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纤维增强复合材料在航空航天的应用

纤维增强复合材料在航空航天的应用

一、纤维增强复合材料的概述

纤维增强复合材料是一种由纤维和基体组成的先进材料。纤维作为增强相，提供了高强度和高模量，基体则起到粘结纤维和传递载荷的作用。常见的纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，而基体材料则有树脂、金属、陶瓷等。这种材料具有许多优异的性能，如高强度、高模量、低密度、良好的耐腐蚀性和抗疲劳性等。这些性能使得纤维增强复合材料在航空航天领域具有巨大的应用潜力。

（一）纤维增强复合材料的分类

1.按纤维类型分类

-碳纤维增强复合材料：碳纤维具有极高的强度和模量，同时密度很低。碳纤维增强复合材料在航空航天领域应用广泛，例如在飞机机翼、机身等结构部件上。

-玻璃纤维增强复合材料：玻璃纤维成本相对较低，具有良好的绝缘性和耐腐蚀性。它在一些对成本较为敏感且对性能要求不是特别苛刻的航空航天部件上有应用，如一些内部装饰件。

-芳纶纤维增强复合材料：芳纶纤维具有高强度、高模量和良好的耐热性。它在航空航天领域的一些需要承受高温和高强度载荷的部位有应用，如发动机附近的一些部件。

2.按基体类型分类

-树脂基纤维增强复合材料：这是最常见的一类，树脂基体可以提供良好的粘结性能和一定的韧性。它可以根据不同的应用需求选择不同类型的树脂，如环氧树脂、聚酯树脂等。

-金属基纤维增强复合材料：金属基体可以提供更高的耐热性和导电性。它在一些需要承受高温和需要良好导热、导电性能的航空航天部件上有应用，如发动机的某些高温部件。

-陶瓷基纤维增强复合材料：陶瓷基体具有极高的耐热性和硬度。它在航空航天领域的一些极端高温环境下的部件有应用，如航天飞行器的热防护系统部分部件。

（二）纤维增强复合材料的制备工艺

1.手糊工艺

-这是一种较为简单的制备工艺，适用于一些形状复杂、小批量生产的部件。它是将纤维织物浸渍在树脂中，然后手工铺层在模具上，经过固化成型得到复合材料部件。但是这种工艺生产效率低，产品质量受操作人员技术水平影响较大。

2.缠绕工艺

-缠绕工艺是将连续的纤维束浸渍树脂后，按照一定的规律缠绕在芯模上，然后固化成型。这种工艺可以生产出具有较高强度和较好纤维取向的部件，适用于制造一些轴对称的部件，如航空航天领域的一些管道、气瓶等。

3.模压工艺

-模压工艺是将预先剪裁好的纤维增强材料和树脂放入模具中，在一定的温度和压力下固化成型。这种工艺生产效率较高，产品质量稳定，适合大批量生产一些形状相对规则的部件，如飞机座椅等。

4.拉挤工艺

-拉挤工艺是将纤维浸渍树脂后，通过模具连续拉挤成型。这种工艺可以生产出具有较高纤维含量和良好性能的部件，适用于生产一些长条状的部件，如航空航天领域的一些梁、杆等。

二、纤维增强复合材料在航空航天结构部件中的应用

（一）在飞机机翼中的应用

1.减轻重量

-机翼是飞机的重要部件，对飞机的性能有很大影响。纤维增强复合材料的应用可以大大减轻机翼的重量。例如，碳纤维增强复合材料的密度比传统的铝合金要低很多，采用碳纤维增强复合材料制造机翼，可以在不降低机翼强度和刚度的情况下，显著减轻机翼重量，从而提高飞机的燃油效率和航程。

2.提高强度和刚度

-纤维增强复合材料具有较高的强度和刚度。在机翼结构中，通过合理设计纤维的取向和铺层，可以使机翼在承受飞行过程中的各种载荷时具有更好的性能。例如，在机翼的大梁等关键部位使用碳纤维增强复合材料，可以提高机翼的抗弯强度和抗扭刚度，确保飞机在飞行过程中的安全性和稳定性。

（二）在飞机机身中的应用

1.整体化设计

-纤维增强复合材料便于进行整体化设计。与传统的金属机身采用铆接等连接方式不同，复合材料机身可以通过一次成型等工艺实现整体化结构。这样可以减少连接部位的数量，降低应力集中，提高机身的整体强度和可靠性。

2.抗疲劳性能

-飞机机身在飞行过程中要承受反复的载荷作用，容易产生疲劳损伤。纤维增强复合材料具有良好的抗疲劳性能。其纤维和基体的协同作用可以有效地抵抗疲劳裂纹的产生和扩展，延长机身的使用寿命，降低维护成本。

（三）在直升机旋翼中的应用

1.提高旋翼性能

-直升机旋翼是直升机的关键部件，其性能直接影响直升机的飞行性能。纤维增强复合材料的应用可以提高旋翼的强度、刚度和阻尼特性。例如，碳纤维增强复合材料旋翼可以在高速旋转时保持良好的形状稳定性，提高旋翼的效率和直升机的飞行性能。

2.降低噪音

-传统的金属旋翼在旋转过程中会产生较大的噪音。纤维增强复合材料旋翼由于其材料特性和结构设计，可以有效地降低噪音。这对于提高直升机的舒适性和隐蔽性具有重要意义。

三、纤维增强复合材料在航空航天发动机及热防护