4.1陶瓷材料概述 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.4.2陶瓷基复合材料的基体 陶瓷基复合材料的基体为陶瓷，是由金属元素和非金属元素形成的无机化合物构成的多相多晶固体材料，它的结构远比金属合金复杂得多。通常认为其组织结构由晶相、玻璃相和气相组成，图8.4为陶瓷显微组织示意图。各相的结构、数量、形态、大小和分布对陶瓷有明显影响。图8.4 陶瓷显微组织示意图 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.4.3陶瓷基复合材料的制备 1

23、.连续纤维增强的陶瓷基复合材料的制造（1）料浆浸渍-热压烧结法 首先使纤维增强材料经过盛有料浆的容器，浸渍料浆，然后缠绕到卷筒上，经过烘干、切断，制成浸渍无纬布。将这种无纬布剪裁制成一定规格的带条或其他形状，放入模具中，合模加压。加热制成坯体，在经高温去胶和烧结制得复合材料。料浆浸渍工艺主要用在玻璃和陶瓷基复合材料中，如C、Al2O3、SiC和SiO2等纤维增强玻璃、玻璃陶瓷和氧化物陶瓷的制造工艺。这种方法的优点是烧结时间短，成本低，纤维取向可以自由调节，如单向排布及多向排布等。缺点是复合材料的结构和形状受限，不能制造大尺寸的制品。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）化学气相沉积/

24、渗透（CVD/CVI）化学气相渗透法是将气态先驱体送达多孔隙的增强体坯件或纤维编织骨架预成型体中，在其上发生化学反应，生成不挥发的产物并沉积并沉积，形成陶瓷基体，与预成型体共同构成复合材料。主要步骤如下：反应气体在压力作用下进入沉积炉内；反应气体以层流形式在预成型体内沿增强材料的边界进行扩散；反应气体在增强体表面被吸附；被增强体表面吸附的反应气体发生裂解反应，产生固态的炭和分解气体；被增强体吸附的分解气体分解吸附；分解气体产生的气体沿边界层扩散；产生分解气体被排出反应器。CVI法可用于制备C/C、Cf/BN、SiCf/C、Si3N4/B4C等体系的复合材料。该法在制备过程中纤维受到的机械和化学

25、损伤小，可以制备组成可调的梯度功能复合材料。缺点是效率低、成本高，坯件的间隙在化学气相沉积过程中易堵塞或形成闭孔，难以制备高致密度的复合材料。8.4.3陶瓷基复合材料的制备 1.连续纤维增强的陶瓷基复合材料的制造 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （3）直接氧化沉积法 它是将纤维增强材料预制体置于熔融金属上方，通过调整金属成分、炉温和气氛，使浸渍到纤维织物中的熔融金属或其蒸气与气相中的氧化剂发生反应生成陶瓷，沉积和包裹在纤维周围，最后制得纤维增强陶瓷基复合材料。此工艺常以铝为母体金属，以镁和硅为添加剂，氧化气氛为空气，反应温度为12001400。也可选用其他金属为母体，通过调节反应温度

26、和添加剂，制备其他陶瓷基复合材料或调节复合材料的性能。此法工艺简单、生成效率高、成本低、且纤维几乎无损伤，可以制备复杂形状的零部件。但是所制得的复合材料有金属残存，影响材料的高温性能。8.4.3陶瓷基复合材料的制备 1.连续纤维增强的陶瓷基复合材料的制造 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.晶须（短切纤维）增强陶瓷基复合材料的制造 晶须（短切纤维）增强陶瓷基复合材料的制备分两种情况。一种是外加晶须（短切纤维）补强CMC，其制备过程是先将晶须或短纤维在液体介质中经机械或超声波分散，再与陶瓷基体粉末均匀混合制成一定形状的坯件，烘干后烧结。成型方法常采用加压渗滤法、高温致密化法、先驱体热解

