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第三篇
復合材料飛機結構設計
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第一章 概述
第一節 先進復合材料的開發與結構應用
一、先進復合材料的開發與結構應用
為了提高軍用飛機性能,美國空軍材料研究所("%)早在 &’世紀 (’年代中期
就開始尋求比已經采用的鋁合金、鈦合金等金屬材料的比強度、比模量更大的材料。
為此,研究開發了先進復合材料、鋁鋰合金等輕質高性能材料。先進復合材料在航
空、航天飛行器結構上應用獲得了成功,現已成為飛機機體結構與鋁合金、鈦合金、鋼
并駕齊驅的四大結構材料之一。先進樹脂基復合材料的用量已成為飛機先進性的一
個重要標志。
先進復合材料的開發,基于對玻璃纖維增強塑料(玻璃鋼 )*+)比重小、強度高
而模量較低的認識和經驗,重點研究高模量、高強度、比重小的增強纖維。開始研究
生產硼纖維,因為從化學元素周期表看,硼( ,)分子量小于玻璃纖維主要化學元素硅(-.)。
/01’年鎢絲芯硼纖維小批量生產,硼纖維直徑約 /’’2、拉伸模量 3’’)+4、拉伸
強度 56’’+4。硼纖維增強環氧的拉伸模量達 &’’)+4(密度 &7 ’),比 )*+拉伸模
量 3’)+4(密度 /7 6)大 (倍,比鋁合金拉伸模量 8’)+4(密度 &7 8)約大 5倍。據此,美
國空軍材料研究所將硼纖維增強環氧命名為先進復合材料( 49:4;<=9<>2?>@.A=24A=B.C
4D@,"E),簡稱復合材料,借此與以往的玻璃纖維增強塑料有所區別,并開始了用于
飛機機體結構的應用研究。 1’年代末已研制出硼 F環氧復合材料水平尾翼和垂直安
定面翼盒結構件。
繼之, /08/年高強型碳纖維 G5’’、"-3等小規模生產,并且價格優勢日益明顯。
碳 F環氧復合材料 G5’’ F (&’6,"-3 F 5(’/—1等耐濕熱性能和工藝性均較好,因而在飛
機結構上得到推廣應用。
/06’年后,中模量高強度碳纖維 H1、H8、G6’’等開始批量生產,以及使用溫度
高、耐濕 F熱性能好的雙馬來酰亞胺樹脂基體和增韌環氧基體相繼商品化,從而促使
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復合材料,如 " %&’%(,") %&%*—’和 +,- .),") /))—.等得到大量應用,成為新一代飛機的主要結構材料之一。
綜上所述,先進復合材料主要指結構性能相當于或優于鋁合金的復合材料,目前系指硼纖維、碳纖維、芳綸等纖維增強樹脂基復合材料,現已成為飛機結構的主要材料之一。
二、復合材料結構應用
復合材料是輕質高性能材料。但是,復合材料構件的成本,即由原材料、制造、檢測、維護和修理等構成的全壽命周期費用(0123454634789,:(()太高。因此,復合材料結構首先應用 )航空、航天飛行器、高速列車、賽車、賽艇等高成本投入、高性能要求的結構上。
迄今為止,飛機上采用復合材料結構的主要目的是減輕機體結構重量和改善氣動彈性和隱身性能等,因其突出的效益,有時寧可犧牲結構制造成本和某些技術保障性(如檢測性、修復性等)也要采用復合材料結構。復合材料在飛機結構上的應用隨著復合材料技術開發,而不斷擴大。
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