1、复复 合合 材材 料料 应应 用用 什么是复合材料？ 复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料分类复合材料基体材料增强材料金属基复合材料聚合物基复合材料无机非金属基复合材料种类外形碳纤维复合材料玻璃
2、纤维复合材料芳纶纤维复合材料连续纤维（短纤维）复合材料片状（粒状）材料增强复合材料金属基复合材料的应用 金属基复合材料一方面具有一系列与金属性能相似的优点,另一方面增强相的加入又赋予材料一些特殊性能,这样不同金属与合金基体及不同增强体的优化组合,就使金属基复合材料具有各种特殊性能和优异的综合性能。 来自加州理工学院的科学家创造出了一系列钛基结构金属玻璃复合材料。与先前该小组研发的任何成果相比，它的重量更轻并且价格更为低廉，但是却保持了良好的韧性和延展性，切不易折断。 在兵器工业领域，金属基复合材料可用于大口径尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托，反直升机/反坦克多用途导弹固体发动机壳体等零部件，以此来减轻战
3、斗部重量，提高作战能力。石墨烯/铜复合材料石墨烯/银复合材料 石墨烯是目前发现的唯一存在的一种由碳原子致密堆积而成的二维蜂窝状晶格结构的环保型碳质新材料,具有超大比表面积(2630 m 2/g),是目前已知强度最高的材料(达130 gpa)。 美国科学家研发了一种全新的金属材料，能够漂浮在水面上。在设计上，这种镁合金基复合材料利用中空碳化硅颗粒进行加固，密度只有每立方厘米0.92克，相比之下，水的密度为每立方厘米1克。无论是制造船只甲板、汽车零部件、浮力模块还是车辆装甲，这种新材料都拥有广阔的应用前景 金属基复合材料主要是指以Al、Mg等轻金属为基体的复合材料。在航空和宇航方面主要用它来代替轻
4、但有毒的铍。这类材料具有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性,已成为在许多应用领域最具商业吸引力的材料,并且在国外已实现商品化。 主要应用位置：适合用作发动机的中温段部件。 聚合物基复合材料 聚合物基复合材料（PMC）是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料组合而成的。聚合物基体材料虽然强度低，但由于其粘接性能好，能把纤维牢固地粘接起来，同时还能使载荷均匀分布，并传递到纤维上去，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。而纤维的高强度、高模量的特性使它成为理想的承载体。纤维和基体之间的良好的结合充分展示各自的优点，并能实现最佳结构设计、具有许多优良特性。 树脂基复合材料 纤维增强树脂基复合材料常用的树脂
5、为环氧树脂和不饱和聚酯树脂。目前常用的有：热固性树脂、热塑性树脂，以及各种各样改性或共混基体。热塑性树脂可以溶解在溶剂中，也可以在加热时软化和熔融变成粘性液体，冷却后又变硬。热固性树脂只能一次加热和成型，在加工过程中发生固化，形成不熔和不溶解的网状交联型高分子化合物，因此不能再生。复合材料的树脂基体，以热固性树脂为主。早在40年代，在战斗机、轰炸机上就开始采用玻璃纤维增强塑料作雷达罩。60年代美国在F4、F111等军用飞机上采用了硼纤维增强环氧树脂作方向舵、水平安定面、机翼后缘、舵门等。在导弹制造方面，50年代后期美国中程潜地导弹“北极星A2”第二级固体火箭发动机壳体上就采用了玻璃纤维增强环氧
6、树脂的缠绕制件，较钢质壳体轻27%；后来采用高性能的玻璃纤维代替普通玻璃纤维造“北极星A3”，使壳体重量较钢制壳体轻50%，从而使“北极星A3”导弹的射程由2700千米增加到4500千米。70年代后采用芳香聚酰胺纤维代替玻璃纤维增强环氧树脂，强度又大幅度提高，而重量减轻。碳纤维增强环氧树脂复合材料在飞机、导弹、卫星等结构上得到越来越广泛的应用。 树脂基复合材料由于重量轻、技术较成熟等特点被最大程度地应用于一直以减重为需要的航空领域。树脂基复合材料在大涵道比发动机上的帽罩前锥、风扇转子叶片、风扇机匣及包容环、风扇出口导流叶片、风扇静子叶片、发动机短舱及反推装置、消音结构等部件上得到广泛应用 先进
7、树脂基复合材料在航空发动机冷端上的应用是实现发动机减重增效的重要技术手段之一。 先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强体、高性能树脂为基体的复合材料。与传统的钢、铝合金结构材料相比,它的密度约为钢的1/5,铝合金的1/2,且比强度与比模量远高于后二者。 主要应用位置：航空发动机冷端部件(风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱、反推力装置等部件上得到广泛应用。树脂基复合材料在国外先进航空发动机冷端上的主要应用部位树脂基复合材料在短舱的主要应用部位 树脂基复合材料由于其优异的比强度和比刚度，最初应用于航空航天领域，目前正在快速商业化到其他行业,如汽车和体育用品行业。树脂基复合材料通过成分设
8、计和结构设计，实现特殊应用，这种功能定制设计能实现许多其他功能，如电、热、光和/或磁性性能。MGI列出了树脂基复合材料的9个重点发展方向。 特斯拉Roadster跑车采用创新的轻体碳纤维环氧复合材料作为车身面板。 2015 年欧洲JEC复合材料展，展出了一款创新型的前悬挂。这种悬挂式有玻璃纤维和树脂聚合物通过RTM工艺制成。 自修复聚合物基复合材料作为一种新颖的智能结构功能材料，通过实现微裂纹的自愈合，为预防潜在的危害提供了一种新方法，在一些重要工程和尖端技术领域孕育着巨大的发展前景和应用价值。通过研究自修复体系的结构与修复性能的关系，修复剂的修复机理，以及修复过程的动力学，从而研制出在使用环
