先進復合材料講義匯總典藏版

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層壓結構

復合材料由混合在一起以達到特定結構性能的材料組合而成。單體材料不會完全溶解或融合在復合材料中，但它們會作為一個整體一起作用。通常情況下，組件之間的接口可以被物理識別。復合材料的性能優于由其構成的單體材料的性能。

一種先進的復合材料是由溶入樹脂基體的纖維材料制成的，通常由交替定向的纖維層壓，以提供材料的強度和剛度。纖維材料并不常見;木材是人類所知的最常見的纖維結構材料。

復合材料在飛機上的應用包括

?導流板

?飛行控制面

?起落架門

?機翼和穩定器的前緣和后緣板

?內部組件

?地板梁和地板面板

?大型飛機的垂直和水平穩定器主結構

?新一代大型飛機的主要機翼和機身結構

?渦輪發動機風扇葉片

?螺旋槳

層壓板的主要成分

各向同性材料在所有方向上都具有均勻的性質(指同一材料的等向性)。各向同性材料的測量性質與測試軸無關。以金屬材料的鋁和鈦為例來說明各向同性材料的例證。

纖維是復合材料的主要承載元素。復合材料只有在纖維的方向上才有強度和硬度。單向復合材料在一個方向上具有主要的力學性能，被稱為各向異性，其力學或物理性能與材料固有的自然參考軸的方向不同。由纖維增強復合材料制成的部件可以設計成纖維取向產生最佳的機械性能，但它們只能接近金屬的真正各向同性性能，如鋁和鈦。

復合基質支撐著纖維，并將它們粘結在復合材料中?；w將任何施加的載荷轉移到纖維上，使纖維保持在其位置和選擇的方向，給出復合材料的環境電阻，并確定復合材料的最高使用溫度。

強度特性

復合材料層壓板的結構性能，如剛度、維度穩定性和強度，取決于層壓的堆疊順序。堆疊順序描述了層壓板厚度中鋪層方向的分布。隨著具有選擇方向層數的增加，更多的堆疊順序是可能的。例如，一個具有四種不同鋪層方向的對稱八層層壓板有24種不同的堆疊順序。

纖維方向

復合材料的強度和剛度取決于鋪層的定向順序。碳纖維的實際強度和剛度范圍從低至高，如玻璃纖維提供的強度和剛度值，高至鈦纖維提供的強度和剛度值。這個值的范圍是由層壓對施加的負載的方向決定的。在先進復合材料中，適當選擇鋪層方向是提供結構高效設計的必要條件。該部分可能需要0°層反應軸向負荷，±45°層反應剪切負荷，90°層反應側負荷。因為強度設計要求是施加荷載方向的函數，所以鋪層方向和鋪層順序必須正確。在修復過程中，用相同材料和方向的層替換每一層損壞的層是至關重要的。

單體材料中的纖維在一個方向上運動，強度和剛度只在纖維的方向上。預浸料(預浸膠膜)膠帶是單向鋪層定向的一個例子。

雙向材料中的纖維在兩個方向上流動，通常間隔90°。平紋結構是雙向鋪層方向的一個例子。這些鋪層方向在兩個方向上都有強度，但強度不一定相同。如圖1所示

準各向同層鋪的層序為0°、-45°、45°和90°或0°、-60°和60°。如圖2所示,這些類型的鋪層取向模擬各向同性材料的特性。許多航空復合材料結構是由準各向同性材料制成的。

雙向和單向鋪層材料性能

對稱各向同性材料鋪層

縱向

經向是指織物的縱向纖維。由于纖維的直線度，經向是高強度的方向。翹曲經向用于在圖表、規格表或制造商的表上描述纖維的方向。如果織物上沒有翹曲方向，當織物從卷上下來時，翹曲方向默認為零。因此，90°到零是織物的寬度。如圖3所示

