何谓复合材料?(转贴)

      所谓先进复合材料是指以树脂为基,以有机纤维、碳纤维或玻璃纤维为增强剂的复合体,具有高比强度、比刚度、消震好的一类材料。先进复合材料在航空工业中十分重要,如美国二十世纪70年代生产的F22机中用量占24%。现代民机占14%左右,现代直升机所占比例更高,有的超过了50%。

  近10年来,我国复合材料科研、生产、应用技术得到了大幅度提高,其中包括了“七五”、“八五”、“九五”预研和型号任务的成果并在飞机上得到较多的应用,不仅用于军机,在民机、直升机、发动机上也得到应用。例如沈阳飞机设计所、航空材料研究院和沈阳飞机厂共同研制歼击机复合材料垂尾壁板,比原铝合金结构轻21kg,减重30%。这是“六五”期间研制成功的{zd0}的航空复合材料构件。北京航空工艺研究所研制并生产的QY8911/HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。西北工业大学与复合材料特种结构研究所共同研制和生产的4501A双马来酰亚胺树脂及其复合材料已用于成形人工介质雷达天线罩和其他类型的高性能雷达天线罩。由中国科学院化学研究所研制并生产的KH-304热固性聚酰亚胺树脂和由中国航天工业总公司北京材料工艺研究所研制并生产的KH-304/HT3复合材料,已应用于航空发动机外涵道。由北京航空材料研究院研制的PEEK/AS4C热塑性树脂单向碳布预浸料及其复合材料,具有优异的断裂韧性、耐水性、抗老化、阻燃性和抗疲劳性能,适用于制造飞机主承力构件,可在120℃下长期工作,已用于飞机起落架舱护板前蒙皮。

  当前,我国复合材料总的水平相当于国外20世纪80年代中后期的水平。复合材料还用于卫星、兵器、电子工程等,也用于体育用品,医疗器械、纺织机械等方面。

  先进的复合材料还应包括金属基复合材料及陶瓷基复合材料,但目前在航空工业用量极少,没有进入《手册》。

  功能材料在当今信息时代无疑是最重要的一类材料,因而发展非常迅速。对航空飞行器来说,信息功能材料也愈来愈重要。从1991年海湾战争实践证明:机载电子设备能力提高一倍,飞机战斗力可提高7倍;装有电子装置的战斗机损失率仅2%-3%,否则高达20%。所以现代飞机的机载装置所占比重愈来愈大,一架先进xx机的机载设备费用占到整机的1/3左右。机载设备的关键材料主要是各种微电子、光电子、传感器等光、声、电、磁、热等的高功能及多功能材料,种类繁多。要求高:高灵敏度、高可靠性、小型化、智能化、高准确度、抗干扰能力强等。《手册》不可能尽揽无余,一方面涉及面广,另一方面功能材料更新换代快。所以仅将为航空机载装置研制的专项举例如下:例如,由电子工业部研制的掺钕钇铝石榴石,已广泛应用制作各类激光器件;由中国科学院上海光学精密机械研究所研制并生产的激光玻璃,已用于制作大功率激光聚变系统以及材料加工、激光测距、激光通讯跟踪、激光干涉等领域用的激光器;由电子工业部、中国科学院半导体研究所、有色金属研究总院等研制的GaAs半导体激光材料是制作激光器的主要材料,已广泛用于制作半导体激光器;由兵器工业总公司、航天工业总公司、电子工业部和中科院上海技术物理所等研制的碲镉汞(MCT)n型材料,已成功用于制备长波多元光导型MCT红外探测器系列和短波光伏型MCT红外探测器;由北京玻璃研究院、电子工业总公司、兵器工业总公司等研制的高双折射偏振保持光纤已用于光纤传感器;由上海硅酸盐研究所、清华大学、上海大学、南通中海氮化物公司等研制的微波介质陶瓷材料已用于介质谐振器(滤波器、振荡器)、集成电路基片和衰减材料;由清华大学、西安近代化学研究所研制的液晶材料,作为显示材料广泛用于航空、航天和电子工业;作为有序溶剂用于立体选择反应;作为固定相应用于色谱分析以及各种显示屏。

  用功能材料所制成的各种器件、机载设备、火控系统、各种传感器和电子设备,是现代飞机的“眼(雷达)、耳(电台)、脑(计算机)、神经(电缆与光缆)及血管(油管)”,此外,为提高飞机的生存能力还要穿上一层外衣(隐身)。由于功能材料繁多,用途各异,再加上发展很快,很难全部纳入《手册》,而且很多功能材料寓于元器件之中,更是五花八门,难以一一列入。 