9、境下可长期储存，对裂纹能进行快速高效自修复的材料，无论在理论上还是实践上都具有重要意义。 INA金属聚合物复合材料轴承：支撑轴向载荷的推力垫圈。可在最小空间内完成摆动旋转直线运动的滑动衬套由多种材质构成的滑动条，如直线滑动引导系统。无机非金属基复合材料 以无机非金属类物质为基础组成(简称基体)，包括单质(如形成共价键巨大分子的单质C、Si等)、氧化物及复合氧化物(如Al2O3、ZrO2、BeO、Cr2O3、BaTiO3等)、非氧化物(如SiC、Si3N4、B4C、ZrB2、MoSi2等)、无机盐类(如硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、铋酸盐等)，也包括上述各基体的复合物(如CSiC、ZrB2SiC等)，
10、还包括由上述基体复合而成的材料(如陶瓷、玻璃、耐火材料、水泥、搪瓷等)。这些基体可以与不同化学性质、不同组织相、不同功能的单一无机物或金属或有机物相复合，还可以与无机物、有机物及金属混杂复合。 陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料
11、。陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能，主要用作高温及耐磨制品。其最高使用温度主要取决于基体特征。陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。法国已将长纤维增强碳化硅复合材料应用于制造高速列车的制动件，显示出优异的摩擦磨损特性，取得满意的使用效果。陶瓷基复合材料（CMC）在航空发动机上的应用日趋广泛 GE航空公司通过F414涡扇发动机验证机的旋转低压涡轮叶片成功试验了世界上首个非静子组件的轻质陶瓷基复合材料（CMC）部件。该验证机设计用于进一步验证GE公司当前与美国空军研究实验室（AFRL）合作开展的下一代自适应发动机技术验证机（AETD）项目在高应力工况下
12、的耐高温材料。 陶瓷基复合材料（CMC）由于其本身耐温高、密度低的优势，在航空发动机上的应用呈现出从低温向高温、从冷端向热端部件、从静子向转子的发展趋势。 CMC材料具有耐温高、密度低、类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、不发生灾难性损毁等优异性能，有望取代高温合金满足热端部件在更高温度环境下的使用，不仅有利于大幅减重，而且还可以节约甚至无须冷气，从而提高总压比，实现在高温合金耐温基础上进一步提升工作温度400500，结构减重50%70%，成为航空发动机升级换代的关键热结构用材。 主要应用位置：短期目标为尾喷管、火焰稳定器、涡轮罩环等；中期目标是应用在低压涡轮叶片、燃烧室、内锥体等；远期目标锁定
13、在高压涡轮叶片、高压压气机和导向叶片等应用。用陶瓷发动机装备的坦克 坦克的红外辐射是其被红外探测器发现、并被红外制导武器摧毁的根源，因此降低坦克红外辐射也是隐形技术发展的一个重要方面。步兵战车用效率高、热损耗较小的绝热陶瓷发动机可降低坦克的红外辐射，使其不易被红外探测器发现并被红外制导武器所摧毁，起到良好的隐身效果，提高了生存率。 碳/碳复合材料 碳/碳复合材料（c-c composite or carbon-carbon composite material）是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。具有低密度 (2.0g/cm3)、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好，以及抗热冲
14、击性能好、尺寸稳定性高等优点，是如今在1650以上应用的少数备选材料，最高理论温度更高达2600，因此被认为是最有发展前途的高温材料之一。 C/C基复合材料，即碳纤维增强碳基本复合材料，它把碳的难熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体，使其呈现出非脆性破坏。由于它具有重量轻、高强度，优越的热稳定性和极好的热传导性，是当今最理想的耐高温材料，特别是在 1000-1300的高温环境下，它的强度不仅没有下降，反而有所提高。是近年来最受重视的一种更耐高温的新材料。最显著的优点是耐高温（大约2200）和低密度，可使发动机大幅度减重，以提高推重比。 主要应用位置：碳碳复合材料如果能够解决表面以及界面在中温
15、时的氧化问题，并能在制备时提高致密化速度，并降低成本，则有望在航空发动机中得到大量的实际应用。 智能复合材料 智能复合材料是一类基于仿生学概念发展起来的高新技术材料，集成了传感器、信息处理器和功能驱动器等装置，可以实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能，是实现飞行器结构与气动外形耦合，大幅度提高飞行器适应各种飞行状态能力的重要保障。目前有多种智能复合材料已应用于航空航天领域，例如纤维增强形状记忆复合材料、压电陶瓷智能复合材料、整体增韧纤维抗氧化复合防热结构等。通过智能控制可以实现复合材料结构基本承载功能的同时，实现结构的隔热、降噪、减振、结构健康监控、智能检测等多功能，从而实现未来飞行器的多功能结构，达到结构使用高效和飞行高效。