27、法等，烧结方法则采用热压烧结、反应烧结、热等静压烧结、微波烧结。另一种是原位生长晶须补强CMC，其原理是通过化学反应在陶瓷基体中原位生成补强组元（晶须）。可采用CVD/CVI、固相反应烧结、直接氧化等工艺。8.4.3陶瓷基复合材料的制备 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 3.颗粒增强陶瓷基复合材料的制造 将不同陶瓷粉体经机械混合或化学混合得到均匀混合料，压制或注射成型后进行常压烧结、热压烧结或热等静压烧结，得到致密的陶瓷基复合材料。8.4.3陶瓷基复合材料的制备 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.4.4陶瓷基复合材料的应用 1.在航空航天方面的应用 陶瓷基复合材料具有良好的

28、耐热性和在高温下比强度高的特性，可用来制造飞机发动机零部件，提高发动机性能。2.在其他方面的应用 陶瓷基复合材料应用于切削刀具、阀及阀座、泵衬及挤压模具等，其性能远优于硬质合金和普通陶瓷材料。陶瓷基复合材料在冶金领域，可用作熔炼炉的耐火材料、钢液过滤材料等。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 碳/碳复合材料 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.5.1碳/碳复合材料概述 1.碳/碳复合材料的性能（1）力学性能 碳/碳复合材料不仅密度小，而且抗拉强度和杨氏模量高于一般碳素材料。碳/碳复合材料属于脆性材料，其断裂应变较小，仅为0.12%2.4%。（2）热物理性能 碳/碳复合材料具有良

29、好的尺寸稳定性，热膨胀系数小，仅为金属材料的1/51/10；高温热应力小，热导率高，在碳/碳复合材料的加工过程中，这一性能可以进行调节。比热高，其值随温度上升而增大，因而能储存大量的热能。抗热震性好，为各类石墨制品的140倍。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （3）烧蚀性能 碳/碳复合材料的有效烧蚀热高，材料烧蚀时能带走大量热，经高温石墨化后，碳/碳复合材料的烧蚀性能更优异。（4）化学稳定性 碳/碳复合材料除含有少量的氢、氮和微量金属元素外，几乎99%以上都是元素C，因此它具有和碳一样的化学稳定性。碳/碳复合材料的最大缺点是耐氧化性能差。（5）其他性能 摩擦系数小，具有优异的耐磨擦磨损

30、性能，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料。生物相容性好，是人体骨骼、关节、颅盖骨补块和牙床的优良替代材料；安全性和可靠性高，若用于飞机，其可靠性为传统材料的数十倍。8.5.1碳/碳复合材料概述 1.碳/碳复合材料的性能 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.碳/碳复合材料组分选择（1）碳纤维选择 对杂质含量要求。碳/碳复合材的一个重要用途是耐烧蚀材料，钠等碱金属是碳的氧化催化剂，其含量越低越好。对性能要求。如果用于制造导弹弹头等再入飞行器鼻锥和固体火箭发动机喷管，由于工作环境恶劣，要求碳/碳复合材料不仅仅是耐高温耐烧蚀，耐热冲击，还要能经受机械冲刷和剥蚀，因此应选择强度和模量适中的碳纤

31、维。若用做一般的防热或隔热材料，则不必选用价格昂贵的高强度、高模量的碳纤维。对表面处理及界面特性的要求。未经表面处理的碳纤维和石墨纤维更适宜制造C/C复合材料。8.5.1碳/碳复合材料概述 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.5.2碳/碳复合材料的制备 1.预制体成型 坯体可通过长纤维（或带）缠绕，短纤维模压或喷射成型，碳毡、石墨布叠层Z向针刺增强以及多向织物、多维编织等方法制得。在缠绕、模压或喷射成型过程中，通常用树脂或沥青做胶粘剂将纤维粘结在一起，在碳化或热解过程中，树脂被碳化，成为复合材料基体的组成部分，而低分子物质变成气体逸出。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 2.致

