飞行器结构用复合材料四大核心技术及发展.pdf

　７６　　　　　　飞行器结构用复合材料四大核心技术及发展　　２０１４年９月　　飞行器结构用复合材料四大核心技术及发展　　　　王绍凯，马绪强，李敏，顾轶卓，张佐光　　　　　（空天材料与服役教育部重点实验室，北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京１００１９１）　　摘要：先进复合材料以其轻质高强、可设计性等特点，在航空航天等领域得到了广泛的应用。本文概述了复合材料在航　空航天领域用作飞行器结构的发展历程，进而从更高效、可靠及大量应用角度，重点介绍了复合材料结构设计、增强体与基体　　材料、复合成型工艺及性能检测评价等结构复合材料之四大方面核心技术的研究动向与发展趋势。同时展望了新一代复合材——　　　　　　料碳纳米管复合材料发展及其在航空航天领域的应用前景。　　　　　　　　关键词：复合材料；航空航天；飞行器；碳纤维；纳米复合材料　　　中图分类号：ＴＢ３３２　　文献标识码：Ａ　——　文章编号：１００３－０９９９（２０１４）０９００７６０９　　　１前言“　　　　轻质化、长寿命、高可靠、高效能、高隐身、高突”　　防、低成本是新一代飞行器的发展目标。而复合材　　　　料具有轻质、高强、可设计、抗疲劳、易于实现结构／　功能一体化等优点，因此，先进复合材料继铝、钛、钢　　　之后迅速发展成为飞行器四大结构材料之一，目前　　先进复合材料已成为飞机结构基本材料。　　无论是航空航天器的发展带动了复合材料的发　　　展，还是复合材料的发展推动了航空航天器的发展，　　　　纵观近２０年来，飞行器结构复合材料化是一种有目　　　　　共睹的发展态势，过去是这样，现在是这样，可以认　　　　为以后还会是这样。应该说，这几十年复合材料在　　　飞行器结构上的应用取得了巨大成功，获得了许多　　　宝贵经验，为后续发展奠定了坚实基础。当然也应　　　　该看到，复合材料自身还存在不少问题，有些方面还　　　　满足不了航空航天器发展要求，同时也面临其他材　　　　　料的挑战。因此，复合材料必须克服存在的不足，要　　　　在飞行器结构上大量应用必须强调更高效、可靠与　　　　　低成本化，这方面国内外已经进行了大量研究。本　　文则以设计是先导、材料是基础、制造是关键及评价　　　是保障等复合材料应用四大方面核心技术为主线，　　　介绍相关研究动向与发展趋势；在此基础上，结合作　　　者近几年研究工作，简要阐述新兴碳纳米管复合材　　料发展及其在航空航天领域的应用前景。　　２航空航天结构用复合材料发展历程　　　　先进复合材料于２０世纪６Ｏ年代中期已应用于　　飞行器结构。近５０年来先进复合材料在飞机结构　　上应用走过了一条由小到大、由次到主、由局部到整　　体、由结构到功能、由军机应用扩展到民机应用的发　展道路。　纵观国外军机结构用复合材料所走过的道路，　　　　大致可分为三个阶段：第一阶段，复合材料主要用于　　　受力较小或非承力件，如舱门、口盖、整流罩以及襟　　副翼、方向舵等，大约于２０世纪７０年代初完成。第　　　二阶段，复合材料主要用于垂尾、平尾等尾翼一级的　　　　　　次承力部件，以Ｆ１４硼／环氧复合材料平尾于１９７１　　　　年研制成功作为标志，基本于２Ｏ世纪８０年代初完　　　成。第三阶段，复合材料开始应用于机翼、机身等主　　　　　要的承力结构，主要以１９７６年美国原麦道公司研制　　　　　成功ＦＡ．１８复合材料机翼作为里程碑，此时复合材　　　　料用量已提高到了１３％，军机结构的复合材料化进　程进一步得到推进。　复合材料相对于铝合金材料不仅具有较好的减　重效益，而且其整体成型技术可以有效减少连接，提　　　　　　　高结构可靠性和气动性能。２０世纪９０年代以来，　美国等发达国家的先进战斗机无一例外地大量采用　　　复合材料结构，包括垂尾、平尾、机身蒙皮以及机翼　　壁板和蒙皮等。如Ｆ．１８Ｅ／Ｆ战斗机的复合材料用量　　　占飞机总重量的１９％，Ｆ一２２战斗机的复合材料用量　　　占飞机总重量的２４％，Ｆ一３５战斗机的复合材料用量　　　　占飞机总重量的３６％，ＥＦ－２０００飞机的复合材料用　　　　量占飞机总重量达到４３％。目前世界军机上复合材　　—　收稿日期：２０１４０８－１３　　　　　　　作者简介：王绍凯（１９８２一），博士，副教授，主要研究方向为先进树脂基复合材料。　　　　　ＦＩ￣Ｐ／ＣＭ２Ｄｊ场９　　２０１４年第９期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　８３　　　　ＳＡＭＰＥｓｙｍｐｏｓｉｕｍａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｏｎ　ｆｅｒｅｎｃｅ．２０１０．　　　　　［１２］ＳｃｈｗａｒｔｚＭ．Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓｉｎｍａｔｅｒｉａｌｓｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，　　　　ａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｓａｆｅｔｙ［Ｍ］．ＣＲＣｐｒｅｓｓ，２０１０．５０７．５０８．　　　　　　　［１３］ＫａｐｓＲ，ＨｅｒｂｅｃｋＬ，ＨｅｒｒｍａｎｎＡ．Ｈｙｂｒｉｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｒｏｕｔｅ．ｃｏｓｔｅｆ－　　　　　　　ｆｉｃｉｅｎｔＣＦＲＰｐｒｉｍａｒｙａｉｒｆｒａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｃ］ＩＣＡＳ２００６，２５ｔｈｉｎ．　　　　　　ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｃｏｎｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌｓｃｉｅｎｃｅｓ．