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复合材料的最新应用与研发动态
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编者按：中国工程院院士杜善义关于&复合材料的最新应用与研发动态&的报告，不仅全面介绍了复合材料研究和应用的最新动态，而且从国家未来发展的视角提出了推进复合材料研发、制备与应用的建议，是一篇难得的美文。感谢杜院士提供文本在《力学园地》发表，以飨读者。杜善义院士的简介附于文后。
杜善义院士
复合材料的最新应用与研发动态
哈尔滨工业大学 杜善义
　　材料作为工业基础，是工业革命的推动力，而具有优异性能与功能的新材料本身就是一种高新技术，是现代高新技术发展的物质基础和先导技术。新材料是国家新兴战略性产业之一。作为现代工业和装备的共性关键技术，决定着一个国家的装备发展水平，可以说：&一代材料、一代装备、一代产业&。随着现代科技的发展，新材料的发展日益向着结构功能一体化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备与使用的绿色化、材料全寿命的低成本化、材料的复合化方向发展，特别是材料的复合化已经成为21世纪新材料技术发展最为重要的方向之一。
　　复合材料是由两种或两种以上材料复合而成的，组分材料间具有明显界面，能够充分发挥组分材料的各自优势，并能获得各组分材料所不具备的性能。它是二十世纪最重要的人工材料之一，成为继金属、陶瓷、高分子材料之后的第四类材料。从&二战&玻璃纤维增强复合材料应用开始，到目前以碳纤维增强复合材料为代表的各种先进复合材料，由于其优越性能和可设计性等突出优点，备受关注。复合材料的发展大都以国防、航空航天需求为牵引，通过材料研发与应用水平的提高，不断的更新换代，现已被推广到航空航天、船舰、交通、能源、建筑、桥梁以及休闲等领域。
　　复合材料的主要优势体现三个方面：(1)提高结构效率：复合材料具有高比强、高比模等突出优点，它的应用可显著减轻装备结构重量，从而增加有效载荷，节约能量消耗或提高效率；(2)结构/功能一体化：可实现特殊功能，提高抗极端环境能力，进一步提高结构的安全性和功能性；(3)智能化：可提高材料对服役环境的感知和适应能力，并产生革命性的效果。图1给出了军用运输机和战斗机中复合材料用量的变化情况，事实证明，目前先进复合材料的应用水平和用量成为衡量新一代装备先进性的重要标志。
图1． 复合材料在军机民机中用量的变化情况
1. 复合材料的应用现状与趋势
　　从材料的发展历史可以看出，近几十年来复合材料受重视程度一直呈上升趋势，特别是21世纪以来尤为明显，复合材料得到了国内外的充分重视。2003年美国国防部委托国家科学院调研的&面向21世纪国防需求的材料研究&报告中指出：&到2020年，只有复合材料才有潜力获得20-25%的性能提升&，得到国际上广泛认同。胡锦涛主席在2010年院士大会的讲话中指出：&大力发展新材料和先进制造科学技术，&&积极发展先进结构材料和复合材料、功能材料等&。2011年3月，在&十二五规划&纲要中，&科技创新能力建设重点&的&技术创新工程&中重点提到了&碳纤维复合材料&。从应用态势看，有下述四个方面的显著特征。
1.1作用越来越大
　　先进复合材料在新型或现代装备中的战略作用越来越大，显著提升了装备性能和效能，在某些关键结构部位的作用呈现&不可替代&的趋势。
　　2010年4月、2011年3月X-37B的两次发射引起巨大轰动和广泛关注，有可能在&太空军事化&上产生革命性影响，其中先进复合材料功不可没。在X-37B中使用了韧化单片纤维增强抗氧化复合材料(TURFOC)作为新型高温热防护系统，其最高温度不低于1700℃，并且首次应用C/SiC复合材料作为热结构，使用碳纤维/双马来酰亚胺复合材料作为主结构。大幅提升了飞行器的气动性能、机动能力、有效载荷能力、可重复使用性能和结构可靠性。
