簡(jiǎn)介:復(fù)合材料與航空航天復(fù)合材料與航空航天摘要摘要先進(jìn)復(fù)合材料ADVANCEDCOMPOSITEMATERIALS,ACM成功地用于航空航天領(lǐng)域僅有20多年的歷史它具有比強(qiáng)度比模量高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能好、耐腐蝕性能優(yōu)越以及便于大面積整體成型等顯著優(yōu)點(diǎn),在飛機(jī)上已獲得大量應(yīng)用。作為21世紀(jì)的主導(dǎo)材料,先進(jìn)復(fù)合材料的用量已成為飛機(jī)先進(jìn)性,乃至航空航天領(lǐng)域先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志,是世界強(qiáng)國競(jìng)相發(fā)展的核心技術(shù),也是我國的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。本文介紹了復(fù)合材料在航空航天上的發(fā)展?fàn)顩r,其后討論了目前復(fù)合材料使用上存在的問題,如碳纖維質(zhì)量差,成本高,針對(duì)這些問題,本文最后著重?cái)⑹隽讼冗M(jìn)的碳化硅陶瓷纖維的制備方法,特點(diǎn),以及NL200陶瓷級(jí)纖維在航空航天上的使用。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞復(fù)合材料碳化硅陶瓷纖維航空航天1先進(jìn)復(fù)合材料現(xiàn)狀先進(jìn)復(fù)合材料現(xiàn)狀復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上具有不同物理、化學(xué)性質(zhì)的材料,以微觀、介觀或宏觀等不同的結(jié)構(gòu)尺度與層次,經(jīng)過復(fù)雜的空間組合而形成的一種多相固體材料。先進(jìn)復(fù)合材料ADVANCEDCOMPOSITEMATERIALS指的是在性能和功能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其單質(zhì)組分性能與功能的類新材料。它是國防軍工和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展最重要的一類工程材料,也是應(yīng)用于飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星、飛船等航空航天飛行器的理想材料。根據(jù)美國航空航天局NASA的劃分,航空航天所使用的各種先進(jìn)復(fù)合材料可以分為以下幾種樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及碳/碳復(fù)合材料等1。111111先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料是以高性能纖維為增強(qiáng)體、高性能樹脂為基體的復(fù)合材料與傳統(tǒng)的鋼、鋁合金結(jié)構(gòu)材料相比,它的密度約為鋼的1/5,鋁合金的1/2,且比強(qiáng)度與比模量遠(yuǎn)高于后二者目前用途最廣的主要有碳纖維復(fù)合材料CFRP和芳綸纖維復(fù)合材料AFRPCFRP具有比強(qiáng)度高、耐高溫、減振性好、耐疲勞性能優(yōu)越等突出優(yōu)點(diǎn),是目前民用飛機(jī)上用量最大,也是航空航天等尖端科技領(lǐng)域發(fā)展較為成熟的先進(jìn)復(fù)合材料2AFRP熱穩(wěn)定性好,耐介質(zhì)性能優(yōu)良,可作為復(fù)合裝甲材料,有較強(qiáng)的防護(hù)力國外近年致力于將該種材料用于制作軍、民用飛機(jī)的“光譜屏蔽“材料,其關(guān)鍵性能指標(biāo)抗沖擊性能相當(dāng)出色112112金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料主要是指以AL、MG等輕金屬為基體的復(fù)合材料在航空和宇航方面主要用它來代替輕但有毒的鈹這類材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能、耐高溫性能,橫向性能、低消耗和優(yōu)良的可加工性能。近20年來,鎂基、鋁基、鈦基等輕質(zhì)金屬基復(fù)合材料在航空航天高技術(shù)領(lǐng)域起到了支撐作用[3],SIC晶須增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料薄板將用于先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的蒙皮和機(jī)尾的加強(qiáng)筋,鎢纖維增強(qiáng)高溫合金基復(fù)合材料可用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件,石墨/鋁、石墨/鎂復(fù)合材料具有很高的比剛度和抗熱變形性,是衛(wèi)星和宇宙飛行器用的良好的結(jié)構(gòu)材料。美國航天航空局采用石墨/鋁復(fù)合材料作為航天飛機(jī)中部長(zhǎng)20M的貨艙架。這類材料具有優(yōu)良的橫向性能、低消耗和優(yōu)良的可加工性,已成為在許多應(yīng)用領(lǐng)域最具商業(yè)吸引力的材料,并且在國外已實(shí)現(xiàn)商品化而在我國僅有少量批量生產(chǎn),以汽車及機(jī)械零件為主,年產(chǎn)量?jī)H5000噸左右,與國外差距較大42000年以來,歐美等發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)復(fù)合材料在航空上用量有很大的飛躍,這其中的原因是多方面的,而科學(xué)合理的設(shè)計(jì)理論與方法也是其中的重要因素。