先进复合材料讲义汇总典藏版

先进复合材料讲义汇总典藏版

层压结构

复合材料由混合在一起以达到特定结构性能的材料组合而成。单体材料不会完全溶解或融合在复合材料中，但它们会作为一个整体一起作用。通常情况下，组件之间的接口可以被物理识别。复合材料的性能优于由其构成的单体材料的性能。

一种先进的复合材料是由溶入树脂基体的纤维材料制成的，通常由交替定向的纤维层压，以提供材料的强度和刚度。纤维材料并不常见;木材是人类所知的最常见的纤维结构材料。

复合材料在飞机上的应用包括

•导流板

•飞行控制面

•起落架门

•机翼和稳定器的前缘和后缘板

•内部组件

•地板梁和地板面板

•大型飞机的垂直和水平稳定器主结构

•新一代大型飞机的主要机翼和机身结构

•涡轮发动机风扇叶片

•螺旋桨

层压板的主要成分

各向同性材料在所有方向上都具有均匀的性质(指同一材料的等向性)。各向同性材料的测量性质与测试轴无关。以金属材料的铝和钛为例来说明各向同性材料的例证。

纤维是复合材料的主要承载元素。复合材料只有在纤维的方向上才有强度和硬度。单向复合材料在一个方向上具有主要的力学性能，被称为各向异性，其力学或物理性能与材料固有的自然参考轴的方向不同。由纤维增强复合材料制成的部件可以设计成纤维取向产生最佳的机械性能，但它们只能接近金属的真正各向同性性能，如铝和钛。

复合基质支撑着纤维，并将它们粘结在复合材料中。基体将任何施加的载荷转移到纤维上，使纤维保持在其位置和选择的方向，给出复合材料的环境电阻，并确定复合材料的最高使用温度。

强度特性

复合材料层压板的结构性能，如刚度、维度稳定性和强度，取决于层压的堆叠顺序。堆叠顺序描述了层压板厚度中铺层方向的分布。随着具有选择方向层数的增加，更多的堆叠顺序是可能的。例如，一个具有四种不同铺层方向的对称八层层压板有24种不同的堆叠顺序。

纤维方向

复合材料的强度和刚度取决于铺层的定向顺序。碳纤维的实际强度和刚度范围从低至高，如玻璃纤维提供的强度和刚度值，高至钛纤维提供的强度和刚度值。这个值的范围是由层压对施加的负载的方向决定的。在先进复合材料中，适当选择铺层方向是提供结构高效设计的必要条件。该部分可能需要0°层反应轴向负荷，±45°层反应剪切负荷，90°层反应侧负荷。因为强度设计要求是施加荷载方向的函数，所以铺层方向和铺层顺序必须正确。在修复过程中，用相同材料和方向的层替换每一层损坏的层是至关重要的。

单体材料中的纤维在一个方向上运动，强度和刚度只在纤维的方向上。预浸料(预浸胶膜)胶带是单向铺层定向的一个例子。

双向材料中的纤维在两个方向上流动，通常间隔90°。平纹结构是双向铺层方向的一个例子。这些铺层方向在两个方向上都有强度，但强度不一定相同。如图1所示

准各向同层铺的层序为0°、-45°、45°和90°或0°、-60°和60°。如图2所示,这些类型的铺层取向模拟各向同性材料的特性。许多航空复合材料结构是由准各向同性材料制成的。

双向和单向铺层材料性能

对称各向同性材料铺层

纵向

经向是指织物的纵向纤维。由于纤维的直线度，经向是高强度的方向。翘曲经向用于在图表、规格表或制造商的表上描述纤维的方向。如果织物上没有翘曲方向，当织物从卷上下来时，翘曲方向默认为零。因此，90°到零是织物的宽度。如图3所示

扭曲锁定

纤维形态

所有的产品形式通常都是从单向线的原纤维开始，包装成连续的股。一根单独的纤维叫做细丝。“线”这个词也被用来表示一种单独的玻璃纤维。成束的细丝可分为细纱、纱线或粗纱。玻璃纤维纱线是扭曲的，而kevlar®纱线不是。丝束和粗纱没有任何扭力。大多数纤维都是干纤维，在使用前需要用树脂浸渍(预浸渍)，或在树脂已经涂在纤维上的地方用预浸渍材料。

粗纤（纱束）

粗纤是一组细丝或纤维末端，如20端或60端玻璃粗纱。所有细丝方向一致，不扭曲。碳纤维粗纱通常被确定为3K、6K或12K粗纱，K表示1000根丝。大多数粗纱产品的应用都是利用芯轴进行纤维缠绕，然后树脂固化到最终配置。

