碳纤维增强铝基复合材料19页PPT

采用keller腐蚀剂：2ml HF43;190ml H2O
碳碳纤维和铝基合金牢固地结合在一起，显示了合
随着新工艺方法的不断开发，增强铝基复合材料将以其优良的特性在航空航海等高端领域发挥更加巨大的作用
熔点之上150-250◦C,
其结合了传统的加压模法,重力金属模铸法，锻造工艺的优点，主要优点是消除了气孔，从而使材料有良好的尺寸精度、耐磨性、耐蚀
第一部分：复合材料的介绍
和其他金属基复合材料相比，铝基复合 材料成本低，主要应用包括铝合金活塞发 动机,盘式制动器，微分插齿齿轮、铝制汽 车轮、钢和铸铁导弹等部件。
随着新工艺方法的不断开发，增强铝基 复合材料将以其优良的特性在航空航海等 高端领域发挥更加巨大的作用
第二部分：材料与发展
1. 碳纤维和金属基质 2. 挤压铸造法 3. 性能研究
+ 5ml 的内部。
出自期刊：材料加工技术
HNO3
+190ml
H2O
显微镜（SEM）进行组织观察
腐蚀时间：15 S 采用keller腐蚀剂：2ml HF (48%) +3ml HCl + 5ml HNO3 +190ml H2O
其结合了传统的加压模法,重力金属模铸法，锻造工艺的优点，主要优点是消除了气孔，从而使材料有良好的尺寸精度、耐磨性、耐蚀
文献工作报告
英文文献
论文题目：碳纤维增强铝基复合材料的性能与发展 文献 T. Shalu, E. Abhilash ., M.A. Joseph （印度卡
利卡特国家技术研究院，机械工程学系） 出自期刊：材料加工技术 发表时间： 年第209期 4809-4813页
摘要
随着材料加工技术的进步与发展产生了一些如金属复合材 料的新材料，并广泛应用于飞机和汽车技术。本文探讨了 用挤压铸造法对体积分数是20-25%的碳纤维增强的铝基复 合材料的发展。通过与一般的铝合金相比，碳纤维增强铝 基复合材料的抗拉强度减弱，硬度和韧性增大，并且碳纤 维能够均匀的分布在铝基复合材料的内部。

应用领域
航空航天
用于制造飞机和航天器 的结构件，以减轻重量
并提高结构强度。
汽车工业
用于制造汽车车身、底 盘和零部件，提高汽车
性能和燃油经济性。
体育器材
用于制造轻量化、高强 度的运动器材，如自行 车架、高尔夫球杆等。
电子产品
用于制造轻薄、强度高 的电子设备外壳和内部
支撑结构。
碳纤维增强铝基复合
02
汽车工业领域
节能减排需求
降低生产成本
随着环保意识的提高，汽车工业领域对节 能减排的需求日益迫切，碳纤维增强铝基 复合材料具有轻量化和节能的特点。
通过采用碳纤维增强铝基复合材料， 可以简化生产流程，降低生产成本。
提高车辆性能
采用碳纤维增强铝基复合材料可以提 升汽车的结构性能和舒适性，提高车 辆的操控性和安全性。
良好的耐腐蚀性
碳纤维增强铝基复合材料具有良好的耐腐蚀性，能够抵抗大气、水和酸的侵蚀。 由于铝基体本身具有一定的耐腐蚀性，加上碳纤维对铝基体的保护作用，该材料 的耐腐蚀性能得到进一步提高。
在腐蚀环境下，碳纤维增强铝基复合材料的表面形成一层致密的氧化膜，能够有 效阻止腐蚀介质侵入材料内部。此外，该材料还具有较强的抗疲劳性能和抗应力 腐蚀能力，能够长期保持性能稳定。
在浸渗过程中，铝液会与碳纤 维发生反应，形成碳纤维增强 铝基复合材料。
该方法适用于制备大型和复杂 的构件，但需要严格控制浸渗 温度和时间。
喷射沉积法
将铝液和碳纤维通过高速喷射的方式同时喷入到沉积室内，在沉积室内形成复合材 料。
喷射沉积法可以制备出具有优良性能的碳纤维增强铝基复合材料，且生产效率高。
THANKS.
的要求。
其他领域
建筑领域

