复合材料及其在航空零部件领域的应用？

2022-06-17 17:35 已解决

复合材料及其在航空零部件领域的应用

复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的新型材料。目前，航空复材零部件制造业所使用的复合材料主要为碳纤维增强的树脂基复合材料。复合材料相比金属材料的特点主要有：

（1）比强度和比模量较高

复合材料表现出与金属材料不同的力学性能特征，比强度是指材料强度与密度的比值，比模量是指材料弹性模量与密度的比值，高比强度和比模量意味着较少的材料能承受较高的载荷。由上表可知高强度复合材料的比强度是钛合金的近5倍，比模量是钛合金的近4倍，远超金属材料，因此在相同的强度要求下，使用高强度复合材料相比金属材料能大幅降低航空器结构重量，增加航空器航程，充分体现出节能减排的效益。

（2）各向异性和性能可设计性

层压复合材料是由单向预浸带逐层叠合并固化而成的，宏观上表现出非均匀性和各向异性。单向带沿纤维方向的性能与垂直纤维方向的性能差别很大，因此按不同的方向铺设不同比例的单向带，可以设计出不同性能的层压板来满足不同的结构要求，这种性能可设计性也叫性能“剪裁"。通过这种“剪裁”，可以使复合材料的效率充分发挥。例如在主承力方向，可以适当增加纤维含量比例以达到提高承载能力的效果，而不需要额外增加结构的重量。各向异性也给结构设计、分析和制造增加了困难，这是复合材料结构设计的特点之一。

（3）损伤、断裂和疲劳

复合材料的各向异性、脆性和非均质性，特别是层间性能远低于层内性能等特点，使复合材料层压板的失效机理与金属完全不同，因而它们的损伤、断裂和疲劳性能也有很大差别。另外，复合材料构件制造目前主要靠人工铺叠和热压成形，再加上加工、运输过程中可能受到的外来物冲击，其制件会比金属制件更易带有程度不等的缺陷或损伤。

（4）环境影响

除了极高的温度，一般不考虑湿热对金属强度的影响，但复合材料结构必须考虑湿热环境的联合作用。这是因为复合材料的基体通常为高分子材料，湿热的联合作用会降低其玻璃化转变温度（使用上限温度），从而引起由基体控制的力学性能（如压缩、剪切等）的明显下降。

（5）导电性

金属有着良好的导电性，复合材料的导电性则差得多。因此对复合材料的结构设计必须有专门的防雷击措施，油箱部位要有专门的防静电设计，同时对安装大量仪器仪表的设备舱和雷达罩，要进行特殊的电磁相容性设计。

综上，复合材料在航空器应用的最主要原因在于减轻航空器重量、增加航程，同时复合材料还具备耐腐蚀性、可设计性、抗疲劳性、热膨胀系数低、电磁屏蔽性好等优点；但是复合材料同时存在材料昂贵、在湿热条件下性能降低、易发生冲击损伤等劣势。