单向(带)

单向预浸带多年来一直是航空航天工业的标准，纤维通常是浸渍热固性树脂。最常见的制备方法是将准直的生(干)股拉入浸渍机，在浸渍机中，热熔树脂通过加热和压力与股结合。胶带产品在纤维方向上有很高的强度，而在纤维上几乎没有强度。纤维被树脂固定住。胶带的强度比机织织物高。如图4所示

胶带和织物制品

双向(织物)

对于复杂形状的层叠，大多数织物结构比直接的单向胶带提供了更多的灵活性。织物提供了通过溶液或热熔工艺浸渍树脂的选择。通常，用于结构应用的织物在经线(纵向)和纬线(横向)两个方向使用相同重量或屈服度的纤维或股。对于航空航天结构，紧密编织的织物通常是节省重量的选择，减少树脂空洞的大小，并在制造过程中保持纤维的取向。

织物结构通常由加固的增强丝束、股或纱线在织造过程中相互交错而成。更常见的织物款式是平织或缎纹编织。平纹编织结构是由每根纤维在每根交叉的股(束、束或纱)上面和下面交替形成的。在常见的缎面织法中，如5束或8束，纤维束在经纱方向和纬纱方向上来回移动的频率较低。

这些缎纹织物比平纹织物卷曲少，更容易变形。在平纹织物和大多数5或8束织物中，经向和纬纱方向的纤维股数相等。例如:3K平织通常有一个额外的名称，如12 x 12，这意味着每英寸在每个方向上有12个牵引。此计数名称可以改变，以增加或减少织物重量，或适应不同重量的不同纤维。如图5所示

典型的织物编织风格

非织造物(编织或缝制)

编织物或缝纫织物可以提供许多单向胶带的机械优点。纤维的放置可以是直的或单向的，没有机织织物的上下转弯。经预先选定的一层或多层干板方向后，用细纱或细线缝合，使纤维固定。这些类型的织物提供了广泛的多层定向。虽然可能会增加一些重量或失去一些最终增强纤维性能，但可能会实现层间剪切和韧性性能的某些提高。一些常见的缝纫纱线是涤纶、芳纶或热塑性塑料。如图6所示

非织造材料(缝合)

纤维的种类

玻璃纤维

玻璃纤维常用于飞机的二级结构，如整流罩、天线罩和翼尖。玻璃纤维也用于直升机旋翼叶片。有几种类型的玻璃纤维用于航空工业。电子玻纤，或E-glass，被认定为这样的电子应用。它对电流有很高的阻力。电子玻纤是由硼硅酸盐玻璃纤维制成的。S-glass和S2-glass是比E-glass具有更高强度的结构玻璃纤维。S-glass玻璃纤维是由镁铝硅酸盐制成的。玻璃纤维的优点是成本低于其他复合材料，耐化学或电腐蚀，以及电学性能(玻璃纤维不导电)。玻璃纤维呈白色，可作为干纤维织物或预浸料使用。

芳纶纤维

凯夫拉(Kevlar)是杜邦公司芳纶纤维的名称。芳纶纤维重量轻、结实、坚韧。两种芳纶纤维用于航空工业。Kevlar®49具有高刚度，而Kevlar®29具有低刚度。芳纶纤维的一个优点是抗冲击损伤能力强，因此常用于易受冲击损伤的区域。芳纶纤维的主要缺点是在压缩性和吸湿性方面普遍存在缺陷。服役报告表明，一些由kevlar®制成的部件在水中吸收高达8%的重量。因此，由芳纶纤维制成的零件需要受到环境的保护。另一个缺点是凯夫拉纤维很难钻孔和切割。纤维很容易起毛，需要专门的剪刀来剪切。

凯夫拉纤维通常用于军事弹道和防弹衣应用。它有天然的黄色，可作为干织物和预浸料。芳纶纤维束的大小不像碳纤维或玻璃纤维那样取决于纤维的数量，而是取决于重量。

碳纤维/石墨纤维

此纤维之间的第一个区别是碳纤维和石墨纤维之间的区别，尽管这两个术语经常互换使用。碳纤维和石墨纤维是基于碳中的单层石墨(六边型)层网络。如果单层石墨层或平面按三维顺序堆叠，则该材料被定义为石墨。通常需要延长时间和温度加工形成这种顺序，使石墨纤维更昂贵。平面间的键合很弱。无序经常发生，以至于在层中只存在二维顺序。这种物质被定义为碳纤维。

