先进复合材料概述

《复合材料》课程笔记第一章：复合材料概述1.1 材料发展概述复合材料的发展历史可以追溯到古代，人们使用天然纤维（如草、木）与土壤、石灰等天然材料混合制作简单的复合材料，例如草绳、土木结构等。

然而，现代复合材料的真正发展始于20世纪40年代，当时因航空工业的需求，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）。

此后，复合材料技术经历了多个发展阶段，包括碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维的研制和应用。

70年代，芳纶纤维和碳化硅纤维的出现进一步推动了复合材料的发展。

这些高强度、高模量纤维能够与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，形成了各种具有特色的复合材料。

1.2 复合材料基本概念、特点复合材料是由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。

复合材料具有以下特点：- 重量轻：复合材料通常具有较低的密度，比传统材料轻，有利于减轻结构重量。

例如，碳纤维复合材料的密度仅为钢材的1/5左右。

- 强度高：复合材料可以承受较大的力和压力，具有较高的强度和刚度。

例如，碳纤维复合材料的拉伸强度可达到3500MPa以上。

- 加工成型方便：复合材料可以通过各种成型工艺进行加工，如缠绕、喷射、模压等。

这些工艺能够适应不同的产品形状和尺寸要求。

- 弹性优良：复合材料具有良好的弹性和抗冲击性能，能够吸收能量并减少损伤。

例如，橡胶基复合材料在受到冲击时能够吸收大量能量。

- 耐化学腐蚀和耐候性好：复合材料对酸碱、盐雾、紫外线等环境因素具有较好的抵抗能力，适用于恶劣环境下的应用。

例如，聚酯基复合材料在户外长期暴露下仍能保持较好的性能。

1.3 复合材料应用由于复合材料的优异性能，它们在各个领域得到了广泛的应用。

主要应用领域包括：- 航空航天：飞机、卫星、火箭等结构部件。

复合材料的高强度和轻质特性使其成为航空航天领域的重要材料，能够提高飞行器的性能和燃油效率。

航空预浸料- 热压罐工艺复合材料技术应用概况发布时间：2011-11-23 15:34:27先进复合材料自问世以来，由于其轻质、高强、耐疲劳、耐腐蚀等诸多优势，一直在航空材料领域得到重视。

随着近几十年来的发展，尤其是最近10年在大型飞机上井喷式的应用，先进复材料已经证明了其在未来航空领域的重要地位，它在飞机上的用量和应用部位也已经成为衡量飞结构先进性的重要标志之一[1] 如目前代表世界最先进战机的美国F-22 和F-35，其复合材料占机结构重量达到了26%（F-22 机身、机翼、襟翼、垂尾、副翼、口盖、起落架舱门；F-35 机身翼进气道、操纵面、副翼、垂尾），欧洲EF-2000 战机更是达到了35%~40%（机翼、垂尾、方向舵[2] ；民机领域的两大巨头波音和空客，在其最新型的大型客机波音787、A350XWB 机型中，大幅使用复合材料，分别达到50% 和52%[3],在机身主承力结构中，除一些特殊需要外，基本上实现了全复合材料化。

从当前的复合材料应用来看，航空复合材料具备以下几个方面的特点：在材料方面，飞主承力结构应用高韧性复合材料；在工艺方面，呈现出以预浸料- 热压罐工艺为主，积极开发液体成型工艺及其他低成本成型工艺的态势，对复合材料构件的制造综合考虑性能/ 成本因机[4]设计理念的广泛认知，复合材料已逐渐在主承力结构上站稳了脚跟，而且，为了进一步将复合材料的优点充分发挥，飞机结构设计越来越趋向于整体化和大型化。

复合材料在主承力结构上的应用技术是体现航空复合材料水平及应用程度的重要标志。

目前复合材料主承力构件仍是以预浸料- 热压罐工艺为主。

基于此，本文旨在介绍目前与航空预浸料- 热压罐工艺相关的复合材料技术。

主承力结构用预浸料1 高性能复合材料体系“计是主导，材料是基础，工艺是关键”[5]复合材料的制造技术与材料的发展息息相关。

航空预浸料-热压罐工艺高性能复合材料到目前已经历了3个阶段。

第一阶段的复合材料采用通用T300 级碳纤维和未增韧热固性树脂，具有明显的脆性材料特征，主要用于飞机承力较小的结构件。

碳纤维复合材料的成型工艺一、碳纤维复合材料概述碳纤维复合材料是一种由碳纤维增强体和树脂基体组成的新型高性能材料。

它以其轻质、高强度、高刚度、耐疲劳、耐腐蚀等优异性能，在航空航天、汽车制造、体育器材、建筑结构等领域得到了广泛的应用。

本文将探讨碳纤维复合材料的成型工艺，分析其重要性、挑战以及实现途径。

1.1 碳纤维复合材料的特点碳纤维复合材料的特点主要包括以下几个方面：- 轻质高强：碳纤维具有很高的比强度和比模量，使得复合材料在保持轻质的同时，具有很高的承载能力。

- 高刚度：碳纤维复合材料的刚度远高于传统材料，可以提供更好的结构稳定性。

- 耐疲劳：碳纤维复合材料具有优异的耐疲劳性能，适用于承受反复循环载荷的应用。

- 耐腐蚀：碳纤维复合材料对多种腐蚀性介质具有很好的抵抗力，适用于恶劣环境。

1.2 碳纤维复合材料的应用领域碳纤维复合材料的应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 航空航天：用于飞机结构、发动机部件等，以减轻重量、提高性能。