图2． X-37中所用的耐高温TURFOC和碳纤维/双马复合材料主结构
　　2010年4月美国首次发射了HTV-2，在实现&全球快速到达&FALCON 新型战略威慑和战术打击武器装备的发展中迈出了最为重要的一步，HTV-2对热防护要求极其苛刻，其中C/C复合材料结构的工程化应用是其重要的物质保障。在该飞行器中使用了1650℃的C/C复合材料、 2000 ℃以上超高温复合材料、 多层高效隔热复合材料技术和大面积复合材料热防护结构技术。是目前世界上最大、最复杂的C/C复合材料结构，也是整体承力热防护结构的首次工程化应用，大幅度提升了美国国防和工业界C/C研制及生产水平。
　　2011年，航天飞机将全部退役，&Orion&飞船将成为美国载人航天的重要手段，该飞船的热防护和主结构复合材料技术取得了关键的技术突破，大幅度提高了载人飞船的可靠性和有效载荷能力。在&Orion&飞船拥有目前世界上最大的复合材料热防护结构；其主承力结构采用新型树脂基复合材料，大大减轻了结构重量，令隔热层更薄，结构效率更高。其有效载荷能搭乘6名飞行员，返回舱可重复使用10次，其返回舱结构尺寸直径达5米，成本降到1000万美元。
　　无人机在情报、监视、侦察等信息化作战中发挥越来越重要的作用，纵观无人机的发展，从全球鹰到全球观察者，再到西风和秃鹰，超轻超大复合材料结构技术是提高其持续能力、生存能力、可靠性和有效载荷能力革命性跃升的关键。
图3． 几种无人机复合材料用量和续航能力比较
　　上述几个无人机大量使用复合材料，提高了覆盖范围和生存能力；大展弦比机翼不断增大，增长了驻留时间；全复合材料无人机是主流发展方向；超大和超轻结构复合材料是其发展趋势。
1.2范围越来越广
　　先进复合材料在装备中的应用范围越来越广，不仅在航空航天领域进一步扩大，逐步拓展到陆地、海洋、信息等各个领域。
　　近年来，耐高温陶瓷基复合材料在航空发动机一些热端部件的应用取得进展，如F-35 发动机(F136)的第三级涡轮导向叶片，耐温可达1200℃，但是重量比传统材料部件明显减轻(大约只有镍合金的1/3和钛合金的1/2)，这是陶瓷基复合材料在喷气式发动机热端部件的首次工程化应用。
　　树脂基复合材料在航空发动机的较低温区应用效果明显，大幅减重和降低成本，如发动机风扇叶片和风扇机匣等位置，比如GE公司的F404发动机外涵机匣重量和成本均降30%，普惠公司的PW4084和PW4168发动机风扇叶片重量和成本均降30%以上。
　　现代信息化海战对船舰的高隐身、高机动和长寿命提出更高要求，复合材料船舰结构技术将为提升装备生存能力和寿命期可承受成本作出重要贡献。美国加利福尼亚大学教授Robert Asaro说: &同一个多世纪以前在船舶结构中用钢铁代替木材一样，这也将是一场技术革命&。比如美国朱姆沃尔特(Zumwalt)驱逐舰舰体和舱室使用碳纤维夹层复合材料，大幅提高了其隐身性能；美国新概念海军舰艇M80主要结构采用了碳纤维复合材料，时速可达92 km/h，再如世界最先进的全复合材料隐身战斗舰艇&&瑞典的&维斯比&。复合材料的应用在抗腐蚀、轻量化、隐身和降低成本等方面效果明显。
　　复合材料的应用在陆基装备中同样取得大量应用，包括战术导弹结构、发射平台、坦克装甲以及桥梁等技术领域。比如战术导弹的弹体、发射筒就大量采用了复合材料。在21世纪，复合装甲已经成为主战坦克的主要标志，如陶瓷-金属复合材料、编织复合材料等。美国正在研究轻型复合材料便携桥，20-40米，可承受100吨重量，在快速保障，提高生存能力、机动能力、作战能力等方面发挥了重要作用。