碳纤维非常坚韧，硬度是玻璃纤维的3到10倍。碳纤维用于飞机结构应用，如底梁，稳定器，飞行控制，以及主机身和机翼结构。优点是强度高、耐腐蚀。缺点包括导电性比铝低;因此，对于容易受到雷击的飞机部件，必须安装防雷网或防雷涂层。碳纤维的另一个缺点是成本高。碳纤维是灰或黑的颜色，可作为干织物和预浸料。当与金属紧固件和结构一起使用时，碳纤维有引起电偶腐蚀的高潜力。

玻璃纤维(左)，芳纶纤维(中)，碳纤维材料(右)

硼纤维

硼纤维非常坚硬，具有很高的抗拉和抗压强度。纤维的直径比较大，弯曲性不好;因此，它们只能作为预浸料胶带产品。环氧树脂基体常与硼纤维一起使用。硼纤维用于修复开裂的铝飞机外壳，因为硼的热膨胀接近铝，没有电偶腐蚀的潜力。如果基材表面有一个轮廓形状，硼纤维就很难使用。硼纤维非常昂贵，对人员可能有危险。硼纤维主要用于军事航空领域。

陶瓷纤维

陶瓷纤维用于高温应用，如燃气涡轮发动机的涡轮叶片。陶瓷纤维可用于高达2200°F的温度。

防雷光纤

铝制飞机的导电性很好，能够驱散雷击产生的大电流。碳纤维对电流的电阻是铝的1000倍，环氧树脂的电阻是1,000,000倍(即垂直于表皮)。外部复合材料部件的表面通常由一层或一层导电材料组成，用于防雷，因为复合材料的导电性比铝低。许多不同类型的导电材料被使用，从镀镍石墨布到金属网到铝化玻璃纤维到导电涂料。该材料可用于湿铺层或预浸料。

除了正常的结构修复，技术人员还必须重新创造设计到部件的导电性。这类修复通常需要用电阻表进行导电性测试，以验证整个结构的最小电阻。当修理这些类型的结构时，非常重要的是只使用来自授权供应商的批准材料，包括诸如灌封化合物、密封剂、粘合剂等。如图8和图9所示

铜网防雷材料

铝网防雷材料

基质材料

热固性树脂

树脂是指聚合物的通称。树脂及其化学成分和物理性能从根本上影响复合材料的加工、制造和最终性能。热固性树脂是所有人造材料中最多样和应用最广泛的。它们很容易被浇铸或形成任何形状，与大多数其他材料兼容，而且很容易(通过加热或催化剂)固化为不溶性固体。热固性树脂也是很好的粘合剂和粘接剂。

聚酯树脂

聚酯树脂是相对便宜且易加工的树脂，通常用于低成本的应用。低烟聚酯树脂用于飞机的内部部件。纤维增强聚酯可采用多种加工方法。常用的加工方法有配套金属模具成型、湿铺层压(真空袋)成型、注塑成型、纤维缠绕、拉挤和高压蒸汽。

乙烯基酯树脂

乙烯基酯树脂的外观、处理性能和固化特性具有与常规树脂相同的聚酯树脂。但是，耐蚀性和乙烯基酯复合材料的力学性能比标准聚酯树脂复合材料有很大提高。

酚醛树脂

酚醛树脂在20世纪初被首次用于市场商业化生产。尿素甲醛和三聚氰胺甲醛在20世纪20-30年代作为较低成本的低温使用的替代品出现。酚醛树脂因其低烟和低可燃性的特点而被用于室内部件。

环氧树脂

环氧树脂是可聚合的热固性树脂，具有从液体到固体的各种粘度。环氧树脂有许多不同的类型，技术人员应该以使用维护手册来选择正确的类型进行特定的修复。环氧树脂广泛应用于预浸料和结构粘合剂。环氧树脂的优点是强度和模量高，挥发物含量低，附着力好，收缩率低，耐化学性好，易于加工。它们的主要缺点是易碎和在水分的存在下性能下降。环氧树脂的加工或固化比聚酯树脂慢。加工工艺包括高压罐成型、纤维缠绕、模压成型、真空袋成型、树脂转移成型和拉挤成型。固化温度范围从室温到大约350°F(180°C)。最常见的固化温度范围在250°至350°F(120-180°C)之间。如图10所示

