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1、1,1.5 复合材料的特性,聚合物基复合材料是复合材料中发展最迅速、应用最广泛的一类复合材料。1.5.1 比强度、比模量（刚度）高比强度是材料强度与密度之比值即：比强度=强度/密度 MPa/（g/cm3）质量相等的前提下，衡量材料承载能力；比模量是材料模量与密度之比值即：比模量=模量/密度 GPa/（g/cm3）。质量相等的前提下，刚度特性指标；一般比强度愈大，原料自重就愈小；比模量越大，零件的刚性就愈大。据估计，当用复合材料和用高强度钢制成具有相同强度的零件时，其重量可减轻70左右，这对于需要减轻材料重量的构件具有十分重大的意义。,2,表1-1 一些常用材料及纤维复合材料的比强度、比模量,3
2、,由表1-1可见：复合材料的高比强度和高比模量来源于增强纤维的高性能和低密度。,碳纤维树脂基复合材料表现了较高的比模量和比强度。作用：在强度和刚度相同的情况下，结构质量可以减轻，或尺寸减小。这在节省能源，提高构件的使用性能方面，是现有其他材料所不能比拟的。,1.5.1 比强度、比模量（刚度）高,4,碳纤维复合材料与钢、铝材料性能比较,1.5.1 比强度、比模量（刚度）高,5,6,1.5.2 耐疲劳性能好，破损安全性能高疲劳：工程构件在服役过程中，由于承受变动载荷或反复承受应力和应变，即使应力低于屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩展，以至构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏。疲劳破坏过程的三个组成
3、部分 裂纹萌生成核 裂纹扩展 最终断裂 成核的条件 缺陷、局部应力集中 其它杂质等。,7,疲劳破坏的种类不同：金属 突发性破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的30%50%碳纤维/聚酯复合材料 有预兆破坏 疲劳强度极限是其拉伸强度的70%80%原因：复合材料的破坏经历基体开裂、界面脱粘、纤维拔出，断裂等一系列损伤的发展过程。基体中有大量独立的纤维，当少数纤维发生断裂时，其失去部分载荷又会通过基体传递而迅速分散到其他完好的纤维上去，复合材料在短期内不会因此而丧失承载能力。故复合材料疲劳破坏前有预兆，疲劳极限比较高。,1.5.2 耐疲劳性能好，破损安全性能高,8,共振的危害,阻尼减振性好,9,阻尼减振性
4、好的原因：复合材料的比模量高，所以它的自振频率很高，不容易发生共振而快速脆断；受力结构的自振频率有关因素：结构形状 比模量的平方根 复合材料中的基体界面具有吸震能力，使材料的振动阻尼很高，一旦振起来，在较短的时间内也可以停下来。,阻尼减振性好,10,（1）瞬时耐高温性、耐烧蚀性好；例如：玻璃纤维增强塑料(glass-fiber reinforced plastics，GFRP)1942年问世，是应用最广的复合材料，强度可与钢媲美，俗称玻璃钢。是复合材料的鼻祖。具有优异的耐烧蚀性、轻量性和强度特性等，玻璃钢的用途很广，涉及国防、航空、宇航、机械、交通运输和人民生活的许多方面。由于它的导热系数只有
5、金属材料的1%，同时可制成具有高比热容，熔融热和汽化热的材料，被用来制造人造卫星、导弹和火箭的外壳（耐烧蚀层）。,1.5.4 具有多种功能性,11,12,13,当飞行器在稠密大气中作超音速飞行时，受激波与机体间高温压缩气体的加热和机体表面与空气强烈摩擦的影响，飞行器蒙皮的温度会随M数的提高而急剧上升。飞行 M数为 2.0时，机头处的温度略超过100。而当 M数等于3.0时，飞行器表面的温度则升至350左右，已超过了铝合金的极限温度，使其强度大大削弱。航空界把飞行器作高速飞行时所遭遇到的这种高温情况称之为“热障”。一般把M数 2.5作为“热障”的界线，低于这一值，气动加热不严重，可用常规的方法和