　　透波和隐身技术是电子信息战的重要技术领域。隐身材料的发展和应用已成为决定隐身技术发展的关键因素，既能隐身又能承载的多功能复合材料是一个重点研究领域。美国的空对地stanf-off远射导弹 (JASSM) 开始应用，它主要配备给B-52，它的隐身功能的弹身难于被敌发现。JASSM由美国洛马公司开发，进行了纤维创新应用、复合材料弹体由编织复合材料构成，利用RTM工艺制备。美国B-2隐身轰炸机和F/A-22隐身多用途战斗机均在不同部位大量使用了结构型吸波材料，隐身复合材料成为先进隐身飞机、舰船、导弹及其它隐身武器的首选技术之一，大幅提高了生存能力和精确打击能力。
1.3用量越来越大
　　先进复合材料在装备中从非承力、次承力结构向主承力结构和全复合材料结构方向发展迅速，其用量越来越大，得益于TANGO ACT CAI等计划，与原材料和复合材料制备工业界的关系也愈发密切
　　图4给出了几种战斗机的复合材料用量对比图，从F16到F22，从F35再到B-2，复合材料用量越来越大，F-35主要用在了机翼、机身、垂尾、平尾、进气道等位置，而B-2采用翼身融合，广泛应用了层压板、蜂窝夹层结构、混杂，用量达到了50%。
图4． 几种战斗机复合材料用量对比
　　欧洲A400M军用运输机在制造过程中广泛使用了复合材料(英国GKN宇航公司负责为A400M制造复杂的炭合成翼梁)，其有效载荷大大超过现有的美制C－160和C－130大型运输机。该机拥有高悬浮起落装置，可以在短距离内完成起飞和降落；在执行空投和战术飞行过程中，该机拥有很好的低速运行稳定性；该机还具备远距离高速巡航的能力，可以执行长距离机动运输任务。欧洲A400M运输机可以进行空中加油，完成长距续航；同时在两小时内，该机可改装作为空中加油机使用。其复合材料用量达35-40%，其碳纤维复合材料机翼占翼结构重量的85%，减重20-25%，开创了大型复合材料运输机机翼的先例
　　美国空军实验室和洛马公司的先进复合材料运输机(ACCA，现称X-55A)计划，主要验证快速设计与低成本制造大型结构件的可行性。ACCA(X-55)减少零部件(从)和紧固件(从4)，机身全长19.8米全为碳纤维蒙皮和夹层结构，采用非热压罐成型(2010年1月完成了全尺寸的技术验证机)。
1.4需求越来越强烈
　　随着装备向小型化、高性能化、高可靠性发展，其服役环境越来越恶劣、要求越来越苛刻，许多新技术和创新思想受限于材料技术,军用复合材料成为大幅度提高性能、拓展服役条件最为重要的技术途径，需求越来越强烈。
　　美国的SHARP、德国的SHEFEX、意大利的USV等一系列计划都将UHTCC(陶瓷基复合材料)作为重点发展材料，未来滑翔式机动战略弹头、天对地精确打击再入飞行器以及演示验证飞行器上都有巨大应用潜力。2000℃以上长时间非烧蚀的特性要求，使得在全世界范围内开始重视发展UHTCC。
　　长时间超高温结构完整性要求是高超声速飞行器关键部位热防护系统设计首先必须解决的技术瓶颈问题，陶瓷基复合材料体系是最有望成为解决此问题的有效技术途径。美国军方认为超高温陶瓷技术的突破，给飞行器设计带来的革命性的变化，目前UHTC材料作为锐型前缘不影响气动性能的使用温度可达到2830℃，可重复使用温度超过2300 ℃。
图5． 超高温区材料的发展趋势
　　美国DARPA的&综合传感器即是结构&( ISIS：Integrated Sensor is Structure，ISIS)是高分辨率持久信息、监视和侦查能力的创新概念，是一个续航性能极高的战场监视平台，目前来看其艇身材料需求与现状相差较大，大型轻质和多功能复合材料结构是其关键技术瓶颈之一。
2. 复合材料技术发展动态
　　复合材料的原材料、制造和工艺设计与新型复合材料得到了足够的重视和发展。