32、密化处理 坯体可通过长纤维（或带）缠绕，短纤维模压或喷射成型，碳毡、石墨布叠层Z向针刺增强以及多向织物、多维编织等方法制得。在缠绕、模压或喷射成型过程中，通常用树脂或沥青做胶粘剂将纤维粘结在一起，在碳化或热解过程中，树脂被碳化，成为复合材料基体的组成部分，而低分子物质变成气体逸出。8.5.2碳/碳复合材料的制备 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）液相浸渍工艺 液相浸渍法通常在常压或加压条件下用热压罐进行。首先，在压力作用下，树脂或沥青基体前驱体浸渍到预制体中，然后将浸渍有树脂或沥青的预制体在惰性气氛下热处理，使树脂或沥青转化为基体碳。为了达到碳/碳复合材料的要求，一般需要经过多次

33、浸渍-碳化过程。2.致密化处理 8.5.2碳/碳复合材料的制备（2）化学气相沉积/渗透 化学气相沉积/渗透（CVD/CVI）是以碳氢气体（CH4、C2H6、C3H8、C2H4）为碳源，在高温下热解产生碳，沉积在预成型体孔内，从而达到致密化效果。与液相浸渍工艺相比，化学气相沉积法工艺简单，沉积过程中纤维不受损伤，不仅过程便于精确控制，而且所制备的材料还具有结构均匀、完整、致密性好、石墨化程度高等优点。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 3.石墨化处理 预制体经致密化处理后得到全碳质材料，但这种材料还不是真正的碳/碳复合材料，还需经过高于最高使用温度的热处理，使热力学不稳定的非石墨质碳转变为

34、石墨质碳。通过石墨化处理，可以提高材料的稳定性、热震性和烧结性能。8.5.2碳/碳复合材料的制备 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 4.抗氧化处理 碳/碳复合材料在氧化气氛下工作，当温度高于400时开始发生氧化，因此碳/碳复合材料必须进行抗氧化处理。提高抗氧化性的措施主要有两种，一是在制备C/C复合材料过程中，在基体中预先包含有氧化抑制剂；另一种是在C/C复合材料表面进行耐高温材料的涂层，起到阻隔氧侵入的作用。8.5.2碳/碳复合材料的制备 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.5.3碳/碳复合材料的应用 1.在先进飞行器上的应用 2.刹车领域的应用 陕西航空职业技术学院陕西航

35、空职业技术学院 复合材料的损伤与修复 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.6.1 复合材料的损伤 常见的损伤形式有：（1）表面损伤：这种损伤主要伤及材料的表面或近表面，如擦伤、划伤、凹陷、气泡和分层等。（2）冲击损伤：大到与跑道上的车辆、设施相撞，小到与跑道上飞起的石子、砂砾，空中飞来的冰雹、小鸟及工作人员失落的工具等相撞所造成的损伤。（3）分层：如层压板分层，面板与蜂窝芯分层等。（4）脱胶：如胶接面脱胶，层压板脱胶及面板与蜂窝芯之间脱胶等。（5）慢性长期损伤：如疲劳裂纹等。（6）渗水、吸潮损伤。（7）制造过程产生的损伤，如气孔等。根据损伤的程度和损伤的部位的重要性，可将复合材料飞机

36、结构的损伤分为许可（允许）的损伤、可修理的损伤、不可修理的损伤三大类。陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 8.6.2 复合材料修复（1）修理区域的划分 飞机结构各部分对强度和刚度要求的重要程度是不同的，对可修理性及修理方法的要求自然也不相同。设计人员应在设计阶段根据结构的特点、强度和刚度的要求，对结构部件进行分区，各分区应具有不同的可以接受的损伤程度及相应的修理技术。目前国内设计人员还缺乏这方面的知识，可参考国外的经验。1.修理区域的划分和修理容限的规定 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）修理容限的规定 修理容限是指修与不修、能修与不能修的界限。影响其修理容限的因素很多，如