6、材料设计、制造飞机；高于该值，则必须采取克服气动加热问题的措施，如用耐高温的钢或钛合金制造飞机的蒙皮和框架等。宇宙飞船和返回式卫星在重返大气层时，M数更高，它们的外表温度可达 1000多度。为保证其不致被烧毁，飞船和返回式卫星的头部得用烧蚀材料包上一层，让它在高温时烧掉，以吸收气动加热时产生的热能。,14,M代表马赫，马赫数的命名是为了纪念奥地利学者马赫(Ernst Mach,1838-1916)马赫就是声速，1马赫=340M/s.1马赫=每小时1126公里,大概是一倍音速.马赫数，气流速度V与当地声（音）速a之比，简称Ma数。飞机的飞行速度常以马赫数表示，当其飞行速度小于当地音速时，则马赫数
7、小于1，反之，飞行速度大于当地音速时，马赫数则大于1。一般把马赫数小于或等于0.4的飞行称为低速飞行，马赫数在0.75至1.2（或1.4）之间称为亚音速飞行，马赫数在1.2（或1.4）至5之间称为超音速飞行，马赫数大于5时则称为高超音速飞行。,15,热 障 与 宇 宙 飞 行 器在晴朗的夜晚，仰望灿烂星空，有时会看到耀眼的陨星，倏忽即逝。它为什么会发光呢？原来，这是高速飞行的陨星进入大气层与空气剧烈摩擦，猛烈燃烧而发出的光亮。当宇宙航天器完成任务返回地球时，面临着与陨星同样的残酷生存环境。研究表明，当宇宙飞行器的飞行速度达到3倍声速时，其前端温度可达330；当飞行速度为6倍声 速时，可达148
8、0。宇宙飞行器遨游太空归来，到达离地面60-70千米时，速度仍然保持在声速的20多倍，温 度在10000以上，这样的高温足以把航天器化作一团烈火。高速导致高温这似乎是一道不可逾越的障碍，人们把这种障碍称为热障。显然热障并没有阻挡住人类挺进宇 宙的步伐，那么科学家们是如何服热障，使航天器安全回家的呢？,16,陨石穿越太空到达地球的神奇经历给了科学家们以特殊的启迪。分析陨石的成分和结构发现，陨石表面虽然已经熔融，但内部的化学成分没有发生变化。这说明陨石在下落过程中，表面因摩擦生热达到几千度高温而熔融，但由于穿过大气层的时间很短，热量来不及传到陨石内部。给宇宙飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料制成“盔甲”
9、，把摩擦产生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、气化等一系列物理和化学变化中，“丢卒保车”就能达到保护宇宙飞行器的目的。一位宇航员描述了宇宙飞船闯过热障的壮观景象：飞船进入大气层，首先从舷窗中 看到烟雾，然后出现五彩缤纷的火焰，同时发出噼噼啪啪的声音。这是飞船头部的烧蚀材料在燃烧，它们牺牲了自己，把飞船内的温度始终维持在常温范围，保护飞船平安返回地面。作为烧蚀材料，要求气化热大，热容量大，绝热性好，向外界辐射热量的本领强。,17,玻璃钢不反射无线电波，微波透过性好，是制造雷达罩的理想材料。由于它显示了其它工业材料无以伦比的许多优异特性，而在材料科学界引起了强烈反响，它启迪人们去寻求新的增强纤维，以开发