　　随着复合材料在新一代装备中应用需求不断增加，主导复合材料性能的增强体向高性能、低成本方向跨越性发展。以最具有代表性的增强体碳纤维为例来看，未来几年碳纤维市场需求持续增长，2010年，碳纤维在工业领域的需求占到50%，宇航领域占25%，其它领域占25%。而且继T800、T1000之后，Zylon、HS、M65J、M5等PAN基高强、高模碳纤维以及无机(陶瓷)、有机(PBO、芳纶等)纤维也得到了充分的重视和发展。不仅如此，研究也表明纤维缺陷尺度和石墨片层的有序度是决定纤维性能的两大要素，提高小丝束性能，研发性价比更高的大丝束碳纤维是今后的一个发展方向。而基体材料则强调强韧性、功能性和工艺性的协调发展方向。
图6． 碳纤维的需求趋势
　　随着装备需求的不断扩大，对于树脂基复合材料提出了更多、更高的发展需求，一些双马(BMI)和聚酰亚胺(PI) 类树脂韧性、耐温性不断提高，工艺和成本不断降低。B-2轰炸机尾部使用了新型耐高温聚酰亚胺树脂AFR-PE-4，提高耐温能力和抗声振能力，降低维修成本和时间。
　　复合材料制造工艺非常重要，占复合材料成本比例很大，且对其性能影响很大。自动化、新工艺以及无损检测技术是先进复合材料制备的重点发展方向，以自动铺带技术(ATL)和自动铺丝技术(AFP)为代表的自动化制造装备在大型主承力结欧洲A400M飞机就采用了以铺带技术为主的自动铺放技术。
图7． A400M 大型军用运输机翼梁
　　以非热压釜工艺和液体成型为代表的低成本工艺技术也发挥越来越重要的作用，并有望成为降低复合材料成本的关键技术。利用新工艺使装备的零件数减少一个数量级，更易制造复杂构型结构。比如美国陆军CH -47运输直升机，利用新工艺后，其发动机吊架结构元件总数从277减少到72，这些元件使用的紧固件也从2526减少到845。仅上甲板的元件数就从100个下降到5个。
　　复合材料的设计水平在一定意义上决定其应用水平，应充分发挥复合材料的优越性能，科学设计，减轻重量，提高可靠性，降低成本，不能简单用&好材料&，而是要&用好&材料。
　　复合材料作为一种新材料，随着材料科学、技术和应用水平的不断提高，新型复合材料，如纳米复合材料，智能复合材料以及仿生复合材料不断出现，这也是其技术发展的一大趋势。
3. 我国未来发展的几点思考
　　对于我国而言，复合材料的用量和水平将是制约我国攻防对抗体系的综合能力的主导因素之一，鉴于我们目前的发展现状，应考虑在以下几个进行加强和深化。
　　(1)、高性能增强体的研发，特别是高性能碳纤维的研发非常重要，应进一步加强T300级碳纤维性能稳定性和工程化研究和开发；加强T800、T1000级等中高端国产碳纤维的预先研究，重要装备的发展应立足于国产碳纤维。
　　(2)、从长远发展来看，应在国家层面上继续推动新装备、新工艺发展的重大研究计划，提高我国复合材料的制备能力。国外复合材料在F-22、F-35和B-2等装备上的成功应用，主要依赖于其先进的复合材料工艺和生产装备；虽然Boeing、AirBus都在中国建厂合作生产部件，但装备和工艺方面的核心技术仍受其控制，军用方面的技术更是进行了严格的技术封锁。
　　(3)、进一步加强设计、分析、检测和评价技术研究，提高复合材料应用技术成熟度；准确把握我国复合材料技术现状和趋势，&用好&材料，而不简单是用&好材料&。设计理念上从全寿命周期考虑性能和成本问题，发挥一体化设计优势；不能把压力完全转加给材料，需要认清材料，敢用材料，善用材料。
　　(4)、重视和加强新型复合材料与技术的研发进程，推动概念验证-技术突破-验证转化，与国外同步发展的有潜力的新兴技术不能输在起跑线上。进一步加大基础研究支持范围和力度，包括一些有潜力但暂时还不能产生明显军事效益的技术；建立&概念验证-技术突破-验证转化&的良好机制和加速发展策略!