扭曲鎖定

纖維形態

所有的產品形式通常都是從單向線的原纖維開始，包裝成連續的股。一根單獨的纖維叫做細絲?！熬€”這個詞也被用來表示一種單獨的玻璃纖維。成束的細絲可分為細紗、紗線或粗紗。玻璃纖維紗線是扭曲的，而kevlar®紗線不是。絲束和粗紗沒有任何扭力。大多數纖維都是干纖維，在使用前需要用樹脂浸漬(預浸漬)，或在樹脂已經涂在纖維上的地方用預浸漬材料。

粗纖（紗束）

粗纖是一組細絲或纖維末端，如20端或60端玻璃粗紗。所有細絲方向一致，不扭曲。碳纖維粗紗通常被確定為3K、6K或12K粗紗，K表示1000根絲。大多數粗紗產品的應用都是利用芯軸進行纖維纏繞，然后樹脂固化到最終配置。

單向(帶)

單向預浸帶多年來一直是航空航天工業的標準，纖維通常是浸漬熱固性樹脂。最常見的制備方法是將準直的生(干)股拉入浸漬機，在浸漬機中，熱熔樹脂通過加熱和壓力與股結合。膠帶產品在纖維方向上有很高的強度，而在纖維上幾乎沒有強度。纖維被樹脂固定住。膠帶的強度比機織織物高。如圖4所示

膠帶和織物制品

雙向(織物)

對于復雜形狀的層疊，大多數織物結構比直接的單向膠帶提供了更多的靈活性?？椢锾峁┝送ㄟ^溶液或熱熔工藝浸漬樹脂的選擇。通常，用于結構應用的織物在經線(縱向)和緯線(橫向)兩個方向使用相同重量或屈服度的纖維或股。對于航空航天結構，緊密編織的織物通常是節省重量的選擇，減少樹脂空洞的大小，并在制造過程中保持纖維的取向。

織物結構通常由加固的增強絲束、股或紗線在織造過程中相互交錯而成。更常見的織物款式是平織或緞紋編織。平紋編織結構是由每根纖維在每根交叉的股(束、束或紗)上面和下面交替形成的。在常見的緞面織法中，如5束或8束，纖維束在經紗方向和緯紗方向上來回移動的頻率較低。

這些緞紋織物比平紋織物卷曲少，更容易變形。在平紋織物和大多數5或8束織物中，經向和緯紗方向的纖維股數相等。例如:3K平織通常有一個額外的名稱，如12 x 12，這意味著每英寸在每個方向上有12個牽引。此計數名稱可以改變，以增加或減少織物重量，或適應不同重量的不同纖維。如圖5所示

典型的織物編織風格

非織造物(編織或縫制)

編織物或縫紉織物可以提供許多單向膠帶的機械優點。纖維的放置可以是直的或單向的，沒有機織織物的上下轉彎。經預先選定的一層或多層干板方向后，用細紗或細線縫合，使纖維固定。這些類型的織物提供了廣泛的多層定向。雖然可能會增加一些重量或失去一些最終增強纖維性能，但可能會實現層間剪切和韌性性能的某些提高。一些常見的縫紉紗線是滌綸、芳綸或熱塑性塑料。如圖6所示

非織造材料(縫合)

纖維的種類

玻璃纖維

玻璃纖維常用于飛機的二級結構，如整流罩、天線罩和翼尖。玻璃纖維也用于直升機旋翼葉片。有幾種類型的玻璃纖維用于航空工業。電子玻纖，或E-glass，被認定為這樣的電子應用。它對電流有很高的阻力。電子玻纖是由硼硅酸鹽玻璃纖維制成的。S-glass和S2-glass是比E-glass具有更高強度的結構玻璃纖維。S-glass玻璃纖維是由鎂鋁硅酸鹽制成的。玻璃纖維的優點是成本低于其他復合材料，耐化學或電腐蝕，以及電學性能(玻璃纖維不導電)。玻璃纖維呈白色，可作為干纖維織物或預浸料使用。