两种带泵湿式环氧树脂分配器铺层系统

聚酰亚胺

聚酰亚胺树脂在高温环境中表现优异，其耐热性、氧化稳定性、低热膨胀系数和耐溶剂性有利于设计。它们的主要用途是电路板、热发动机和机体结构。聚酰亚胺可以是热固性树脂或热塑性塑料。聚酰亚胺需要较高的固化温度，通常超过550°F(290°C)。因此，普通的环氧复合袋装材料是不可用的，钢制工装成为一种必需品。使用聚酰亚胺袋装和释放膜，如Kapton®。Upilex®取代较低成本的尼龙套袋和聚四氟乙烯(PTFE)脱模膜是非常重要的环氧复合材料加工常见的程序。

玻璃纤维面层由于聚酯纤维的熔点低，必须用可排放透气材料来代替聚酯纤维作为垫料。

聚苯并咪唑(PBI)

聚苯并咪唑树脂具有极强的耐高温性能，用于耐高温材料。这些树脂可用作粘合剂和纤维。

双马来酰亚胺(BMI)

双马来酰亚胺树脂比环氧树脂具有更高的耐温能力和更高的韧性，并且在环境和高温下都具有优异的性能。双马来酰亚胺树脂的处理方法与环氧树脂类似。BMI用于航空发动机和高温部件。BMIs适用于标准的热压罐加工，注塑成型，树脂铸模成型，模压复合成型(SMC)等。

热塑性树脂

热塑性材料可以通过温度升高反复软化，并通过温度降低反复硬化。加工速度是热塑性材料的主要优点。材料在加工过程中不发生化学固化，材料在柔软时可通过模压或挤压成型。

半晶热塑性塑料

半晶热塑性塑料具有固定的阻燃性能，优越的韧性，良好的高温和冲击后的机械性能，及低吸湿性。它们用于二级和一级飞机结构。与增强纤维结合，它们可用于注塑成型化合物，可压缩成型的随机薄板，单向胶模，由预浸丝束(预浸丝料)制成的预浸料，和织物预浸料。浸渍在半晶热塑性塑料中的纤维包括碳纤维，镀镍碳，芳纶，玻璃纤维，石英和其他。

非晶热塑性塑料

非晶态热塑性塑料有多种物理形态，包括薄膜、丝状和粉末。与增强纤维结合，它们也可用于注塑复合材料，可压缩成型的随机薄板，单向胶模，编织预浸料等。所用的纤维主要是碳纤维、芳纶和玻璃纤维。非晶态热塑性塑料的特殊优势取决于聚合物。通常，这种树脂以其加工方便、速度、高温能力、良好的机械性能、优异的韧性和冲击强度以及化学稳定性而闻名。稳定性的结果在于无限的贮存寿命期，消除了热固性预浸料冷贮存的要求。

聚醚醚酮(PEEK)

聚醚醚酮，俗称PEEK，是一种高温热塑性塑料。这种芳香族酮材料具有优异的高热和燃烧特性，并耐各种溶剂和专有溶流体。PEEK也可以用玻璃纤维和碳纤维加强体。

树脂的固化阶段

热固性树脂使用化学反应固化。有三个固化阶段，分别称为A、B和C。

•A阶段:树脂组分(基材和固化剂)已经混合，但化学反应还没有开始。在湿铺层过程中，树脂处于A阶段。

•B阶段:树脂的组分已经混合，化学反应已经开始。这时材料变厚且很粘。预浸料的树脂处于B阶段。为了防止进一步固化，将树脂放在0°F的冰箱中。在冷冻状态下，预浸料的树脂停留在B段。当材料从冰箱中取出并再次加热时，就开始固化。

•C阶段:树脂完全固化。有些树脂在室温下固化，有些则需要高温固化循环才能完全充分固化。

预浸料产品(Prepregs)

预浸料由基体和增强纤维组合而成。它有单向形式(一个增强方向)和织物层压形式(几个增强方向)。所有五种主要的基体树脂家族都可以用于浸渍各种纤维形态。然后树脂不再处于低粘度阶段，但已被推进到B级固化水平，以获得更好的处理特性。以下产品可采用预浸料形式:单向胶模、机织纤维物、连续纱束和碎切垫。预浸料必须在0°F以下的冰箱中存储，以延缓固化过程。预浸料用升高的温度固化。航空航天中使用的许多预浸材料都是用环氧树脂浸渍的，它们在250华氏度或350华氏度下固化。预浸料用高压釜、烤箱或热毯固化。他们通常购买和储存在一个密封的塑料袋卷，以避免水分污染。如图11所示