杜善义院士简介：
　　杜善义(1938& )，辽宁省大连人。哈尔滨工业大学教授、博士生导师，力学和复合材料学家，中国复合材料学会理事长，1964年毕业于中国科学技术大学，1999年当选中国工程院院士，全国人大代表(第十届、第十一届)。
　　现主要兼任：总装备部科技委兼职委员，国家国防科技工业局科技委委员，国家安全重大基础研究计划专家顾问组成员，国家重点基础研究发展计划专家咨询组成员，中国商用飞机有限责任公司专家咨询组成员，国家自然基金委重大研究计划指导专家组组长等职。
　　解决了热防护材料与结构中的若干关键理论与技术问题，突破了材料超高温力学性能测试技术，提出&非烧蚀&防热材料概念；将细观力学推广到先进复合材料力学分析中，提出了&设计/分析/评价&一体化研究方法；发展了随机夹杂理论，在压电、铁电与功能梯度材料等的多场耦合分析和力学性能预报方面做出贡献；开展了智能复合材料与结构研究，为推动其在航空航天和基础设施等领域的应用做了大量开拓性工作；重视和善于人才培养与团队建设，20余人次获国家级人才奖励，团队获国家自然基金委创新群体、国防科技和教育部创新团队资助；在国家多项重大工程与研究计划中担任专家，在论证和实施中发挥重要作用。获国家科技进步二等和三等奖各1项、国家技术发明二等奖1项，省部级一等奖5项，并获光华科技基金一等奖、航天奖和何梁何利科学与技术进步奖。发表论文200余篇，撰写了《复合材料细观力学》、《智能材料系统及结构》等著作10部，已培养了71名博士。C/C复合材料在高超声速飞行器中的应用--《飞航导弹》2013年05期
C/C复合材料在高超声速飞行器中的应用
【摘要】：以高超声速飞行器为应用背景,简要论述了其对材料的技术要求,详细介绍了C/C复合材料的特性及适用性。结合国外相关型号的使用经验,就C/C-SiC复合材料的应用前景做了简要分析。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：V25【正文快照】：
引言高超声速一般指流动或飞行速度超过5倍声速,即Ma≥5。高超声速飞行器是军、民用航空航天领域重要的战略发展方向之一,对未来的国家安全、政治和经济利益都将发挥至关重要的作用,被喻为将是继螺旋桨、喷气式推进飞行器之后世界航空史上的第三次革命。国外高超声速飞行器技
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京公网安备75号高超声速飞行器热结构材料气动热冲击模拟研究--《哈尔滨工业大学》2014年硕士论文
高超声速飞行器热结构材料气动热冲击模拟研究
【摘要】：高超声速飞行器的飞行速度要达到5马赫数以上，是目前航天航空领域的研究前沿。高超声速飞行器的关键技术之一就是气动热防护问题。飞行器在大气层中高速飞行时，由于机体对气流的粘滞作用，致使机体表面边界层空气受到强烈压缩和摩擦作用，大大增加气体内能，产生温度骤升现象。研究气动加热的内在机理，提升热防护技术，对于保护高超声速飞行器的弹体不受破坏及内部设备功能不受影响，显得极为重要。
经过近几十年的发展，高超声速飞行器气动热的研究已经取得了初步的成果，并得到了流场特性与结构特性分布规律，奠定了一定的理论基础。随着研究的逐步深入，又出现了更多的问题，比如高超声速流场产生的边界层转捩现象及复杂高超声速流-热-固耦合场等。本文针对以上问题进行了相关的模拟研究。
本文首先研究了典型模型高超声速气动加热外流场的数值模拟。通过与实验数据的对比验证，来比较不同湍流模型在计算高超声速气动加热时的适用性。并在此基础上，探讨不同马赫数、不同攻角、不同壁面温度以及不同来流湍流强度对模拟结果的影响。然后研究了高超声速飞行器流-热-固耦合的数值模拟。分别采用单向耦合与双向耦合两种耦合方法，对飞行器锥体的流-热-固耦合场进行了研究分析，并在此基础上进行了结构材料的优化设计，增强抗气动热冲击的能力。
