碳纤维复合材料在航空航天领域的应用

CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM纤维增强复合材料在航天航空领域应用戴福洪哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所2011,08CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM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基础研究进展•结语CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM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结构材料之一CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM引言大幅度减重可设计性结构整体优化降低全寿命成本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机体维护成本与B767相比大幅下降CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCMR.ByronPipes，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TheEvolutionofComposites引言碳纤维复合材料在航天应用CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM•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结构、功能或结构/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。碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。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结构部件和卫星主体结构承力件上CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM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结构体、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CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM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，降低发射成本CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM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5.65Gpa、杨氏模量300GPaCenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM碳纤维复合材料在航空应用CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM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结构/功能CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM第三阶段（90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发展历程CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM0%10%20%30%40%50%60%19701980199020002010CompositeUsageMirageF18CDC17AV8BRafaleF18E/FUCAVEuroFighterF35F/A22B2A-380A-320A-340A-330F15787PremierHorizon用量发展情况CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM飞机结构复合材料用量是飞机先进性的重要标志F2225%F3535%EF200040%F162%军机应用CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCMTiger80%直升机应用V-2250%CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM无人机应用•全球鹰（GlobalHawk）•捕食者(Predator）•暗星（DarkStar）•先锋（Pioneer）•搜索者（Searcher）X-45C90%PredatorCenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM民机应用——A380•复合材料22%•Glare3%•铝61%•钛和钢10%•其他5%CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCMCarbonlaminateCarbonsandwichFiberglassAluminumAluminum/steel/titaniumpylonsComposites50%Titanium15%Other5%Steel10%Aluminum20%PrimaryStructureWeightbyMaterial机身结构机翼结构民机应用——B787CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM机翼结构中央翼盒CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCMBoeing787第一个全尺寸复合材料机身段，长7m宽6m，减重20%民机应用——B787CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM5%Titanium15%Aluminium15%Steel65%Composites15%Steel65%Aluminium15%CompositesTitanium5%2000年2020年（预测）应用趋势——复合材料成为飞机结构最为重要的基本材料飞机机体结构材料国产碳纤维复合材料应用基础研究CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM国产碳纤维复合材料航空结构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CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM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—2008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：2008年03月—2009年05月•碳纤维性能分散性的发展CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM•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)CCF3002.293.28T3002.023.53T700SC2.455.30M40JB2.074.46M55JB1.684.08CCF3001/20.92MpamICKCCF300断裂截面强度：1.34rH：1.56rH/c：4.2CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM结语•碳纤维及其复合材料行业面临良好的发展机遇；•加强先进复合材料基础研究和应用基础研究，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、发展！(试验为主)(模拟为主)CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnologyHITCCM谢谢!