胶膜和织物预浸料

干纤维材料

干纤维材料，如碳纤维，玻璃纤维和kevlar®，用于许多飞机维修程序。在修复工作开始之前，干燥的织物被树脂浸渍。这个过程通常被称为湿铺层。采用湿铺层工艺的主要优点是纤维和树脂可以在室温下长时间保存。复合材料可以在室温下固化，也可以用高温固化来加快固化过程，增加强度。缺点是工艺混乱，强化材料的性能低于预浸料的性能。如图12所示

干织物材料(从上到下:铝防雷材料，kevlar®，玻璃纤维和碳纤维)

助剂（触变剂）

助剂（触变性剂）静止时呈凝胶状，搅动时变为液体。这些材料具有较高的静剪强度和较低的动剪强度，同时在应力作用下失去粘度。

粘合剂

胶膜粘合剂

用于航空航天的结构粘合剂通常以薄膜形式提供，支撑在脱模纸上，并在冷藏条件下(-18°C,或0°F)存储。薄膜胶粘剂可使用高温芳香胺或催化固化剂与广泛的柔韧剂和增韧剂。橡胶增韧环氧膜胶粘剂广泛应用于航空工业。121-177°C(250-350°F)的温度上限通常取决于所需的增韧程度以及树脂和固化剂的总体选择。一般来说，增韧树脂会导致较低的使用温度。薄膜材料通常由纤维支撑，以改善固化前对薄膜的处理，控制粘接过程中的胶粘剂流动，并协助控制粘接线的厚度。纤维可制成定向随意的短纤维毡，也可制成编织布。常见的纤维有聚酯纤维、聚酰胺纤维(尼龙)和玻璃纤维。含有编织布的胶粘剂，由于水被纤维吸干，可能有轻微的环境性能退化。由于粘接过程中不受限制的纤维会移动，所以随意垫布在控制薄膜厚度方面不如编织布有效。纺捻无纺布不动，因此被广泛使用。如图13及14所示

使用薄膜胶粘剂,凯夫拉®,玻璃纤维和碳纤维

一卷胶膜

胶粘剂

粘贴胶粘剂作为薄膜粘合剂的替代品。这些通常用于二次粘结修复补丁的损坏部件,并在薄膜胶粘剂难以应用的地方使用。在环氧树脂中,主要是用浆料粘在结构粘结剂上。一个部分和两个部分系统是可用的。粘贴胶粘剂的优点是可以储存在室温下,有很长的保质期。缺点是粘结线厚度很难控制,影响了粘接的强度。

当粘贴胶粘剂时,可以使织布在粘合过程中保持胶粘状态。如图15所示

A B混合胶粘剂

发泡胶粘剂

大多数发泡胶粘剂均为0.025英寸至0.10英寸厚的B级环氧树脂。泡沫胶粘剂固化于250°F（121℃）或350°F（176℃）。在固化周期中,发泡胶粘剂展开。发泡胶粘剂需要储存在冰箱里,就像预浸料一样,它们的储存寿命有限。在预修复中,发泡胶粘剂被用来在夹层结构中拼接在蜂窝上,并在现有的核心中修复。如图16所示

使用发泡胶粘剂

夹层结构说明（三明治结构描述）

理论上,夹层结构是一种结构面板概念,它由两种相对较薄、平行的面层组成,由一个相对厚或轻的芯材分开。该芯材支持面岑对抗弯曲和抵抗自平面剪切载荷。芯材必须具有高剪切强度和压缩刚度。复合夹层结构通常是用高压罐固化、压力机固化或真空袋固化而制造的。表皮层叠可以预先固化,然后再共固化操作中结合在一起,或结合两种方法。蜂窝状结构的例子是:机翼破坏,滑石,副翼,襟翼,机舱,地板,和舵。如图17所示

蜂窝夹层结构

性能

在铝和复合板层结构的比较中,夹层结构的弯曲刚度非常高。大多数蜂窝都是各向异性,即属性是定向的。如图18所示，说明了使用蜂窝结构的优点。增加岩心厚度大大提高了蜂窝结构的刚度,而重量增加最小。由于蜂窝状结构的高刚度,没有必要使用外部硬板,如同梁架。如图18所示

蜂窝夹层材料的强度和刚度与固体层压相比值

表面材料

大多数在飞机施工中使用的蜂窝结构有铝、玻璃纤维、kevlar®或碳纤维面材。碳纤维表面板不能与铝蜂窝芯材料一起使用,因为它导致铝腐蚀。在高温结构中,钛和钢用于特种应用。许多组件的面材,如扰流板和飞行控制,都非常薄,有时只有3到4个厚度（指mm）。参数报告显示,这些面材板没有良好的冲击阻力。