簡介：先進復合材料在航空航天，艦船上的應用,復合0802謝駿,1先進復合材料在航天器中的應用,航空航天器材料的應用要求航空航天器不僅要求具有一定的先進性和極高的可靠性（特別是載人航天器），而且要求盡量減輕結(jié)構(gòu)重量，以增強有效載荷。如航天飛機固體火箭助推器采用石墨/環(huán)氧復合材料取代鋼殼體，可減重量30，使航天飛行運輸能力增加21噸，因此要求材料具有極佳的綜合性能，特別是高比強度、比剛度，足夠的斷裂韌性等。航空航天器需要在大氣層空間高速飛行，同時要防止敵方探測或攻擊，因此要求具有耐高溫、耐真空、耐腐蝕、耐沖擊、抗粒子云、抗核輻射、抗激光、抗噪聲、隱身等多種功能。航空航天器性能先進，造價昂貴，又要求材料盡可能減少研制、生產(chǎn)和加工費用，或為節(jié)約戰(zhàn)略資源而選用代用材料。隨著航空航天事業(yè)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代立體戰(zhàn)爭的出現(xiàn)，具有優(yōu)異性能的復合材料的應用比率不斷增加。,復合材料具有質(zhì)量輕，較高的比張度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、隔熱、隔音、減振、耐高低溫，獨特的耐燒蝕性、透電磁波，吸波隱蔽性、材料性能的可設(shè)計性、制備的靈活性和易加工性等特點，被大量地應用到航空航天等軍事領(lǐng)域中，是制造飛機、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。代表航空航天技術(shù)開發(fā)水平的一個重要標志是看復合材料使用數(shù)量的多少。,減輕航天器質(zhì)量,航天器的質(zhì)量是其性能的重要影響因素。導彈/火箭質(zhì)量越輕，自然飛行速度越快，射程也越遠。,,導彈殼體材料對射程的影響,減輕航天器質(zhì)量,對于多級火箭，其質(zhì)量主要集中在各級發(fā)動機、級間段和連接器上，因此減重的著眼點也在此。目前復合材料在上述部位已大顯身手。美國通用動力公司的康維爾宇航分公司設(shè)計的直徑為213M、高為234M的“阿特拉斯”5導彈連接器，除口蓋采用金屬材料外，其他部位都采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料。它比同樣設(shè)計的鋁結(jié)構(gòu)材料輕426KG，減重約44。此外，采用碳纖維增強聚酰亞胺樹脂復合材料可制造火箭的儀器艙等。無疑，這些碳纖維增強復合材料結(jié)構(gòu)件將使其質(zhì)量大大減輕，從而提高其射程并改善其性能。我國在“風云二號氣象衛(wèi)星”及“神舟”系列飛船上均采用了碳/環(huán)氧先進復合材料做主承力構(gòu)件，大大減輕了整星的質(zhì)量，降低了發(fā)射成本。,,航天飛機的軌道飛行器有效載荷艙門也是用碳纖維增強塑料制成的。這個大型制件的半徑為27M，高2M，長183M，整個艙門重14515KG，比鋁制件降低4309KG，減重23。,碳纖維復合材料還可用作衛(wèi)星的太陽能電池板。例如，德國MBB公司研究一種功率在千瓦以上的伸長式“硬”太陽能電池板，采用碳纖維增強鋁芯夾層結(jié)構(gòu)，在橫向加速條件下，太陽能電池板承受的撓度僅有55MM，而且大大減輕了質(zhì)量。,衛(wèi)星在軌道上飛行時，要經(jīng)得起太空環(huán)境劇烈的溫度交變（白天100℃，夜間100℃），以及陽面與陰面的溫度差。碳纖維復合材料的熱膨脹系數(shù)小，可滿足這種環(huán)境的要求。,適應空天環(huán)境,美國F22猛禽戰(zhàn)機,1997年服役，目前世界性能最佳的制空戰(zhàn)機之一55機身采用高強度、低重量的復合材料估計單價超過2億美元,2復合材料在航空中的應用,飛行器發(fā)展史也可以看成是材料應用的發(fā)展史，每當一類新型的、高性能飛機出現(xiàn)，都可證明是新材料的研究與應用發(fā)展的結(jié)果。當代飛機系列分析表明，往往可以用復合材料的用量多少來判斷飛機的先進性。,航空發(fā)動機材料發(fā)展預測,先進復合材料在航空發(fā)動機上的應用,美國通用電器飛機發(fā)動機事業(yè)集團公司GEAEBG和惠普公司等，都在用先進復合材料取代金屬制造飛機發(fā)動機零部件，包括發(fā)動機艙系統(tǒng)的許多部位推力反向器、風扇罩、風扇出風道導流片等都用先進復合材料制造。如發(fā)動機進氣罩的外殼是由美國聚合物公司的碳纖維環(huán)氧樹脂預混料E707A）疊鋪而成，具有耐177℃高溫的熱氧化穩(wěn)定性，殼表面光滑似鏡，有利于形成層流。又如FW4000型發(fā)動機有80個149℃的高溫空氣噴口導流片，也是碳纖維環(huán)氧預浸料制造的。,4、先進復合材料在艦船上的應用,艦船材料（尤其是結(jié)構(gòu)材料）的應用與發(fā)展是與艦艇的航海特性、作戰(zhàn)能力和海洋環(huán)境密切相關(guān)的。