飞机材料结构的百年变化.ppt

目 录 1 前言 2 一百多年来飞机机体的材料结构经历了四个阶段的发展,正在跨入第五阶段 3 复合材料为主的时代正大踏步地向我们走来 4 为什么飞机材料结构会出现以复合材料为主的新格局 5 钛合金在飞机机体结构中的用量不断创造新记录 6 为什么飞机机体结构中的钛用量会不断创造新记录 7 铝合金和钢仍在飞机机体中占不可或缺的重要地位 8 结束语 1 前言 ●　航空材料通常处于材料领域的最前沿，其技术含量之高和技术难度之大表明它无愧于高技术领域的一员。 ● 2006年10月19日，当时的军委副主席兼国防部长曹刚川在视察北京航空材料研究院时强调 “一代材料，一代装备”，阐明了材料在武器装备研制中的重要地位。 ●　“一代材料，一代飞机”是航空发展史的真实写照。一百多年来，材料与飞机一直在相互推动下不断发展。材料必须先行，没有先进的材料，就没有先进的飞机。 ●本文首先回顾了一百多年来飞机机体材料结构变化的历程,从二十一世纪初开始已进入一个新的发展阶段。这一新阶段的特点是：飞机机体材料结构已以复合材料为主、钛合金用量不断创新高、铝合金和钢仍占不可或缺的地位。本文进而详细分析了出现这一新格局的原因，并在此分析过程中很自然地呈现出复合材料、钛合金、铝合金和钢等四大结构材料近期发展的众多亮点。 2 一百多年来，飞机机体的材料结构经历了四个阶段的发展，正在跨入第五阶段。 3 复合材料为主的时代正大踏步地向我们走来 欧美客机上复合材料用量的变化 材料结构以复合材料为主的各类飞机代表性型号 F-35 (JSF, 2010或2011年开始服役，空中霸主） B-2 （幽灵， 已服役，隐形轰炸机） 欧洲军用运输机 A400M 波音787 V-22 Osprey飞机 注：战术运输直升机NH-90的复合材料用量达95% X-45 (无人作战飞机） 4 为什么机体的材料结构会出现以复合材料为主的新格局? ●C纤维和树脂的更新换代进一步提高了性能水平和降低了原材料成本。 例如已发展到以T800S/3900为代表的第三代C纤维/环氧树脂复合材料已用于波音787,其CAI高达315～345MPa,原材料成本已降低至120 ～190美元/千克. C纤维T800S 的拉伸强度比波音777用的T800H高300MPa 。 ●复合材料不仅比强度、比刚度高，而且便于整体结构化，因而显著减轻了飞机结构重量（例如波音787减重4500kg），相应地显著减少了燃油消耗（例如波音787减耗8%） 波音787复合材料整体机身段是新一代大型飞机材料技术的第一亮点 A380飞机复合材料中央翼盒（总重8.8吨，其中复合材料5.3吨，减重1.5吨） 激光检测技术的出现，使F-35进气道可以改用复合材料整体件，与原钛合金焊接件相比，减少95%紧固件，降低成本20万美元，减重36千克。F-22也采用这样的复合材料进气道。 ●液态复合成型（LCM）和自动化铺层等新型制造技术的发展和应用，如虎添翼地促进了复合材料的扩大应用。 LCM主要有RTM（树脂转移模塑）和RFI（树脂膜浸渗）两种制备技术。 自动化铺层则分为ATL(自动铺带)和AFP(自动铺丝)两种制备技术。 上述技术既提高了质量和改善了工作环境，又缩短了制造周期和降低了制造成本（从90年代的1100美元/千克左右降至当前的300美元/千克左右），而且有利于构件的大型化和结构的整体化。 自动铺丝技术在军用飞机上的应用 自动铺带技术 自动铺丝技术 ●复合材料飞机结构件的设计、使用、维修 技术更趋成熟 空中客车 A350 ●层间混杂复合材料（纤维金属层板）的出现进一步扩大了复合材料的应用范围 ●大型飞机钛用量随年代的变化 F/A-22（猛禽，2005年开始服役，四代机典型代表） F/A-22（猛禽，2005年开始服役，四代机典型代表） 6 为什么飞机机体结构中的钛用量会不断创造新记录？ ●高强β型钛合金和高损伤容限α+ β型钛合金的全面推出是飞机机体钛用量不断创新高的驱动力之一. ◇广义的β型钛合金包含近β型钛合金.美国先后推出的Ti-1023、Ti-153、β21S、Ti-55531和俄罗斯推出的BT22不仅均具有高的强度和工艺性能,而且具有较高的断裂韧性或优良的抗氧化、抗腐蚀性能，从而吸引了飞机设计师的眼球。例如上世纪90年代推出的波音777率先全面应用Ti-1023、Ti-153和β21S而将钛合金用量推至新的高度（8%）。BT22广泛应用于俄罗斯的军用和民用飞机上。Ti-55531则应用于A380机翼与挂架的连接装置。 ◇高损伤容限钛合金也称损伤容限型钛合金，迄今为止均属α+β型钛合金，均采用低间隙型元素含量并均采用β热处理或β锻造的方法以获得很高的断裂韧性KIC和很慢的疲劳裂纹扩