芳綸纖維

凱夫拉(Kevlar)是杜邦公司芳綸纖維的名稱。芳綸纖維重量輕、結實、堅韌。兩種芳綸纖維用于航空工業。Kevlar®49具有高剛度，而Kevlar®29具有低剛度。芳綸纖維的一個優點是抗沖擊損傷能力強，因此常用于易受沖擊損傷的區域。芳綸纖維的主要缺點是在壓縮性和吸濕性方面普遍存在缺陷。服役報告表明，一些由kevlar®制成的部件在水中吸收高達8%的重量。因此，由芳綸纖維制成的零件需要受到環境的保護。另一個缺點是凱夫拉纖維很難鉆孔和切割。纖維很容易起毛，需要專門的剪刀來剪切。

凱夫拉纖維通常用于軍事彈道和防彈衣應用。它有天然的黃色，可作為干織物和預浸料。芳綸纖維束的大小不像碳纖維或玻璃纖維那樣取決于纖維的數量，而是取決于重量。

碳纖維/石墨纖維

此纖維之間的第一個區別是碳纖維和石墨纖維之間的區別，盡管這兩個術語經?；Q使用。碳纖維和石墨纖維是基于碳中的單層石墨(六邊型)層網絡。如果單層石墨層或平面按三維順序堆疊，則該材料被定義為石墨。通常需要延長時間和溫度加工形成這種順序，使石墨纖維更昂貴。平面間的鍵合很弱。無序經常發生，以至于在層中只存在二維順序。這種物質被定義為碳纖維。

碳纖維非常堅韌，硬度是玻璃纖維的3到10倍。碳纖維用于飛機結構應用，如底梁，穩定器，飛行控制，以及主機身和機翼結構。優點是強度高、耐腐蝕。缺點包括導電性比鋁低;因此，對于容易受到雷擊的飛機部件，必須安裝防雷網或防雷涂層。碳纖維的另一個缺點是成本高。碳纖維是灰或黑的顏色，可作為干織物和預浸料。當與金屬緊固件和結構一起使用時，碳纖維有引起電偶腐蝕的高潛力。

玻璃纖維(左)，芳綸纖維(中)，碳纖維材料(右)

硼纖維

硼纖維非常堅硬，具有很高的抗拉和抗壓強度。纖維的直徑比較大，彎曲性不好;因此，它們只能作為預浸料膠帶產品。環氧樹脂基體常與硼纖維一起使用。硼纖維用于修復開裂的鋁飛機外殼，因為硼的熱膨脹接近鋁，沒有電偶腐蝕的潛力。如果基材表面有一個輪廓形狀，硼纖維就很難使用。硼纖維非常昂貴，對人員可能有危險。硼纖維主要用于軍事航空領域。

陶瓷纖維

陶瓷纖維用于高溫應用，如燃氣渦輪發動機的渦輪葉片。陶瓷纖維可用于高達2200°F的溫度。

防雷光纖

鋁制飛機的導電性很好，能夠驅散雷擊產生的大電流。碳纖維對電流的電阻是鋁的1000倍，環氧樹脂的電阻是1,000,000倍(即垂直于表皮)。外部復合材料部件的表面通常由一層或一層導電材料組成，用于防雷，因為復合材料的導電性比鋁低。許多不同類型的導電材料被使用，從鍍鎳石墨布到金屬網到鋁化玻璃纖維到導電涂料。該材料可用于濕鋪層或預浸料。

除了正常的結構修復，技術人員還必須重新創造設計到部件的導電性。這類修復通常需要用電阻表進行導電性測試，以驗證整個結構的最小電阻。當修理這些類型的結構時，非常重要的是只使用來自授權供應商的批準材料，包括諸如灌封化合物、密封劑、粘合劑等。如圖8和圖9所示