10、性能更加优越的新型复合材料。,（2）优异的电绝缘性能和高频介电性能；,18,雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备。电磁波遇到障碍物要发生反射，雷达就是利用电磁波的反射来工作的.波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射性能越强，因此雷达用的是微波波段的无线电波.雷达有一个特制的可以转动的天线，它能向一定的方向发射不连续的无线电波.每次发射的时间约为百万分之一秒，两次发射的时间间隔大约是发射时间的一百倍.发射出去的无线电波遇到障碍物时，可以在这个时间间隔内反射回来为天线接收.,19,（3）良好的摩擦性能；优良的耐腐蚀性；有特殊的光学、电学、磁学。例如：碳纤维增强塑料(carbon-fibe
11、r reinforced plastics，CFRP)是最有代表性、性能最优越的塑料(即树脂)基复合材料优点碳纤维的强度比钢大四倍，重量只有钢的14，比铝还轻。碳纤维复合材料广泛应用在航空工业中。与玻璃钢相比，强度高0.51倍，弹性模量高24倍，同时还具有多种功能。包括：很高的耐腐蚀性；优良的热特性(绝热性，隔热性和尺寸稳定性等)；一定的电性能(通电发热，防静电干扰，导电性等)；滑动特性(耐磨性，润滑性)；减振性能(减振防噪等)；放射线特性(X射线透过性)等。它的优异性能是其它纤维增强塑料无法比拟的。,20,原生态撑杆开创历史 1789年，德国人普茨跳过了1.83米，这或许是历史上第一个有案可
12、查的撑杆跳纪录。然而两百多年后，只一个年纪轻轻的姑娘便可以轻而易举地越过5米的高度。长久以来，人们不断地尝试让自己的身体更接近天空，同时我们所借助的撑杆也经历了一段漫长的演变。1896年第一届奥运会，美国运动员威廉霍亚特靠着笨重、坚硬的山胡桃木创造了3.3米的世界纪录。12年后的伦敦奥运会是撑杆跳高历史上的一个里程碑，美国耶鲁大学学生吉尔伯特第一次使用竹竿跳过3.71米获得冠军。中国第一位进入奥运会决赛的选手符保卢在1936年柏林奥运会撑杆跳比赛中使用的就是竹竿。竹竿相比于木杆更富弹性，天然的中空结构使撑杆的重量减轻，有利于运动员快速助跑。“竹竿时代”的世界纪录也随之上升到了4.77米。玻璃纤
13、维撑杆辉煌一时 瑞典钢和铝合金制成的空心撑杆和尼龙竿一度取代了竹竿的垄断地位，但是当玻璃纤维撑杆在1952年的赫尔辛基奥运会上亮相后，撑杆跳就此进入一个新的时代。玻璃纤维撑杆又称之为“玻璃钢撑杆”，它之所以能够带来“立竿见影”的效果，就在于它较轻的自重和极强的柔韧性。由于杆重大大减轻，运动员持杆助跑的速度得以猛增。另外相比于“刚性”撑杆和地面“硬碰硬”的接触，“柔性”的纤维杆落地后更像是压缩了的弹簧。纤维撑杆被压弯后便积蓄了变形势能，从而可以将运动员“弹”向空中。如此一来便使得运动员在垂直上升和跨越横杆时可以充分利用自己水平助跑时积攒的动能。,21,碳素纤维撑杆另辟蹊径 今天竞技场上的撑杆经过
14、不断更新换代，玻璃纤维撑杆已不大被人采用。玻璃纤维被碳纤维代替；不饱和聚酯也被环氧树脂取代。这种碳纤维复合材料的性能比玻璃钢有了大幅度的提高，因而现在的撑杆更轻、强度更好。现代的撑杆制作工艺日臻完善和成熟，甚至可以通过精密的实验和计算，根据撑杆从上到下受力的差异和弯曲的弧度来设计不同部位最合理的强度。虽然对于撑杆材料革命的疑虑和抱怨一直未曾停止，但是如果没有这种进化，我们又怎么能够看到伊辛巴耶娃“百尺竿头，更进一步”呢？,22,1.5.5 良好的加工工艺性（1）可以根据制品的使用条件、性能要求选择原材料，即材料有可设计性；（2）可以根据制品的形状、大小、数量选择加工成型方法；（3）可整体成型，