我國首先要解決的是設(shè)計(jì)理念上的問題。主承力結(jié)構(gòu)件上大量用復(fù)合材料,需要設(shè)計(jì)師接受和信賴復(fù)合材料。其次是設(shè)計(jì)理論問題。復(fù)合材料的性能分散性和環(huán)境依賴性使其設(shè)計(jì)問題相當(dāng)復(fù)雜,設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值的確定還很保守?,F(xiàn)有的方法需要大量試驗(yàn),造成復(fù)合材料的制備成本高、周期長(zhǎng),性能測(cè)試難度大、費(fèi)用昂貴。設(shè)計(jì)、制備、評(píng)價(jià)和使用過程中獲得的每一個(gè)材料性能數(shù)據(jù)都彌足珍貴。因此,建立長(zhǎng)期的開放式的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)十分必要。3434先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全與可靠性評(píng)價(jià)先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全與可靠性評(píng)價(jià)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式、服役載荷及使用環(huán)境都相當(dāng)復(fù)雜及初始缺陷影響和損傷最終導(dǎo)致材料破壞與結(jié)構(gòu)失效的機(jī)制復(fù)雜。因此,建立復(fù)合材料有效性能試驗(yàn)表征與評(píng)價(jià)體系,發(fā)展高精度的預(yù)報(bào)理論與方法,有效預(yù)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)服役環(huán)境下的性能蛻變規(guī)律,給出科學(xué)合理的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效判據(jù),定量化評(píng)價(jià)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性,是復(fù)合材料工作者面臨的重要課題。3535重視發(fā)展規(guī)劃重視發(fā)展規(guī)劃國外航空航天結(jié)構(gòu)中先進(jìn)復(fù)合材料用量不斷增加,急劇上升。隨著新一代飛行器的發(fā)展,特別是新一代衛(wèi)星、大運(yùn)載火箭、近空間飛行器和大飛機(jī)的發(fā)展,先進(jìn)復(fù)合材料與應(yīng)用將越來越重要。國家應(yīng)從需求及復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù)本身規(guī)劃復(fù)合材料可持續(xù)發(fā)展問題,可以從復(fù)合材料與金屬、高分子、無機(jī)材料同等重要,并且是航空航天四大材料復(fù)合材料、鋁、鈦、鋼的角度,制定相關(guān)計(jì)劃并動(dòng)員社會(huì)力量推進(jìn)復(fù)合材料可持續(xù)發(fā)展。重點(diǎn)解決先進(jìn)復(fù)合材料研制中的共性和關(guān)鍵問題,發(fā)展我國的優(yōu)勢(shì)和精品系列材料,通過國家與企業(yè)協(xié)同支持,自主創(chuàng)新,使我國成為復(fù)合材料的強(qiáng)國。4碳化硅陶瓷纖維碳化硅陶瓷纖維碳纖維是一種高強(qiáng)度、高模量材料,理論上大多數(shù)有機(jī)纖維都可被制成碳纖維,實(shí)際用作碳纖維原料的有機(jī)纖維主要有三種,但其原絲質(zhì)量差、生產(chǎn)規(guī)模小、質(zhì)量低、價(jià)格高、應(yīng)用基礎(chǔ)研究薄弱等問題仍很嚴(yán)峻。陶瓷纖維是由天然或人造無機(jī)物采用不同工藝制成的纖維狀物質(zhì),也可由有機(jī)纖維經(jīng)高溫?zé)崽幚磙D(zhuǎn)化而成,除具有優(yōu)異的力學(xué)性能外,還具有抗氧化、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。碳化硅纖維SICF是用于金屬基、陶瓷基復(fù)合材料的一種重要的高性能增強(qiáng)陶瓷纖維。與碳纖維相比,SICF在抗拉強(qiáng)度、抗蠕變性能、抗氧化性以及與陶瓷基體相容性方面表現(xiàn)出一系列的優(yōu)異性能。4141SICFSICF的制備的制備411411化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法CVD,即在連續(xù)的鎢絲或碳絲芯材上沉積碳化硅。通常在管式反應(yīng)器中用水銀電極直接采用直流電或射頻加熱,把基體芯材鎢絲或碳絲加熱到1200℃以上,通入氯硅烷和氫氣的混合氣體,經(jīng)反應(yīng)裂解為碳化硅,并沉積在鎢絲或碳絲表面。目前有美國達(dá)信系統(tǒng)公司、法國國營(yíng)火藥炸藥公司、英國石油公司和我國中科院金屬所等在開展此項(xiàng)工作。412412先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法PIP是以有機(jī)聚合物一般為有機(jī)金屬聚物為先驅(qū)體,利用其可溶可熔等特性成型后,經(jīng)高溫?zé)岱纸馓幚?使之從有機(jī)化合物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)陶瓷材料的方法。1975年日本的矢島教授等9首次使用聚碳硅烷作為先驅(qū)體制造
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上傳時(shí)間:2024-05-23
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