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• 各种材料的发展状况
玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟
广泛的应用 金属基复合材料
开发阶段 某些结构件的关键部位 陶瓷基复合材料及功能复合材料等
尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决
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复合材料的设计－－从常规设计向仿生设计发展
• 仿照竹子从表皮到内层纤维由密排到疏松的特点，成功地制 备出具有明显组织梯度与性能梯度的新型钢基耐磨梯度复合 材料。
• 仿照鲍鱼壳的结构，西雅图华盛顿大学的研究人员利用由碳、 铝和硼混合成陶瓷细带制成了10微米厚的薄层，由此得到的 层状复合材料比其原材料坚固40％。
• 仿照骨骼的组织特点，人们制造了类似结构的风力发电机和 直升飞机的旋翼，外层是刚度、强度高的碳纤维复合材料， 中层是玻璃纤维增强复合材料、内层是硬泡沫塑料。
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基体和增强材料
Matrix and Reinforcement
• 基体——连续相 • 增强材料——分散相
– 也称为增强体、增强剂、增强相等 – 显著增强材料的性能 – 多数情况下，分散相较基体硬，刚度和强度较基体大。 – 可以是纤维及其编织物，也可以是颗粒状或弥散的填料。
• 在基体和增强体之间存在着界面。
• 单靠金属与合金难以具有优良的综合物理性能，而要 靠优化设计和先进制造技术将金属与增强物做成复合 材料来满足需求。
• 主要的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合金、银、 铅、锌等金属。
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Chapter 9 Composites
复合材料
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1
本章内容
1. 复合材料概述 2. 复合材料分类 3. 复合材料的基体 4. 复合材料的增强相 5. 复合材料的复合原理 6. 复合材料的成型工艺

表6-7 C/C在航天飞机上的应用 表6-8 C/C在战略导弹上的应用。
图6-1 C/C在航天飞机上的应用部位
航天飞机表面温度
C/C在航天飞机上应用部位
图6-2 导弹鼻嘴
6.5.2 刹车材料方面的应用
法国欧洲动力公司大量生产C/C刹车片，用 作飞机（如幻影式战斗机）、汽车（如赛 车）和高速火车的刹车材料。
T-50-221-44
X-y向
Z向
1.9
ATJ-5 结晶向 ⊥结晶向
1.83
拉伸强度 24
140
126
39.6
30.5
/MPa
2500
280
231
54.3
43.4
抗拉模量 24
59.4
52.4
11.7
7.8
/GPa
2500 40.9
30.5
11.2
7.4
断裂延伸率 24
0.18
0.2
0.45
0.54
三、CVD法的优缺点
优点：基体性能好，且与其他致密化工艺 一起使用，充分利用各自的优势。可以将 CVD法和液态浸渍法联合应用，可以提高 材料的致密度。
缺点：沉积碳的阻塞作用形成很多封闭的 小空隙，得到的C/C复合材料密度低。
表6-6 树脂/沥青浸渍与CVD制C/C复合材料 性能比较
6.5 C/C复合材料的应用
波音747上使用C/C刹车装置，大约使机身 质量减轻了816.5kg。
日本C/C用作飞机刹车材料已有10年的历史。 日本协和式超音速客机共8个轮，刹车片约 用300kgC/C复合材料，可使飞机减轻 450kg。用作F-1赛车刹车片，可使其减轻 11kg。
6.5.3 其他方面的应用