15、减少装配零件的数量，节省工时，节省材料，减轻质量。,23,各向异性和可设计性：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满足既定的要求。这一特点可以实现制件的优化设计，做到安全可靠、经济合理。,24,聚合物基复合材料存在的缺点：材料工艺的稳定性差材料性能的分散性差长期耐高温与环境老化性能不好抗冲击性能低横向强度和层间剪切强度不够好 这些问题也正是需要研究解决，从而推动复合材料的发展，使之日益成熟。,25,复合材料与金属等材料比较，显示出较大的优越性。,26,27,复合材料结构在火箭中的应用,1.6 复合材料的应用,28,复合材料结构在人造卫星中的应用,29,东方红一号
16、卫星是我国于1970年4月24日发射的第一颗人造地球卫星。按当时时间先后,我国是继苏、美、法、日之后,世界上第五个用自制火箭发射国产卫星的国家,30,人造地球卫星与空间探测器的结构材料大多采用铝合金和镁合金，要求高强度的零部件则采用钛合金和不锈钢。为了提高刚度和减轻重量，已开始采用高模量石墨纤维增强的新型复合材料。卫星体和仪器设备表面常覆有温控涂层，利用热辐射或热吸收特性来调节温度。航天器上的大面积太阳翼初期为铝合金加筋板或夹层板结构，后来改用石墨纤维复合材料作面板的铝蜂窝夹芯结构，更先进的轻型太阳翼则以石墨纤维复合材料作框架，蒙上聚酰胺薄膜。面积更大的柔性太阳翼全部由薄膜材料制成。大型抛物面
17、天线是现代卫星的重要组成部分，原来多采用铝合金或玻璃钢制造，但随着天线指向精度的提高，已改用热膨胀系数极小的轻质材料。石墨和芳纶在一定的温度范围内具有负膨胀系数，可通过材料的铺层设计制造出膨胀系数接近于零的复合材料，从而成为制造天线的基本材料。超大型天线需制成可展开的伞状，其骨架由铝合金或复合材料制成，反射面为涂有特殊涂层的聚酯纤维网或镍-铬金属丝网。卫星体内还使用多层材料、工程塑料、玻璃钢等作为隔热材料，用二硫化钼固体润滑剂等作为运动部件的润滑材料，用硅橡胶等作为舱室的密封材料。,31,蜜蜂的蜂窝构造非常精巧、适用而且节省材料。蜂房由无数个大小相同的房孔组成，房孔都是正六角形，每个房孔都被其
18、它房孔包围，两个房孔之间只隔着一堵蜡制的墙。令人惊讶的是，房孔的底既不是平的，也不是圆的，而是尖的。这个底是由三个完全相同的菱形组成。有人测量过菱形的角度，两个钝角都是109而两个锐角都是70。令人叫绝的是，世界上所有蜜蜂的蜂窝都是按照这个统一的角度和模式建造的。成了蜂窝结构。这种蜂窝结构强度很高，重量又很轻，还有益于隔音和隔热。因此，现在的航天飞机、人造卫星、宇宙飞船在内部大量采用蜂窝结构，卫星的外壳也几乎全部是蜂窝结构。因此，这些航天器又统称为“蜂窝式航天器”。,32,2009年8月25日当地时间17时，韩国首枚运载火箭“罗老号”发射上天，但其所搭载的卫星并未进入预定轨道，尽管韩联社引述韩
19、、俄两国相关专家的话称，因为“火箭发射本身是成功的”，所以“此次发射算是成功了一半”，但站在客观立场上评论，这应该算是一次失败。道理是明摆着的，火箭发射的目的是把卫星送进预定轨道，按照韩国教育科技部此前的说法，是借此次成功，令韩国“成为第10个用本土技术、从本国国土上发射卫星入轨”的国家，而这个目的显然业已落空。,罗老号：拿来主义的苦辣酸甜,韩国罗老号发射失败,33,哥伦比亚号所用的复合材料,1981年4月12日，美国第一架航天飞机“哥伦比亚”号在肯尼迪航天中心首次升空。,2003年2月1日，美国“哥伦比亚”号航天飞机在返回地面时在得克萨斯州中北部地区上空解体并坠毁，机上名宇航员全部遇难。,3
20、4,载人飞船各舱段的结构材料大多是铝合金、镁合金和钛合金。再入舱段的侧壁采取辐射防热措施，外蒙皮为耐高温的镍基合金，内部结构为耐热钛合金。外蒙皮与内部结构之间填以石英纤维等各种隔热材料。再入舱靠外蒙皮的高辐射特性和隔热层的良好的隔热特性，保持舱内有适宜的工作温度。再入舱的头部经受的热流高，须采用与导弹头部相似的烧蚀材料。航天飞机的轨道器大部分用铝合金制造。支承主发动机的推力结构用钛合金制造；中机身的部分主框采用以硼纤维增强铝合金的金属基复合材料；货舱舱门用石墨纤维增强环氧树脂复合材料作面板的特制纸蜂窝夹层结构。航天飞机使用百次左右，再入大气层时的防热是一个重要的问题，因此使用了各类表面隔热材料
