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• 耐疲劳性能好
一般金属的疲劳强度为抗拉强度的40～ 50%，而某些复合材料可高达70～80%。复 合材料的疲劳断裂是从基体开始，逐渐扩 展到纤维和基体的界面上，没有突发性的 变化。因此，复合材料在破坏前有预兆， 可以检查和补救。纤维复合材料还具有较 好的抗声振疲劳性能。用复合材料制成的 直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用金属的长 数倍。
碳纤维
碳纤维是以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维为 原丝，通过加热除去碳以外的其它一切元素制得的一种 高强度、高模量的纤维，它具有很高的化学稳定性和耐 高温性能，是高性能增强复合材料中的优良结构材料。 以粘胶为原丝时，粘胶纤维可直接炭化和石墨化。 纤维先进行干燥，然后在氮或氩等惰性气体保护下缓慢 加热到400 ℃。达400 ℃后，快速升温至900~1000 ℃ ， 使之完全炭化，可得含碳量达90%的碳纤维。 若以聚丙烯睛 纤维为原丝，则需先对原丝进行 180~220 ℃ 、约10小时的预氧化处理，然后再经过炭化 和石墨化处理，由此制得具有优良性能的碳纤维。 44
各向异性是复合材料的一个突出特点， 与之相关的是性能的可设计性。复合材料 的力学、物理性能除了由纤维、树脂的种 类及体积含量而定外，还与纤维的排列方 向、铺层顺序和层数密切相关。因此，可 以根据工程结构的载荷分布及使用条件的 不同，选取相应的材料及铺层设计来满足 既定的要求。复合材料的这一特点可以实 现构件的优化设计，做到安全可靠、经济 合理。
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越来越大，复合材料构件的结构也越来越复杂，
构件转变，复合材料的垂直安定面、水平尾翼、
目前国内复合材料在飞机上应用最多的是
新研制的中、高空长航时无人机，其机体复合
材料的使用量达到70%，机翼翼展18米，为全
复合材料结构；其中，机翼整体盒段运用设计
工艺一体化技术，将机翼的前、后梁，上蒙皮
和所有中间肋整体共固化成型，在复合材料应
Lear Fan 2100
6
B2隐形轰炸机
7
苏－44
苏－47
前掠翼具有许多突出的优点。前掠翼在高攻
角时有更好的稳定性和可控性,可增大飞机的转弯 角速度;阻力小;不会出现翼尖气流分离现象,故可增 大升力,从而显著提高飞机的升阻比;另外还可改善 布局,减小迎面对雷达波的反射面积。 8
9
10
F-18战斗机
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• 耐热性能好
在高温下，用碳或硼纤维增强的金 属其强度和刚度都比原金属的强度和刚 度高很多。普通铝合金在400℃时，弹 性模量大幅度下降，强度也下降；而在 同一温度下，用碳纤维或硼纤维增强的 铝合金的强度和弹性模量基本不变。复 合材料的热导率一般都小，因而它的瞬 时耐超高温性能比较好。
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•各向异性及性能可设计性
4
减轻结构的重量可大大节约飞机的使用成本， 取得明显的经济效益。据国外有关资料报告，先 进战斗机每减重1kg，就可节约1760美元。西方 国家在很短的时间内就实现了从非受力件和次受 力件到主受力件应用的过渡，无论是用量还是技 术覆盖面都有了很大的发展。目前正在研制的战 斗机中所使用的复合材料可占飞机结构总重量的 50%以上。飞机隐身技术的发展与应用，进一步 扩大了对复合材料技术的需求。在继民用飞机中 出现全复合材料飞机（如Lear Fan 2100， Starship和Vayager）之后又出现了全复合材料机 身的隐身轰炸机B2。此外，也只有采用了复合材 5 料，才使前掠翼得以在X-29上实现。
锦纶或涤纶纤维的4倍，为钢丝的5倍、铝丝的10倍。
冲击强度可比金属高6倍。模量为锦纶的20倍，比玻 璃纤维和碳纤维的模量都高。使用寿命比玻璃纤维 长3～10倍。长期使用温度为240℃，在400 ℃以上 才开始烧焦。缺点是横向强度低，压缩和剪切性能
活性碳纤维的生产工艺流程
预氧化
PAN纤维
不熔化
预氧丝
活性炭纤维 活性碳纤维毡 活性碳纤维布 活性碳纤维纸
沥青纤维
预氧丝
碳化活化
ACF
粘胶纤维 预氧化
催化浸清
预氧丝
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碳纤维的分类
按性能分类：
高性能型碳纤维－抗拉强度在2000MPa以上，主要用于航天、 航空和军工等领域；
通用型碳纤维－抗拉强度在600～1200MPa左右，主要用于
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航空航天复合材料新商机
新材料是航空航天技术的重要基础，作为21世纪三大 关键技术之一，新材料是传统产业升级换代和高新技 术产业发展的先导，成为国防工业发展中最具活力和 发展潜力的新领域。伴随着“神九”飞天及国家正在 加快发展大型飞机、支线飞机、军用飞机，同时即将 开放低空领域，为航天航空产业发展提供了广阔的市 场前景，而我国航空航天大部分材料需要从国外进口， 航空航天材料发展的正处在关键时期。在新材料方面， 我国近年来开发使用的2186种新材料中，89%是在航 天技术的牵引下完成的。中国航天新型材料产业基地 数据显示，到“十二五”末，中国实现航天技术应用 产业和服务业收入21509亿元。其中新材料产业在4个 领域可实现产值5000亿元，由此可见新材料产业在航 空航天领域蕴藏着巨大的市场商机。
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•工艺性好
纤维增强复合材料一般适合于整体成 型，减少了零部件的数目及接头紧固件， 减少设计计算工作量并有利于提高计算的 准确性。另外，制作纤维增强复合材料部 件的步骤是把纤维和基体粘结在一起，先 用模具成型，而后加温固化，在制作过程 中基体由流体变为固体，不易在材料中造 成微小裂纹，而且固化后残余应力很小。
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• 减振性能良好
纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼 较大，因此具有较好的减振性能。用同形 状和同大小的两种粱分别作振动试验，碳 纤维复合材料粱的振动衰减时间比轻金属 粱要短得多。
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• 过载安全性好
在纤维增强复合材料的基体中有成千 上万根独立的纤维。当用这种材料制成的 构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会 迅速重新分配并传递到未破坏的纤维上， 因此整个构件不至于在短时间内丧失承载 能力。
弹性模量
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2 1.5 1 0.5 0
比强度
比模量
钢 1 2 铝合金 钛合金 玻璃纤维复合材料 高模碳纤维/环氧复合材料 高模石墨纤维/环氧复合材料 有机纤维/环氧复合材料 硼纤维/环氧复合材料 硼纤维/铝复合材料
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• 比强度和比模量高
材料的强度除以密度称为比强度；材料 的刚度除以密度称为比刚度 。这两个参量 是衡量材料承载能力的重要指标。比强度和 比刚度较高说明材料重量轻，而强度和刚度 大。这是结构设计，特别是航空、航天结构 设计对材料的重要要求。现代飞机、导弹和 卫星等机体结构正逐渐扩大使用纤维增强复 合材料的比例。
3
复合材料在航天器上的应用
先进复合材料技术的实际应用在飞行器设 计与制造中具有重要的地位。这是因为复合材 料的许多优异性能，如比强度和比模量高，优 良的抗疲劳性能，以及独特的材料可设计性等， 都是飞行器结构盼望的理想性能。高性能飞行 器要求结构重量轻，从而可以减少燃料消耗， 延长留空时间，飞得更高更快或具有更好的机 动性；也可以安装更多的设备，提高飞行器的 综合性能。
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1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
钢 铝合金 钛合金 玻璃纤维复合 材料 高模碳纤维/环 氧复合材料 高模石墨纤维/ 环氧复合材料 有机纤维/环氧 复合材料 硼纤维/环氧复 合材料 硼纤维/铝复合 材料
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拉伸强度 1
3 2 1 0 钢 1 铝合金 钛合金 玻璃纤维复合材料 高模碳纤维/环氧复合材料 高模石墨纤维/环氧复合材料 有机纤维/环氧复合材料 硼纤维/环氧复合材料 硼纤维/铝复合材料
用技术上有所突破。在自行设计制造的某新型
武装直升机上，大量采用了复合材料，其机身 结构、主桨叶、尾桨叶和尾段为全复合材料结 构。
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长航时无人机
某新型武装直升机
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模具上 的“铺层”工作：工人首先将一种薄得像布一样
的特殊材料铺在模具上，然后在上面刷上一层特种胶水， 随后再铺上一层“布”。在铺了若干层“布”后，经过 固化、成型，制成特殊复合材料。最后将根据尺寸要求， 加工出具有流线形的壳体——例如整流罩类。哈航集团 为波音公司生产的整流罩将用于“波音787”机体和机翼 的结合部，可将裸露在机体外面的某一部件或装置封闭 合起来，起到保护与减少空气阻力的双重作用。
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1.7 增强材料纤维
增强材料:能和聚合物复合，形成复合材料后其比强 度和比模量超过现有金属的物质。反之，称为填料。
纤 维 增 强 材 料
粒子增 强材料 （片状、 颗粒状）
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碳 主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量一般 在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐 纤 高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳 维 素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、
机械制造、建筑和体育用品，如刹车片、轴承、密封材料等。 其它：活性碳纤维、气相生长碳纤维、纳米碳纤维等
按原料分类：
粘胶基碳纤维（ <1% ） 聚丙烯腈碳纤维PAN （>90 ％） 沥青基碳纤维（<10%）
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碳纤维的制造方法:
碳纤维制品有布、带、粗纱、短纤维和毡等
气相法
有机纤维碳化法（可制造连续长纤维）
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，因此有很高的比强度。 制造：由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造 化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等 工艺制成。 应用：与树脂、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材 料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模 量综合指标，在现有结构材料中最高。在强度、刚度 、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温 、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都具优势。 43
长丝----filament，基本的纤维结构单元。本身是连续的， 或至少远远长于其平均直径（通常其直径为5～10 微米） 纱------yarn，小束的连续长丝，一般不大于10000支，纤维 轻轻的铰合在一起以便像长丝那样使用 纤维织物----交织纱、纤维或长丝所编织的平面纺织品结构