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汇报交流
3 复合材料分类
按基体分
树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料
按增强体分
颗粒增强复合材料 夹层增强复合材料 纤维增强复合材料
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5
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常见复合材料
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6
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碳纤维复合材料分类
碳纤维增强热固性树脂复合材料（CFRTS） 碳纤维增强热塑性树脂复合材料（CFRTP） 碳纤维增强碳基复合材料（C/C） 碳纤维增强金属基复合材料（CFRM） 碳纤维增强陶瓷基复合材料（CFRC） 碳纤维增强橡胶基复合材料（CFRR） 碳纤维增强木材复合材料（CFRW）
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四、笔记本外壳现状
1 聚碳酸酯-工程塑料 （PC-ABS）
PC：优良耐热耐候性、尺寸稳定性和耐冲击性能 ABS: 优良的加工流动性、耐磨性、染色性、成型加工性。万元以下 笔记本电脑中，70%采用的都是以ABS为主的工程塑料 优点：成本较低 、易于加工 、尺寸稳定性好，性价比高 缺点：质量较重 、散热性不佳
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3、工业领域的应用
① 风力发电 据预测，到2020年中国市场将需求超过2.5万台大 容量风机，合计需要CFCM 30000吨。
②碳纤维汽车 汽车传动轴、发动机罩、上下悬架臂等 ③石油开采 抽油杆、张力腿平台、管材等
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4、体育休闲 羽毛球拍、网球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆 5、建筑补强
增强体（ reinforcement）——分散相
组成
基体（ matrix）——连续相
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3
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2 复合材料特点

结构复合材料 功能复合材料 智能复合材料
是指利用其力学性能制作结构和零件的复 合材料。
是指具有某些物理功能和效应的复合材料， 如导电、超导、磁性等复合材料
是指具有自诊断、自适应、自愈合、自决 策功能的材料，为高级复合材料。
1.2 复合材料的性能特点
比强度和比模量高
陶
瓷 抗疲劳性能好
性 能
减振性能好
双层金属复合材料 是将性能不同的两种金属用胶合或熔合等方 法复合在一起而形成的。
最简单的双层金属复合材料是将两块具有不同热膨胀系数 的金属板胶合在一起，可作为测量和控制温度的简易恒温器。
（2）塑料-金属多层复合材料
塑料-金属多层复合材料的典型代表是SF型三层复合材料，如
下图所示。
如左图所示，它是以钢为基体，以烧结
铜网或铜球为中间层，以塑料为表面层的一
种自润滑材料。其整体性能取决于基体，而
摩擦磨损性能取决于塑料。
中间层为多孔性青铜，其作用是使三层
SF型三层复合材料
之间获得较强的结合力，且一旦塑料磨损露
出青铜，也不致磨伤轴。
与单一塑料相比，这种复合材料可提高承载能力20倍，提高导热率50倍 ，降低热膨胀系数75%，因而改善了尺寸稳定性，适用于制造高应力（140 MPa）、高温（270℃）、低温（－195℃）和无油润滑条件下的各种滑动轴 承，目前已应用于汽车、矿山机械和化工机械中。
（2）碳纤维增强复合材料
碳纤维树脂复合材料
多以环氧树脂、酚醛 树脂和聚四氟乙烯等 为基体材料
碳纤维碳复合材料
以碳或石墨为基体材 料
其密度小，强度高，弹性模量大， 比强度和比模量高，抗疲劳性能优良，耐 冲击性、耐磨性及耐蚀性好，导热性好； 但碳纤维与基体的结合力低，各向异性表 现明显。