銅網防雷材料

鋁網防雷材料

基質材料

熱固性樹脂

樹脂是指聚合物的通稱。樹脂及其化學成分和物理性能從根本上影響復合材料的加工、制造和最終性能。熱固性樹脂是所有人造材料中最多樣和應用最廣泛的。它們很容易被澆鑄或形成任何形狀，與大多數其他材料兼容，而且很容易(通過加熱或催化劑)固化為不溶性固體。熱固性樹脂也是很好的粘合劑和粘接劑。

聚酯樹脂

聚酯樹脂是相對便宜且易加工的樹脂，通常用于低成本的應用。低煙聚酯樹脂用于飛機的內部部件。纖維增強聚酯可采用多種加工方法。常用的加工方法有配套金屬模具成型、濕鋪層壓(真空袋)成型、注塑成型、纖維纏繞、拉擠和高壓蒸汽。

乙烯基酯樹脂

乙烯基酯樹脂的外觀、處理性能和固化特性具有與常規樹脂相同的聚酯樹脂。但是，耐蝕性和乙烯基酯復合材料的力學性能比標準聚酯樹脂復合材料有很大提高。

酚醛樹脂

酚醛樹脂在20世紀初被首次用于市場商業化生產。尿素甲醛和三聚氰胺甲醛在20世紀20-30年代作為較低成本的低溫使用的替代品出現。酚醛樹脂因其低煙和低可燃性的特點而被用于室內部件。

環氧樹脂

環氧樹脂是可聚合的熱固性樹脂，具有從液體到固體的各種粘度。環氧樹脂有許多不同的類型，技術人員應該以使用維護手冊來選擇正確的類型進行特定的修復。環氧樹脂廣泛應用于預浸料和結構粘合劑。環氧樹脂的優點是強度和模量高，揮發物含量低，附著力好，收縮率低，耐化學性好，易于加工。它們的主要缺點是易碎和在水分的存在下性能下降。環氧樹脂的加工或固化比聚酯樹脂慢。加工工藝包括高壓罐成型、纖維纏繞、模壓成型、真空袋成型、樹脂轉移成型和拉擠成型。固化溫度范圍從室溫到大約350°F(180°C)。最常見的固化溫度范圍在250°至350°F(120-180°C)之間。如圖10所示

兩種帶泵濕式環氧樹脂分配器鋪層系統

聚酰亞胺

聚酰亞胺樹脂在高溫環境中表現優異，其耐熱性、氧化穩定性、低熱膨脹系數和耐溶劑性有利于設計。它們的主要用途是電路板、熱發動機和機體結構。聚酰亞胺可以是熱固性樹脂或熱塑性塑料。聚酰亞胺需要較高的固化溫度，通常超過550°F(290°C)。因此，普通的環氧復合袋裝材料是不可用的，鋼制工裝成為一種必需品。使用聚酰亞胺袋裝和釋放膜，如Kapton®。Upilex®取代較低成本的尼龍套袋和聚四氟乙烯(PTFE)脫模膜是非常重要的環氧復合材料加工常見的程序。

玻璃纖維面層由于聚酯纖維的熔點低，必須用可排放透氣材料來代替聚酯纖維作為墊料。

聚苯并咪唑(PBI)

聚苯并咪唑樹脂具有極強的耐高溫性能，用于耐高溫材料。這些樹脂可用作粘合劑和纖維。

雙馬來酰亞胺(BMI)

雙馬來酰亞胺樹脂比環氧樹脂具有更高的耐溫能力和更高的韌性，并且在環境和高溫下都具有優異的性能。雙馬來酰亞胺樹脂的處理方法與環氧樹脂類似。BMI用于航空發動機和高溫部件。BMIs適用于標準的熱壓罐加工，注塑成型，樹脂鑄模成型，模壓復合成型(SMC)等。

