1、复合材料在航空领域的应用及发展复合材料在航空领域的应用及发展 蒲永伟蒲永伟 20152015年年5 5月月2121日日 一、航空用复合材料概述一、航空用复合材料概述 二、航空用复合材料应用二、航空用复合材料应用 三、航空用复合材料发展三、航空用复合材料发展 主要内容主要内容 复合材料基本概念复合材料基本概念 复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一。复合材料已经发展成为与金属材料、无机非金属材料、高分子材料并列的四大材料体系之一。定义：定义：是是由两种或两种以上由两种或两种以上不同性质不同性质的材料，通过一定的方法，在宏观上组成的的材料，通过一定的方法，

2、在宏观上组成的相材料相材料。增强相：增强相：碳纤维碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维 复合材料复合材料“1+12”的协同效应的协同效应：高界面结合强度被认为是获得高性能复合材料的必要条件高界面结合强度被认为是获得高性能复合材料的必要条件。基基 体体增强体增强体复复合合材材料料物理结合物理结合化学结合化学结合三维界面相三维界面相吸附和润湿吸附和润湿原子扩散原子扩散机械锁合机械锁合静电引力静电引力基体重结晶基体重结晶化学键结合化学键结合化学反应物结合化学反应物结合航空用复合材料概述航空用复合材料概述 基体相：基体相：环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、苯并噁嗪树脂、环氧树脂、双

3、马来酰亚胺树脂、苯并噁嗪树脂、聚芳醚系列树脂聚芳醚系列树脂 纤维增强树脂基复合材料纤维增强树脂基复合材料 航空用复合材料概述航空用复合材料概述 定义：泛指应用于飞机主承力或次承力结构，性能定义：泛指应用于飞机主承力或次承力结构，性能相当于或优于铝合金相当于或优于铝合金的复合材料。的复合材料。航空用复合材料性能航空用复合材料性能 硼纤维复合材料硼纤维复合材料 玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料碳纤维复合材料 高的比强度和比模量高的比强度和比模量 各相异性和可设计性各相异性和可设计性 良好的抗疲劳性良好的抗疲劳性 成形工艺性好成形工艺性好 良好的尺寸稳定性良好的尺寸稳定性 便于大面积

4、整体成型便于大面积整体成型 航空用复合材料航空用复合材料 先进复合材料简介先进复合材料简介 航空用复合材料的应用优势航空用复合材料的应用优势 复合材料作为21世纪的主导材料，其用量已经成为飞机先进性，乃至航空领域先进性的重要标志，是世界强国竞相发展的核心技术。机型机型 结构重量结构重量%轻型飞机轻型飞机 90-100 直升机直升机 70 隐身飞机隐身飞机 50 战斗机战斗机 20-40 民用飞机民用飞机 7-50 航空领域应用情况航空领域应用情况 三代机三代机 四代机四代机 现代飞机对选材的要求现代飞机对选材的要求质质量量轻轻强强度度高高耐耐高高温温耐耐腐腐蚀蚀隐隐身身性性航空用复合材料应用航

5、空用复合材料应用 60-70年代年代 70-90年代年代 90年代至今年代至今 一代材料一代材料 一代飞机一代飞机 航空用复合材料的应用趋势航空用复合材料的应用趋势 应用应用 非承力结构件或承力较小非承力结构件或承力较小 (方向舵、整流罩等）方向舵、整流罩等）一级次承力结构件一级次承力结构件5%5%(垂尾、平尾等）垂尾、平尾等）主要的承力结构主要的承力结构2020-50%50%(机翼、机身等）机翼、机身等）民机应用民机应用 非承力非承力构件构件 受力较小的受力较小的部件部件 受力较大的受力较大的部件部件 正式正式大量大量使用使用 航空用复合材料应用航空用复合材料应用 型号型号 复合材料复合材料

6、 F14A 1 F15A 2 F16A 2 幻影幻影2000 7 F18A 10 AV8B 26 阵风阵风 24 F22 24 F35 30 EF2000 40%F22 F35 EF2000 F18E/F 国外航空用复合材料的军机应用情况国外航空用复合材料的军机应用情况 航空用复合材料应用航空用复合材料应用 空客空客A350A350-XWB XWB 材料使用情况材料使用情况 波音波音787787 材料应用部位和比例材料应用部位和比例 波音和空客在民机市场竞争激波音和空客在民机市场竞争激烈，在技术上主要对决的内容就是烈，在技术上主要对决的内容就是复合材料，复合材料正是在此背景复合材料，复合材料正