37、不同的结构形式、不同的材料体系、不同类型的飞机都有不同的规定。首先要根据缺陷和损伤的类型，检测出其大小和范围，根据指定的生产和使用中允许的缺陷和损伤标准，来确定修与不修的界限。这里的关键是缺陷和损伤许用标准的确定。8.6.2 复合材料修复 1.修理区域的划分和修理容限的规定 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）修理容限的规定 通常，每种结构都有其自身特有的损伤包容能力。如F-18的修理指南规定，压痕深度小于0.4mm、分层直径小于13.0mm 和开胶直径小于19.0mm的情况可不修理，照常使用。经验表明，大多数复合材料结构都能包容损伤当量直径小于20mm的各类损伤。当缺陷和损伤大大

38、超过了一定得量值时，结构修理难于达到标准要求或在经济上已不合算，只好报更换构件。如波音公司规定，缺陷和损伤的范围大于构件面积的15%时报废不再修理。F-18规定蜂窝结构分层直径大于50mm，开胶直径75mm，层压板分层直径大于75mm时，报废不再修理。对于重要的复合材料构件，有专门的技术文件控制损伤的大小，该文件与设计图纸配套使用，以保证产品的质量。但一般还是由结构修理手册提供。8.6.2 复合材料修复 1.修理区域的划分和修理容限的规定 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）根据修理区域加不加补片分为两类 1）非补片式修理 树脂注射法 抽钉法 混合物填充法 表面涂层法 热处理法 2

39、.复合材料修理的分类 8.6.2 复合材料修复 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）根据修理区域加不加补片分为两类 2）补片式修理方法 外搭接补片胶接法 外搭接补片螺接法 嵌入式补片修理（不含蜂窝芯修补）2.复合材料修理的分类 8.6.2 复合材料修复 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）根据损伤程度和性能要求分为四种类型 1）临时性修理（暂时性修理）2）过渡性修理 3）永久性修理 4）更换部件 2.复合材料修理的分类 8.6.2 复合材料修复 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 具有代表性的较全面的修理程序如下：（1）材料识别；（2）标明损伤区域；（3）切除损伤

40、材料（如蒙皮、蜂窝芯等）；（4）切口（坡形或台阶形）打磨或去除表面层；（5）干燥修理区域；（6）清洁修理区域；（7）安装新蜂窝芯（如果损坏了）；（8）固化蜂窝芯（如果损坏了）；（9）铺贴修理层；（10）检查修理结果；（11）封严修理区域；（12）重新喷涂面漆。3.修理程序 8.6.2 复合材料修复 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （1）表面损伤的修理 用树脂填充划伤、刻痕，固化后磨平、涂漆；用混合物（相当于腻子）填充吹沙后的损伤区；用清洁剂清洗凹陷区，后用胶粘剂填充，固化后去除多余物，如需补漆再涂刷底漆面漆；将冷树脂注射到气泡或分层区，室温固化。该法只适用于25mm的损伤区。固化时可

41、用重物或夹紧法对构件施加压力。4.各种损伤的修理 8.6.2 复合材料修复 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （2）分层的修理 构件边缘是最易出现损伤的区域。边缘开胶和分层可采用树脂注射法或混合物填充法进行修理，固化时要施加压力。该法已广泛用于碳纤维复合材料的边缘分层修理。（3）冲击损伤的临时性修理 临时性修理大多在外场进行，需要的设备、条件简单，并可在短时间内完成。这种修理一般寿命较短，应在其限定寿命内由永久性修理取代。4.各种损伤的修理 8.6.2 复合材料修复 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 （4）冲击损伤的永久性修理 永久性修理的目标是恢复复合材料构件的结构完整性。可采用外搭接补片胶接或螺接法，也可采用嵌入式修理方法。具体要根据损伤的部位、程度及构件的类型来决定。1）蒙皮/肋结构的修理 2）蜂窝夹层结构的修理 4.各种损伤的修理 8.6.2 复合材料修复 陕西航空职业技术学院陕西航空职业技术学院 1.什么是复合材料？复合材料有哪些特点？结合复合材料的特点说明其应用领域广泛的原因。2.简述手糊成型的工艺流程。3.简述碳/碳复合材料的制备过程。思考题 崇德尚学崇德尚学 自强不息自强不息