２００６．　　　　　　　［１４］ＡｏｋｉＹ，ＮａｇａｏＹ，ＴａｋｅｄａＳＩ，ＫｕｒａｔａｎｉＹ．Ｉｎｔｅｇｒａｌｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆ　　　　　　　　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｕｓｅｌａｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｓｉｎｇＶＡＲＴＭｐｒｅｐｒｅｇｈｙｂｒｉｄｐｒｏｃｅｓｓ　　　　　　　［ｃＪ．ＳＡＭＰＥＥｕｒｏｐｅ３２ｎｄＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．　２０１１，Ｐａｒｉｓ．　　　　　　　　［１５］ＤｉＦｒａｔｔａＣ，ＤａｎｚｉＭ，ＧａｂａｔｈｕｌｅｒＶ，ｅｔａ１．ＡｐｐｒｏａｃｈｔｏＯｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　　　　ａＣｏｍｂｉｎｅｄＯｕｔ－ｏｆ－Ａｕｔｏｃｌａｖｅ（ＯＯＡ）Ｐｒｅｐｒｅｇ／ＬｉｑｕｉｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅ　　　　　Ｍｏｌｄｉｎｇ（ＬＣＭ）ＰｒｏｃｅｓｓｆｏｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＳＡＭＰＥＪｏｕｒ－—　ｎａｌ，２０１２，４８（５）：４０４６．　　“　　　　　　　［１６］ｘｕｗ，ＧｕＹ，Ｍ，ｅｔａ１．Ｃｏ－ｃｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｃｏｍｂｉｎｉｎｇｒｅｓｉｎｆｉｌｍ　　　　—　　　　　ｉｎｆｕｓｉｏｎｗｉｔｈｐｒｅｐｒｅｇａｎｄｃｏｃｕｒｅｄｉｎｔｅｒｌａｍｉｎａｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎ　　　　　ｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１３，４８—　（１４）：１７０９１７２４．　　　　　　　　　　　［１７］ＭａＸＱ，ＧｕＹＺ，ＬｉＭ，ｅｔａ１．Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　　　　ｌａｍｉｎａｔｅｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｃｏｒｅｓｉｎｆ　　　　　ｉｌｍｉｎｆｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　　　ｐｒｅｐｒｅｇｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＰｏｌｙｍｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，２０１３，３４（１２）：　２０ｏ８．２０１８．　　　　　　　　［１８］ＭａＸ，ＧｕＹ，ｅｔａ１．Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎ　　　　　　　　—　ｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｉｆｆｅｎｅｄｓｋｉｎｂｙｒｅｓｉｎｆｉｌｍｉｎｆｕｓｉｏｎ／ｐｒｅｐｒｅｇｃｏ・・ｃｕ－　　　　　　　ｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓａｎｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，　２０１４：０７３１６８４４１４５４３２１３．　　　　　　　［１９］ＤｅｌａｌｏｙｅＳ，ＮｉｅｄｅｒｍｅｉｅｒＭ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｉａｐｈｒａｇｍｆｏｒｍｉｎｇ　　　　　　　　ｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｆｉｂｒｅ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａｄｖａｎｃｅｄｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｔｏｍ－．　—　ｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，１９９５，６（３）：１３５１４４．　　　　　　　　　—　［２０］ＰａｎｔｅｌａｋｉｓＳＧ，ＢａｘｅｖａｎｉＥＡ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｉａｐｈｒａｇｍｆｏｒｍ　　　　　　　　　ｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗｉｔｈｒｅｇａｒｄｔｏｐｒｏｄｕｃｔｑｕａｌｉｔｙａｎｄｃｏｓｔ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　　　　　ＰａｒｔＡ：ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２００２，３３（４）：—　４５９４７０．　　　　　　　　［２１］ＹｕＸ．，ＹｅＬ．，ＭａｉＹ．Ｗ．，ｅｔａ１．