    中国航空材料体系形成

  回顾我国航空材料由仿制,到仿中有创新的发展历程,使航空材料从无到有,品种规格逐步齐全,质量达到产品要求,实现立足于国内的目标。通过改进工艺路线,提高材料质量;同时,结合国内资源创造我国自己的航空材料,扩大航空材料研究、生产的规模,增加品种,逐步形成了有中国特色的航空材料体系。

  现仅就高温合金为例,讨论体系的形成过程和特点。我国早期为保证发动机的生产而开发所需高温合金。1956年在抚钢生产{dy}个高温合金板材ЭИ435(GH30)时,曾得到前苏联专家的帮助,而后几乎所有高温合金都是自主开发的,有的参考国外成分,有的是自行设计的,由研究、生产和使用部门共同开发,一直达到投产。由于每引进一种发动机就要仿制一批高温合金,所以我国高温合xx号的数目在国际上都居前列。纳入《手册》二版的铁基变形高温合金有14个牌号;镍基变形高温合金有30个牌号;钴基变形高温合金有3个牌号;等轴晶铸造高温合金有26个牌号;定向凝固高温合金有9个牌号;单晶高温合金有5个牌号;金属间化合物基铸造高温合金有2个牌号。《手册》二版中的变形高温合金体现了中国20世纪90年代的技术水平。

  我国变形高温合金中一个鲜明的特点是,铁基变形高温合金在变形高温合金中占30%。这是因为在开发高温合金的前期,我们强调了资源立足国内。用作燃烧室的铁基变形高温合金(GH140){zg}使用温度可达900~950℃;用作涡轮盘的可使用的{zg}温度为750℃(GH761)。铸造高温合金列入《手册》二版的共42个,其开发年代及与国外同类合金的对比示如图1。可见在单晶合金方面还有很大发展空间。

  我国铸造高温合金的特点是某些定向凝固的高温合金不含铪(DZ4、DZ17G、DZ38G、DZ125L);单晶合金较国外同性能合金的铼含量低,因而价格低廉。

  总的来看,中国高温合金继英、美、前苏联之后已形成了一个完整的体系,虽然还需要进一步调整,也还存在空白需进一步开发等等。

  中国高温合金在生产工艺方面也有自己的特点,如中国是最早采用电渣重熔工艺,并发展为真空电渣重熔工艺,不但可以减少夹杂物,也可降低气体含量。早在1958年就采用包套挤压工艺使难变形合金锭变为棒材;而后发展为包套轧制,包套锻造。不但用于轧制棒材,而且用于生产饼材或盘材,解决了我国压力机能力不足的问题。

  可以说,我国高温合金从20世纪50年代中期开始至70年代末,只用了20多年时间就基本形成了具有中国特色的体系。高温合金是这样,其它航空材料走过的道路与高温合金相似,也都有结合国情、结合国家资源创新的成就。因此,航空材料形成了有中国特色的体系。

  《中国航空材料手册》二版面世以后,受到各方面的重视。这是全国10多万材料科技人员几十年劳动,顽强拚博的结晶;也是航空工业界、空军飞行员和试飞员共同努力的结果;这是自力更生,团结协作的丰硕果实。作为长期从事航空材料研究的老一代技术人员,有幸阅读《中国航空材料手册》(第二版),感到欣慰。我愿借此机会,向全国所有为发展航空材料作出贡献的人们表示崇高的敬意和深深的感谢!

  我想必须提及的是:尽管我国航空材料研制取得了令人瞩目的进步,但我们的路还很长,任务还很艰巨。须知,当我们在发奋努力工作并取得成就的时候,一些发达国家在许多方面可能以比我们快得多的速度取得新的突破,例如飞机隐身材料、金属基和陶瓷基复合材料、纳米材料以及原有材料的改进,一材多用的技术等等。当我们正在研究推重比高的发动机和新一代飞机的时候,发达国家已经研究更高推重比的发动机和第五代、第六代的飞机了。我们不仅要在科学技术付诸很大努力,也要在体制上打破部门壁垒,充分调动有关科技人员和企业的积极性,全国一盘棋,向着一个共同目标———为实现我们的航空工业现代化而奋斗!

  本文的形成主要参考了北京航空材料研究院航材中心提供的材料,特此表示感谢!

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