- 汽车制造：用于车身、底盘等部件，以提高燃油效率和车辆性能。

- 体育器材：用于自行车、网球拍、高尔夫球杆等，以提供更好的运动性能。

- 建筑结构：用于桥梁、高层建筑等，以提高结构的承载能力和耐久性。

二、碳纤维复合材料的成型工艺碳纤维复合材料的成型工艺是实现其优异性能的关键环节。

不同的成型工艺会影响材料的性能和应用范围。

2.1 预浸料成型工艺预浸料成型工艺是一种常用的碳纤维复合材料成型方法。

该工艺首先将碳纤维与树脂基体预先混合，形成预浸料，然后在模具上铺设预浸料，通过热压或真空袋压等方法固化成型。

预浸料成型工艺具有成型效率高、产品质量好等优点。

2.2 树脂传递模塑成型工艺树脂传递模塑（RTM）成型工艺是一种先进的复合材料成型技术。

该工艺通过将树脂注入闭合模具中，使树脂在模具内流动并浸润碳纤维，最终固化成型。

RTM工艺可以实现复杂形状的制品成型，且具有较低的生产成本。

航空航天材料概论概述：航空航天材料是一类非常特殊的材料，它与军事应用密切相关。

与此同时，航空航天材料的进步又对现代工业产生了深远的影响。

推动航空航天领域新材料新工艺的发展，能够引领和带动相关技术进步和产业发展，衍生出更为广泛的、军民两用的新材料和新工艺。

本文根据公开出版物的资料进行了摘录和汇总，使读者可以对航空航天材料有一个基本的认识。

一、航空航天材料的分类航空航天材料既是研制生产航空航天产品的物质保障，又是推动航空航天产品更新换代的技术基础。

从材料本身的性质划分，航空航天材料分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和先进复合材料 4大类；按使用功能，又可分为结构材料和功能材料两大类。

对于结构材料而言，最关键的要求是质轻高强和高温耐蚀；功能材料则包括微电子和光电子材料、传感器敏感元材料、功能陶瓷材料、光纤材料、信息显示与存储材料、隐身材料以及智能材料。

对于航空材料来说，包括三大类材料，飞机机体材料、发动机材料、机载设备材料。

而航天材料则包括运载火箭箭体材料、火箭发动机材料、航天飞行器材料、航天功能材料等。

具体到材料的层面，航空航天材料涉及范围较广，包括铝合金、钛合金、镁合金等轻合金，超高强度钢，高温钛合金、镍基高温合金、金属间化合物（钛铝系、铌铝系、钼硅系）、难熔金属及其合金等高温金属结构材料，玻璃纤维、碳纤维、芳酰胺纤维、芳杂环纤维、超高分子量聚乙烯纤维等复合材料增强体材料，环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、聚芳基乙炔树脂等复合材料基体材料，先进金属基及无机非金属基复合材料，先进金属间化合物基复合材料，先进陶瓷材料，先进碳/碳复合材料以及先进功能材料。

二、航空航天材料简介1.铝合金飞机机身结构材料应用构成比例预测表明，21世纪初期占主导地位的材料是铝合金。

开发航空航天技术用铝合金时首先要解决的课题，是如何在保证高使用可靠性及良好工艺性的前提下减轻结构质量。

目前急待解决的问题是开发具有良好焊接性能的高强铝合金，并将其用于制造整体焊接结构。

Abaqus碳纤维复合材料结构1. 概述碳纤维复合材料是一种具有优异性能的先进材料，它在航空航天、汽车工业、体育器材等领域得到了广泛应用。

在工程设计中，对碳纤维复合材料结构的性能和可靠性进行准确的评估至关重要。

Abaqus是一种常用的有限元分析软件，能够对复材结构进行准确的模拟和分析，因此对于碳纤维复合材料结构的研究至关重要。

2. 碳纤维复合材料的特点碳纤维复合材料由高强度的碳纤维和塑料基体组成，具有重量轻、强度高、刚性大、耐腐蚀、抗疲劳等优点。

然而，碳纤维复合材料的非均匀性和复杂的结构使得其性能表现和预测变得更加复杂。

需要借助有限元分析等方法进行深入研究。

3. Abaqus对碳纤维复合材料结构的模拟Abaqus作为有限元分析软件，具有强大的建模和分析能力，能够对碳纤维复合材料的结构进行准确的模拟。

通过Abaqus可以建立复材层合板、复材蜂窝结构、复材夹芯板等常见的复材结构模型，并进行受力性能、疲劳寿命、断裂行为等方面的分析和预测。

4. Abaqus在碳纤维复合材料结构中的应用Abaqus在碳纤维复合材料结构领域有着广泛的应用，例如在航空航天领域，可以利用Abaqus对飞机机翼、机身等结构的复材部件进行受力和疲劳寿命分析；在汽车工业领域，可以利用Abaqus对碳纤维复合材料车身、悬挂系统等部件进行强度和刚度分析；在体育器材制造领域，可以利用Abaqus对碳纤维复合材料网球拍、高尔夫球杆等产品的性能进行模拟和预测。

这些实际应用表明Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中的重要性和价值。

5. Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中的挑战和展望尽管Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中取得了显著的成果，但仍然面临一些挑战，如对复材材料本身非线性、破坏行为、界面效应等方面的准确建模和模拟；另外，随着复材结构的复杂化和应用领域的拓展，需要Abaqus不断更新和完善其建模和分析能力，以满足不断增长的复材结构仿真需求。