特点：在室温和高温下的弹性模量有较大的提高，但线膨胀 系数由所下降，耐磨性改善，并具有良好的的导热性。
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2、碳—铝复合材料
特点：碳纤维的长度与直径比例对碳—铝复合材料的性能有很大 的影响（当长径比增大时，抗拉强度增大，增大到一定值时， 抗拉强度又开始减少）
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三、晶须和颗粒增强铝基复合材料 特点：优异的性能，制造方法简单，增强体主要是碳化硅和氧化铝。
复合材料可分为三类： 聚合物基复合材料（PMCs） 金属基复合材料（MMCs） 陶瓷基复合材料（CMCs）。
金属基复合材料常用基体有铝、镍、镁、钛及其合 金。
3
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铝基复合材料基体
铝有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性 好,熔点低制备工艺简单。
铝基复合技术容易掌握,易于加工，比强度 和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐 磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。
按增强体分类：
长纤维增强复合材料
短纤维增强复合材料
颗粒增强复合材料
混合增强复合材料
纳米复合材料
层合复合材料
倾泻复合材料
表面复合材料
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铸造铝合金基复合材料 变形铝合金基复合材料 以铝基体分类 工业纯铝基复合材料 新型铝合金基复合材料 结构复合材料 以特性分类 功能复合材料 智能复合材料
用SiC颗粒增强铝基复合材料制作的自行车 链齿轮重量轻、刚度高、不易挠曲变形,性 能优于铝合金链齿轮
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发展趋势
采用颗粒增强制备铝基复合材料成本相对较
低,原材料资源丰富,制备工艺简单。选择适当的增 强颗粒与基体组合可制备出性能优异的复合材料, 具有很大的发展潜力和应用前景。可以预料,在现 代工业的高速发展和技术水平的高要求下,颗粒增 强铝基复合材料必将以其独特优势在工业领域占 据重要位置。但同时也应看到,颗粒增强铝基复合 材料在未来的时间里要取得更进一步发展,并列入 规模化生产的行列,还需要进行更多的探索和实践。 因此,进一步加强理论研究,建立完整的理论模型,

碳纤维增强铝界面设计
良好的界面结合能够很好的传递载荷，大大提高复合 材料的性能。未经表面改性处理的碳纤维在与金属基体 复合时，通常会在界面处生成一层脆性的碳化物，特别 是像铝这样的活泼金属，因此对碳纤维进行表面处理来 提高其与金属基体的相容性｡。当用液体渗入碳纤维预 制件时，只有在超过 1000℃以上时，铝才能润湿碳纤维， 在 1000℃以下时，碳纤维与铝基体反应生成Al4C3化合 物，不仅损伤了碳纤维，而且大大降低了复合材料的性 能，为此在制备复合材料时通常先对碳纤维进行表面改 性，通常有电镀、化学镀、物理化学气相沉积、溶胶/凝 胶法等

粉末冶金工艺流程
一、粉料制备与压制成型 粉末混料均匀并加入适当的助剂，再进 行压制成型，粉粒间的原子通过固相扩散和 机械咬合作用，使制件结合为具有一定强度 的整体。 二、烧结 将压制成型的制件放臵在采用还原性气 氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为基体 金属熔点的2/3～3/4倍。由于高温下不同种 类原子的扩散，粉末表面氧化物的被还原以 及变形粉末的再结晶，使粉末颗粒相互结合。
碳纤维的制备工艺
主流产品 PAN 基碳纤维的制备工艺冗长且较为复杂， 以有机物丙烯聚丙烯腈单体为起始原料， 首先经纯化与其他单体丙烯腈共聚合形成聚丙烯腈， 然后先通过纺丝形成丝型， 再经过氧化、预氧化、碳化、二次碳化、上浆表面 处理等一系列复杂工艺后制备形成。
金属基复合材料
金属基复合材料是以各种纤维、颗粒、晶须等作为 增强相，金属(铁、铝、镁、钛、镍、铜等)为基体的 一种复合材料。金属基体是增强体的载体，起固结 纤维、传递载荷以及部分承载的作用，增强体纤维、 颗粒、晶须等均匀、弥散分布在基体中，成为承载 力的主体，大大改善了基体性能的不足。
前景