对典型模型高超声速气动加热外流场的数值模拟结果显示，不考虑边界层转捩时，三种二方程湍流模型中，SST k-ω模型的模拟结果优于标准k-模型和标准k-ω模型。且不同马赫数和不同攻角下，SST k-ω模型均能准确的模拟双椭球高超声速气动热的外流场。此外，考虑边界层转捩时，一方程湍流模型和二方程湍流模型均不能预测边界层转捩，而三方程湍流模型-Transition k-kl-ω模型能准确的预测边界层转捩的发生和模拟转捩对传热所产生的影响。壁面传热和自由来流湍流强度均对边界层转捩位置产生影响，而来流马赫数对边界层转捩的影响仅仅体现在转捩后的热流密度值不同。网格质量以及关键部位的网格疏密程度很大程度上决定了模拟的准确性。在计算高超声速流动时，壁面处网格y+值应小于1。
对高超声速飞行器流-热-固耦合的数值模拟结果表明，双向耦合方法能够较准确的模拟飞行器锥体的流-热-固耦合场。单向耦合方法计算结果存在顶端节点温度较高，且锥头部温度梯度较大，热变形梯度也较大，高温区与高变形区都集中于顶端区域。双向耦合方法解决了单向耦合方法的上述问题。顶端区域温度梯度相对单向耦合较低，高温区的壁面的热流密度下降；由温度变化引起的结构热变形梯度较小，热应力也较低。利用双向耦合方法计算得出的壁面温度，随着时间推移会逐渐升高，且升高速率逐渐降低，且壁面温度的分布与热流密度的分布呈正相关。应用C/SiC复合材料作为锥头材料，相对30CrMnSiA合金钢和Nb合金锥头温度较高，但在C/SiC复合材料的适用范围之内，而热变形最低。不仅具有抵抗热冲击的能力，还起到了隔热的作用。因此C/SiC复合材料锥头增强了飞行器抗气动热冲击的能力。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TK124;V411.4【目录】：
摘要4-6Abstract6-11第1章 绪论11-20 1.1 引言11-13 1.2 气动热简介13-14 1.3 外流场气动加热数值模拟方法14-15 1.4 内部温度场及应力场数值模拟方法15-16 1.5 数值模拟研究现状16-19
1.5.1 外流场气动加热数值模拟现状16-18
1.5.2 内部温度场及应力场耦合数值模拟现状18-19 1.6 本文研究内容19 1.7 本章小结19-20第2章 数学模型20-34 2.1 引言20 2.2 流动模型20-31
2.2.1 控制方程20-22
2.2.2 湍流模型22-30
2.2.3 初始条件和边界条件30-31 2.3 结构模型31-32 2.4 强度理论32-33 2.5 本章小结33-34第3章 典型模型高超声速气动加热外流场分析34-50 3.1 引言34 3.2 双椭球模型高超声速气动加热模拟分析34-43
3.2.1 模拟概况34-35
3.2.2 建立模型35-36
3.2.3 网格划分36
3.2.4 边界条件设定36
3.2.5 求解参数设定36-37
3.2.6 模拟结果及分析37-43 3.3 高超声速飞行器 HIFIRE-1 气动加热模拟分析43-49
3.3.1 模拟概况43-44
3.3.2 建立模型44-45
3.3.3 网格划分45
3.3.4 边界条件设定45
3.3.5 求解参数设定45-46
3.3.6 模拟结果及分析46-49 3.4 本章小结49-50第4章 高超声速飞行器流-热-固耦合模拟50-68 4.1 引言50 4.2 飞行器结构建模与参数设定50-52
4.2.1 几何模型50-51
4.2.2 网格化分51
4.2.3 求解参数设定51-52 4.3 外流场建模与参数设定52-53
4.3.1 网格化分52-53
4.3.2 边界条件及初始条件53 4.4 模拟结果及分析53-60
4.4.1 单向耦合结果及分析53-56
4.4.2 双向耦合结果及分析56-60 4.5 结构优化设计60-66
4.5.1 设计方案60-61
4.5.2 模拟结果及分析61-66 4.6 本章小结66-68结论68-70参考文献70-74攻读学位期间发表的学术论文74-76致谢76
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