熱塑性樹脂

熱塑性材料可以通過溫度升高反復軟化，并通過溫度降低反復硬化。加工速度是熱塑性材料的主要優點。材料在加工過程中不發生化學固化，材料在柔軟時可通過模壓或擠壓成型。

半晶熱塑性塑料

半晶熱塑性塑料具有固定的阻燃性能，優越的韌性，良好的高溫和沖擊后的機械性能，及低吸濕性。它們用于二級和一級飛機結構。與增強纖維結合，它們可用于注塑成型化合物，可壓縮成型的隨機薄板，單向膠模，由預浸絲束(預浸絲料)制成的預浸料，和織物預浸料。浸漬在半晶熱塑性塑料中的纖維包括碳纖維，鍍鎳碳，芳綸，玻璃纖維，石英和其他。

非晶熱塑性塑料

非晶態熱塑性塑料有多種物理形態，包括薄膜、絲狀和粉末。與增強纖維結合，它們也可用于注塑復合材料，可壓縮成型的隨機薄板，單向膠模，編織預浸料等。所用的纖維主要是碳纖維、芳綸和玻璃纖維。非晶態熱塑性塑料的特殊優勢取決于聚合物。通常，這種樹脂以其加工方便、速度、高溫能力、良好的機械性能、優異的韌性和沖擊強度以及化學穩定性而聞名。穩定性的結果在于無限的貯存壽命期，消除了熱固性預浸料冷貯存的要求。

聚醚醚酮(PEEK)

聚醚醚酮，俗稱PEEK，是一種高溫熱塑性塑料。這種芳香族酮材料具有優異的高熱和燃燒特性，并耐各種溶劑和專有溶流體。PEEK也可以用玻璃纖維和碳纖維加強體。

樹脂的固化階段

熱固性樹脂使用化學反應固化。有三個固化階段，分別稱為A、B和C。

?A階段:樹脂組分(基材和固化劑)已經混合，但化學反應還沒有開始。在濕鋪層過程中，樹脂處于A階段。

?B階段:樹脂的組分已經混合，化學反應已經開始。這時材料變厚且很粘。預浸料的樹脂處于B階段。為了防止進一步固化，將樹脂放在0°F的冰箱中。在冷凍狀態下，預浸料的樹脂停留在B段。當材料從冰箱中取出并再次加熱時，就開始固化。

?C階段:樹脂完全固化。有些樹脂在室溫下固化，有些則需要高溫固化循環才能完全充分固化。

預浸料產品(Prepregs)

預浸料由基體和增強纖維組合而成。它有單向形式(一個增強方向)和織物層壓形式(幾個增強方向)。所有五種主要的基體樹脂家族都可以用于浸漬各種纖維形態。然后樹脂不再處于低粘度階段，但已被推進到B級固化水平，以獲得更好的處理特性。以下產品可采用預浸料形式:單向膠模、機織纖維物、連續紗束和碎切墊。預浸料必須在0°F以下的冰箱中存儲，以延緩固化過程。預浸料用升高的溫度固化。航空航天中使用的許多預浸材料都是用環氧樹脂浸漬的，它們在250華氏度或350華氏度下固化。預浸料用高壓釜、烤箱或熱毯固化。他們通常購買和儲存在一個密封的塑料袋卷，以避免水分污染。如圖11所示

膠膜和織物預浸料

干纖維材料

干纖維材料，如碳纖維，玻璃纖維和kevlar®，用于許多飛機維修程序。在修復工作開始之前，干燥的織物被樹脂浸漬。這個過程通常被稱為濕鋪層。采用濕鋪層工藝的主要優點是纖維和樹脂可以在室溫下長時間保存。復合材料可以在室溫下固化，也可以用高溫固化來加快固化過程，增加強度。缺點是工藝混亂，強化材料的性能低于預浸料的性能。如圖12所示

干織物材料(從上到下:鋁防雷材料，kevlar®，玻璃纖維和碳纖維)