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅ　　　　　ｄｏｕｂｌｅｄｉａｐｈｒａｇｍｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＲｅｖｕｅＥｕｒｏｐｒｅｎｎｅｄｅｓ—　Ｅｌ白】ｅｎｔｓ，２００５，１４（６－７）：６３３６５１．　　　　　　　　　［２２］ＳｕｎＪ，ＧｕＹ，ＬｉＭ，ｅｔａ１．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｆｏｒｍｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅ　　　　　　　　　ｑｕａｌｉｔｙｏｆｈｏｔｄｉａｐｈｒａｇｍｆｏｒｍｅｄＣ－ｓｈａｐｅｄｔｈｅｒｍｏｓｅｔｔｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　　　　　　ｌａｍｉｎａｔｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓａｎｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，—　２０１２，３１（１６）：１０７４１０８７．　　　　　　　　　　［２３］ＢｉａｎＸＸ，ＧｕＹＺ，ＳｕｎＪ，ｅｔａ１．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　　　　　　　　　—　　ｏｎｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆｃｓｈａｐｅｄｔｈｅｒ　　　　ｍｏｓｅｔｔｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　　　　　　　ｌａｍｉｎａｔｅｓｉｎｈｏｔｄｉａｐｈｒａｇｍｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１３，２０（５）：９２７－９４５．　　［２４］马保全，周正干．航空航天复合材料结构非接触无损检测技术　　　的进展及发展趋势［Ｊ］．航空学报，２０１４．　　　　　—　　［２５］ＰａｌｍｅｒＳＢ，ＤｉｘｏｎＳ．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｌｙｖｉａｂｌｅｎｏｎｃｏｎｔａｃｔｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ—　　　　　［Ｊ］．ＩｎｓｉｇｈｔＮｏｎ・ＤｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＣｏｎｄｉｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，　２００３，４５（３）：２１１－２１７．　　　　　　—　［２６］ＲｙｌｅｙＡｃ，ＫｈａｒｋｏｖｓｋｙＳ，ＤａｎｉｅｌｓＤ，ｅｔａ１．ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＸｒａｙ．　　　—　　ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｗａｖｅ，ｓｈｅａｒｏｇｒａｐｈｙａｎｄｔｈｒｏｕｇｈｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　　　　　　　ｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆｈｏｎｅｙｃｏｍｂｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｃ］ＡＩＰＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　　　　ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ＡｍｅｒｉｃａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，２００７．　　　　　　　［２７］ＨｉｌｌｇｅｒＷ，ＭｅｉｅｒＲ，ＨｅｎｒｉｃｈＲ．ＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆＣＦＲＰｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　　　　——　ｂｙｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｉｍａｇｉｎｇｗｉｔｈａｉｒｃｏｕｐｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｉｎｓｉｇｈｔ．ＮｏｎＤｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　　　　ＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＣｏｎｄｉｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，２００４，４６（３）：１４７。１５０．　　　　　　［２８］ＨｏｌｌａｎｄＳＤ，ＵｈｌＣ，ＲｅｎｓｈａｗＪ．Ｖｉｂｒｏｔｈｅｒｍｏｇｒａｐｈｉｃｃｒａｃｋ　　　　　　　　—　ｈｅａｔｉｎｇ：Ａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｃｒａｃｋｓｉｚｅ［Ｃ］ＲｅｖｉｅｗｏｆＰｒｏ　　ｇｒｅｓｓｉｎＱｕａ　　　　ｎｔｉｔａｔｉｖｅＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ　　　　　　　　　ｔｈｅ３５ｔｈＡｎｎｕａｌ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