切割与加工
在高温下进行热处理，消除材料中的 内应力，提高其稳定性和耐久性。
根据需要，对碳纤维复合材料进行切 割和加工，以满足不同应用的需求。
表面涂装与防护
对碳纤维复合材料表面进行涂装和防 护处理，以提高其耐腐蚀、耐磨等性 能。
碳纤维复合材料的
03
性能与测试
碳纤维复合材料的力学性能
01
02
03
高强度与高刚性
碳纤维复合材料具有极高 的抗拉强度和弹性模量， 使其成为承受重负载和抵 抗变形的理想选择。
疲劳性能优异
碳纤维复合材料在循环载 荷下表现出良好的耐久性 ，适用于需要承受周期性 载荷的场合。
损伤容限高
碳纤维复合材料的独特结 构使其能够承受部分损伤 而不影响整体性能，提高 了结构的安全性。
碳纤维复合材料的热学性能
将碳纤维与树脂等基体材料混合，制备成预浸料。预浸料的制备质 量直接影响复合材料的性能。
铺层与成型
将预浸料按照设计要求进行铺层，然后在一定温度和压力下进行成 型处理，使材料固化形成碳纤维复合材料。
后处理与加工
对成型的碳纤维复合材料进行后处理和加工，以满足不同应用需求 。
碳纤维复合材料的后处理工艺
热处理与消除内应力
将聚合物单体进行聚合，然后纺成纤维。这一过程中，需要控制温度 、压力等参数，以确保纤维的质量。
预氧化与碳化
在高温下进行预氧化和碳化处理，使纤维中的氢、氧等元素得以去除 ，同时形成碳纤维的结构。
表面处理与涂层
对碳纤维表面进行处理和涂层，以提高其与其他材料的粘附性和功能 性。
碳纤维复合材料的成型工艺
预浸料制备
良好的热稳定性
碳纤维复合材料在高温下仍能保持稳定的力学性能， 适用于高温环境。

纤维缠绕成型的主要特点是， 纤维能保持连续完整，制件线形可 按制品受力情况设计即可按性能要 求配置增强材料，结构效率高，制 品强度高；可连续化、机械化生产， 生产周期短，劳动强度小；产品不 需机械加工，但设备复杂。
拉挤成型
拉挤成型是一种连续生产固定截面 型材的成型方法。主要过程是将浸有树 脂的纤维连续通过一定型面的加热口模， 挤出多余树脂，在牵引条件下进行固化。
性能对比
碳纤维力学性能
加工成型方法
• 喷射成型 • 注射成型 • 纤维缠绕成型 • 拉挤成型
喷射成型
喷射成型是通过喷枪将短切纤维和雾化树 、 、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料。
RIM的基本原理是将两种反应物(高活性的液状单体或齐聚物)精确计量，经高压碰撞混合后充入模内，混合物在模具型腔内迅速发生聚
出色的耐热性(可以耐受电2000力℃以是上的高国温) 家能源的重中之重，作为典型的 清洁能源，核电具有很多优势，实现核电清 高强度（是钢铁的5倍）
当前，汽车工业正面临资源和环境的严峻挑战，推进汽车轻量化以降低油耗，是汽车工业发展的主题。 另一方面．CFRP具有高的阻尼特性，可使击球时间延长,球被击得更远
拉挤成型的最大特点是连续成型， 制品长度不受限制，力学性能尤其是纵 向力学性能突出，结构效率高，制造成 本低，自动化程度高，制品性能稳定， 生产效率高， 原材料利用率高，不需要 辅助材料
碳纤维复合材料的应用
• 在体育方面的应用 • 在航天领域的应用 • 在石油开发中的应用 • 在核电站中的应用 • 在电动汽车上的应用
料不同的是，其外
形有显著的各向

异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现
出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强