助劑（觸變劑）

助劑（觸變性劑）靜止時呈凝膠狀，攪動時變為液體。這些材料具有較高的靜剪強度和較低的動剪強度，同時在應力作用下失去粘度。

粘合劑

膠膜粘合劑

用于航空航天的結構粘合劑通常以薄膜形式提供，支撐在脫模紙上，并在冷藏條件下(-18°C,或0°F)存儲。薄膜膠粘劑可使用高溫芳香胺或催化固化劑與廣泛的柔韌劑和增韌劑。橡膠增韌環氧膜膠粘劑廣泛應用于航空工業。121-177°C(250-350°F)的溫度上限通常取決于所需的增韌程度以及樹脂和固化劑的總體選擇。一般來說，增韌樹脂會導致較低的使用溫度。薄膜材料通常由纖維支撐，以改善固化前對薄膜的處理，控制粘接過程中的膠粘劑流動，并協助控制粘接線的厚度。纖維可制成定向隨意的短纖維氈，也可制成編織布。常見的纖維有聚酯纖維、聚酰胺纖維(尼龍)和玻璃纖維。含有編織布的膠粘劑，由于水被纖維吸干，可能有輕微的環境性能退化。由于粘接過程中不受限制的纖維會移動，所以隨意墊布在控制薄膜厚度方面不如編織布有效。紡捻無紡布不動，因此被廣泛使用。如圖13及14所示

使用薄膜膠粘劑,凱夫拉®,玻璃纖維和碳纖維

一卷膠膜

膠粘劑

粘貼膠粘劑作為薄膜粘合劑的替代品。這些通常用于二次粘結修復補丁的損壞部件,并在薄膜膠粘劑難以應用的地方使用。在環氧樹脂中,主要是用漿料粘在結構粘結劑上。一個部分和兩個部分系統是可用的。粘貼膠粘劑的優點是可以儲存在室溫下,有很長的保質期。缺點是粘結線厚度很難控制,影響了粘接的強度。

當粘貼膠粘劑時,可以使織布在粘合過程中保持膠粘狀態。如圖15所示

A B混合膠粘劑

發泡膠粘劑

大多數發泡膠粘劑均為0.025英寸至0.10英寸厚的B級環氧樹脂。泡沫膠粘劑固化于250°F（121℃）或350°F（176℃）。在固化周期中,發泡膠粘劑展開。發泡膠粘劑需要儲存在冰箱里,就像預浸料一樣,它們的儲存壽命有限。在預修復中,發泡膠粘劑被用來在夾層結構中拼接在蜂窩上,并在現有的核心中修復。如圖16所示

使用發泡膠粘劑

夾層結構說明（三明治結構描述）

理論上,夾層結構是一種結構面板概念,它由兩種相對較薄、平行的面層組成,由一個相對厚或輕的芯材分開。該芯材支持面岑對抗彎曲和抵抗自平面剪切載荷。芯材必須具有高剪切強度和壓縮剛度。復合夾層結構通常是用高壓罐固化、壓力機固化或真空袋固化而制造的。表皮層疊可以預先固化,然后再共固化操作中結合在一起,或結合兩種方法。蜂窩狀結構的例子是:機翼破壞,滑石,副翼,襟翼,機艙,地板,和舵。如圖17所示

蜂窩夾層結構

性能

在鋁和復合板層結構的比較中,夾層結構的彎曲剛度非常高。大多數蜂窩都是各向異性,即屬性是定向的。如圖18所示，說明了使用蜂窩結構的優點。增加巖心厚度大大提高了蜂窩結構的剛度,而重量增加最小。由于蜂窩狀結構的高剛度,沒有必要使用外部硬板,如同梁架。如圖18所示

蜂窩夾層材料的強度和剛度與固體層壓相比值

表面材料

大多數在飛機施工中使用的蜂窩結構有鋁、玻璃纖維、kevlar®或碳纖維面材。碳纖維表面板不能與鋁蜂窩芯材料一起使用,因為它導致鋁腐蝕。在高溫結構中,鈦和鋼用于特種應用。許多組件的面材,如擾流板和飛行控制,都非常薄,有時只有3到4個厚度（指mm）。參數報告顯示,這些面材板沒有良好的沖擊阻力。

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