對艦船材料的基本要求包括高強度、低密度，足夠的韌性，良好的耐海水腐蝕和應力腐蝕性能和加工性能及其他各種特殊功能。近年來，隨著各類艦船的不斷改進，對先進復合材料的需求也日趨提高。,復合材料作為艦船材料具有如下特點質(zhì)輕，優(yōu)良的機械性能；抗疲勞性好，一般金屬材料的抗疲勞極限為抗拉強度的40～50，而碳纖維塑料強度是7080無磁性，在很大的磁場中也不會被磁化，因此復合材料艦船不易被對方磁探儀發(fā)現(xiàn)，可使裝磁引信的水雷或魚雷失效，可以避免磁性雷的攻擊，具有很好的反監(jiān)護作用；耐腐蝕性好，在酸性、堿性及眾多惡劣環(huán)境中具有良好的耐腐蝕性。用復合材料制造艦船，不用涂漆，在海水中航行幾年也不會生銹，能減少涂油漆等維修費用，使用年限長；具有可設(shè)計性，可根據(jù)性能需求，選擇不同聚合物和增強材料以及不同的配方、成型工藝等達到不同的性能，可根據(jù)艦船不同部位的結(jié)構(gòu)要求，進行材料、鋪層和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在復合材料的成型過程中，同時形成了制品的結(jié)構(gòu)，可大大減少車、銑、刨、磨等機械加工過程和裝配過程，使船殼和構(gòu)件的整體性好，無接縫或少接縫，無滲漏，提高了艦船的性能。,20世紀70年代以來，具有高比強度的復合材料逐步跨入艦船結(jié)構(gòu)應用領(lǐng)域，引起了艦船結(jié)構(gòu)的新變革。首先大量應用于中小艦船的是玻璃纖維增強塑料即玻璃鋼，這類材料具有比強度高、沖擊韌性好（防彈性強），耐海水腐蝕及耐酸、堿、油和海洋生物污損，無磁性（可防磁性水雷攻擊和雷達探測）等若干優(yōu)點，可用于建造掃雷艇、巡邏艇、登陸艇和深潛器等。美國海軍于1946年建成了長853M的世界第一艘玻璃纖維增強聚酯材料交通艇，就此拉開了復合材料造船的序幕。這之后，為了加快玻璃鋼船艇的發(fā)展，美國海軍在上世紀50年代中期就規(guī)定16M以下的艦艇必須用復合材料制造。前蘇聯(lián)在1972年建造了長43米的玻璃鋼船體掃雷艇。英國也于70年代末建造了長60米、排水量625噸的玻璃鋼掃雷艇。同時，美、英、前蘇聯(lián)均建造了玻璃鋼耐壓殼體深潛器，下潛深度可達914米。,4、先進復合材料在艦船上的應用,4、先進復合材料在艦船上的應用,后來各國又開發(fā)了難熔樹脂基體的玻璃鋼船體。20世紀80年代末美國建造的MHC1級獵/掃雷艇，90年代初建成了玻璃鋼沿海獵雷艇“OSPREY”號，艦體均采用高級間苯聚酯樹脂。自上世紀70年代中期起，各國又相繼采用碳纖維和凱夫拉纖維增強塑料建造的巡邏艇，船體減重20～30。如美軍采用凱夫拉49增強復合材料建造了長達143米，船速達60KM的巡邏艇；英國和意大利于80年代中期也采用這種材料試制了高速軍用艇。,由美國國防部部隊轉(zhuǎn)型辦公室設(shè)計并建造的，2006年2月初下水的美國海軍最新型高速隱形試驗快艇代號M80的“短劍”（STILETTO），是美國使用碳纖維復合材料一次成型制造的最大船體，在整體制造成形過程中不用焊接，更無需鉚接，因此船體外表十分光滑，重量也大為降低。該艇長為244M，寬為122M，吃水為09米，排水量為67T。該艇獨特的雙“M”船體設(shè)計以及碳纖維材料的使用，不但使其獲得了高速，也使其行駛過程中的穩(wěn)定性更高，高速行駛中的沉浮現(xiàn)象大大減輕，即使在高速回轉(zhuǎn)時，依然可以保持平穩(wěn)行駛，從而增加了艇員的舒適度，提高了艇的適航安全性，擴大了在內(nèi)河和地形復雜的淺海使用范圍。與此同時，由于其阻力的降低也使得“短劍”比普通快艇更加節(jié)省燃料。,美國海軍“短劍”新型高速隱形試驗快艇,瑞典考庫姆船廠制造的“維斯比”輕型護衛(wèi)艦于2000年6月8日下水，全長73M，艦寬為104M，吃水深度為24M，排水量為600T。該艦的艦體、甲板和上層建筑基本都是碳纖維增強塑料夾層板制成的。這種材料不僅結(jié)構(gòu)堅實,而且無磁性,有利于降低艦船產(chǎn)生的磁場,并有良好的抗震性能,而且可以絕熱,對艦艇內(nèi)各種機械設(shè)備產(chǎn)生的紅外輻射有較好的屏蔽作用。這使得“維斯比”艦被敵方探測的距離可縮短至13KM以內(nèi)。,維斯比級隱身輕型護衛(wèi)艦,4、先進復合材料在艦船上的應用,德國開發(fā)出碳纖維環(huán)氧樹脂螺旋槳，該螺旋槳的漿葉高強度，比金屬輕25～35，有利于高速艇的加速，有良好的阻尼性能,可使噪聲等級相對于金屬漿下降5DB。如今，復合材料在艦船上層建筑、桅桿、艙壁、甲板、推進器軸、螺旋槳、舵、管路系統(tǒng)等中都有大量應用。復合材料在艦船應用中遇到的困難是對復合材料還缺乏設(shè)計計算規(guī)則、豐富的實驗數(shù)據(jù)，所需資料和方法還不充分和完善。,,謝謝大家,
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