7、是在此背景下飞速发展。下飞速发展。“百川入海，殊途同归”“百川入海，殊途同归”民机应用情况民机应用情况 航空用复合材料应用航空用复合材料应用 民机应用增长趋势民机应用增长趋势 F-35 5052000DC950B747DC10MD80B767B757B737-300A310A320A300A340A330 MD11B747-400A321A400MA380MD90B777A322A350B787研制年代研制年代复复合合材材料料应应用用百百分分比比%200520102015航空用复合材料应用航空用复合材料应用 国内航空用复合材料的

8、应用情况国内航空用复合材料的应用情况 航空用复合材料应用航空用复合材料应用 国产运-20四发涡扇重型运输机 国产C919短程双发窄体民用运输机 复合材料约为20%复合材料用量约为10%15%国内民用航空复合材料典型案例国内民用航空复合材料典型案例 航空用复合材料应用航空用复合材料应用 国内民用航空复合材料典型案例国内民用航空复合材料典型案例 航空用复合材料应用航空用复合材料应用 国内民用航空复合材料典型案例国内民用航空复合材料典型案例 航空用复合材料应用航空用复合材料应用 航空用复合材料发展趋势航空用复合材料发展趋势 随着复合材料在航空领域应用增多，未来的航空用复合材料发展趋势将向复合材料数字

9、化集成制造所转变 航空用复合材料发展航空用复合材料发展 高质量 低成本 高效率 大型整体化 精密自动化 设计制造一体化 数字化集成制造 共固化长桁（框、肋）常见结构：航空用复合材料发展航空用复合材料发展 大型整体化大型整体化 采用共固化制造可以实现复合材料构件的大型整体化制造采用共固化制造可以实现复合材料构件的大型整体化制造 制造过程重复性高、质量稳定性好；生产效率高；操作安全可靠；人为干扰因素少；制件制造精度高。自动铺带工艺的优点：自动铺带工艺达自动铺带工艺达到国内先进水平到国内先进水平（目前应用于C919垂尾试验件）航空用复合材料发展航空用复合材料发展 大型整体化大型整体化 热隔膜成形工艺

10、是在欧洲推出的ALCAS计划中，开发的一种用于加工飞机前梁的一种典型成型工艺方法。隔膜成型原是一种为热塑性复合材料开发的成型工艺，后发现用于热固性复合材料具有很广泛的用途。它具有成型过程中纤维不易滑动、不易产生皱褶的特殊功效，非常适于加工大型飞机机翼前梁的C形截面。在近年推出的A400M飞机的C形前梁的毛坯制备采用了这种T艺方法。该工艺方法并非针对所有的预浸料都适用，相应的树脂应具有一定的流动性。航空用复合材料发展航空用复合材料发展 精密自动化精密自动化 采用热隔膜法制造长桁等筋条结构件采用热隔膜法制造长桁等筋条结构件 铺层展开数据铺层展开数据 工程数模（工程数模（FibersimFibers

11、im）激光投影数据激光投影数据 采用了先进的数控铺层剪裁、激光投影定位等先进技术，向数字化制造的改变。剪裁周期缩短60%左右 铺叠周期缩短40%左右 提高了制件尺寸精度及质量稳定性 航空用复合材料发展航空用复合材料发展 精密自动化精密自动化 数控铺层剪裁及投影定位数控铺层剪裁及投影定位 五坐标数控铣切中心五坐标数控铣切中心 数控铣孔工艺数控铣孔工艺 铣切加工后的复材制件铣切加工后的复材制件 蜂窝芯材蜂窝芯材 纤维增强树脂基复合材料在机械加工过程中易出现分层、劈裂、高温损伤等问题，目前比较常用的为高速磨削加工、高速铣切加工。采用硬质刀具（硬质合金、金刚等）；小进给，高转速的磨削、切削加工（约20

12、000r/min)；焦点孔定位精度0.05mm。航空用复合材料发展航空用复合材料发展 精密自动化精密自动化 精密机械加工精密机械加工 复合材料构件的试验周期长、制造成本高，产品性能难以达到现代航空业对复合材料性能的苛刻要求，严重阻碍了我国民用航空业的发展。采用数值模拟技术实现模具设计、工艺过程控制及参数优化：低成本方向发展；缩短研制周期；提高制造质量。航空用复合材料发展航空用复合材料发展 设计制造一体化设计制造一体化 树脂转移模塑成型 真空辅助树脂转移模塑成型 树脂膜渗透成型 RTM VARTM 航空用复合材料发展航空用复合材料发展 基于前期模拟仿真过程的液体成型制造基于前期模拟仿真过程的液体成型制造 谢谢大家！谢谢大家！