8
• 3 在电子和光学仪器中的应用 • 铝基复合材料,特别是 增强铝基复合材料,由于具
有热膨胀系数小、密度低、导热性能好等优点,适 合于制造电子器材的衬装材料、散热片等电子器 件。 颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数完全可 以与电子器件材料的热膨胀相匹配,而且导电、导 热性能也非常好。在精密仪器和光学仪器的应用 研究方面,铝基复合材料用于制造望远镜的支架和 副镜等部件。另外铝基复合材料还可以制造惯性 导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、 激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学 仪器托架等许多精密仪器和光学仪器。
9
• 4 在体育用品上的应用 • 铝基复合材料可以代替木材及金属材料来
制作网球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆和滑雪 板等。用 颗粒增强铝基复合材料制作的自 行车链齿轮重量轻、刚度高、不易挠曲变 形,性能优于铝合金链齿轮。
10
铝基复合材料的制造工艺
• 铝基复合材料的制备方法对材料的性能影响很大, 其成本也取决于材料的制造工艺,因此研究和发展 有效的制造工艺一直是铝基复合材料的重要研究 内容。
点之一。
5
• 5疲劳与断裂韧性 • 铝基复合材料的疲劳强度一般比基体金属高,而断
裂韧性却下降。影响铝基复合材料疲劳性能和断 裂的主要因素有:增强物与基体的界面结合状态、 基体与增强物本身的特性和增强物在基体中的分 布等。 • 6热性能 • 增强体和基体之间的热膨胀失配在任何复合材料 中都难以避免,为了有效降低复合材料的热膨胀系 数,使其与半导体材料或陶瓷基片保持热匹配,常选 用低膨胀的 合金作为基体和采用不同粒径的颗粒 制备高体积分数的复合材料。
铝基复合材料
1
“铝基复合材料的综述 铝基复合材料的基本成分 铝基复合材料的性能 铝基复合材料的应用 铝基复合材料的制造工艺 铝基复合材料举例 铝基复合材料的发展趋势”

14
5 界面研究
A金属涂层对界面的影响
纤维和基体之间的界面粘结性是提高纤维增强复合材料性能的关键 之一。 在使用金属涂层时, 除使涂层既能阻止纤维与基体的反应, 又能 提高润湿性外, 还应使界面有一定的结合力, 以便能有效地传递载荷。 ①镍涂层的影响
镍涂层虽然可以改善铝对碳纤维表面的润湿性, 但由于镍易促进碳纤 维的石墨化及NiAl3 脆性相的形成, 作为单涂层时, 它并不是理想的涂层。
碳纤维增强铝基 复合材料
1
介绍内容
• 1 概述 • 2 Cf／Al复合材料的显微组织 • 3 Cf／Al复合材料的性能 • 4 Cf／Al复合材料的制造工艺 • 5 Cf／Al复合材料的界面研究 • 6 发展趋势和展望
2
1 概述
目前，金属基复合材料(MMCs) 的基体主要发展了有铝基、镁基、钛 基、高温合金基、铜基等类型，由于铝合金具有断裂韧性高、高强度、 优良的抗腐蚀性、低密度等良好的综合性能，使得铝合金在复合材料的 发展中倍受青睐。因此铝基发展最快并成为当前金属基复合材料发展和 研究工作的主流。其主要应用领域一是航空、航天和军事领域，二是汽 车、电子信息和高速机械等民用领域。
Ni—一种白色金属
镍涂层碳纤维
73 性能--尺寸Fra bibliotek定性上图为用冷热冲击法对Cf/Al进行检测后的试验结果，可以看出：
随着冷热循环次数的增加，尺寸变化趋于恒值，说明Cf/Al复合材料 具有优异的尺寸稳定性。
8
3 性能--空间环境耐候性
若Cf/Al复合材料应用在航空航天领域，那复合材料无可避免的要 在空间飞行中经受如超高真空度、高低温交变冲击、带电粒子照、紫 外辐照等环境的损伤，开展空间环境条件对复合材料性能影响的分析 对航天结构设计，充分发挥复合材料的优异性能具有十分重要的现实 意义。