21、，其中主要是新型陶瓷隔热瓦。,35,哥伦比亚号航天飞机（STS Columbia OV-102）是美国的太空梭机队中第一架正式服役的，它在1981年4月12日首次执行代号STS-1的任务，正式开启了NASA的太空运输系统计划（Space Transportation System program，STS）之序章。然而很不幸的，哥伦比亚号在2003年2月1日，在代号STS-107的第28次任务重返大气层的阶段中与控制中心失去联系，并且在不久后被发现在德克萨斯州上空爆炸解体，机上7名太空人全数罹难。1981年4月12日，在卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心聚集着上百万人，参观第一架航天飞机哥伦比亚号航天飞
22、机发射。宇航员翰杨（John WYoung）和克里平（Robert LCrippen）揭开了航天史上新的一页。这架航天飞机总长约56米，翼展约24米，起飞重量约2040吨，起飞总推力达2800吨，最大有效载荷29.5吨。它的核心部分轨道器长37.2米，大体上与一架DC9客机的大小相仿。每次飞行最多可载8名宇航员，飞行时间7至30天，轨道器可重复使用100次。航天飞机集火箭，卫星和飞机的技术特点于一身，能像火箭那样垂直发射进入空间轨道，又能像卫星那样在太空轨道飞行，还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆，是一种新型的多功能航天飞行器。1981年初，经过十年的研制开发，“哥伦比亚”号终于建造成功，它是第
23、一架用于在太空和地面之间往返运送宇航员和设备的航天飞机。它第一次飞行的任务只是测试它的轨道飞行和着陆能力。在太空飞行54小时，环绕地球飞行36周之后航天飞机安全着陆。“哥伦比亚”号是以18世纪初第一艘环绕地球航行的美国轮船的名字命名的，在下一架航天飞机，“挑战者”号建成之前，“哥伦比亚”号又进行了四次飞行。,哥伦比亚号航天飞机失事,36,美国宇航局确认，美国“哥伦比亚”号航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的缺陷，是造成整起事故的祸首。“哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会去年公布的调查报告称，外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机热保护系统，是导致事故发生的主要原因。事故发生后，
24、由于无法迅速找回事发时的泡沫材料和燃料箱进行检验，宇航局和事故调查委员会一直没对事故原因作出最终定论。目前，“哥伦比亚”号外部燃料箱约50万块碎片已被找到并重新拼在一起。宇航局负责“哥伦比亚”号外部燃料箱工程的首席工程师尼尔奥特说，宇航局经多次试验确定，泡沫材料安装过程有缺陷是造成事故的主要原因。奥特说，泡沫材料本身的化学成分没有问题，问题在于用喷枪在燃料箱外敷设泡沫材料的过程。试验表明，目前的敷设工艺会在各块泡沫材料之间留下缝隙，液态氢能够渗入其间。航天飞机起飞后，氢气受热膨胀，最终导致大块泡沫材料脱落。撞击“哥伦比亚”号的泡沫材料有手提箱大小，重约0.75公斤。它几乎是被整块“撕下”后，高
25、速撞击到航天飞机左翼前缘的热保护系统，并形成裂隙。航天飞机重返大气层时，超高温气体得以从裂隙处进入“哥伦比亚”号机体，造成航天飞机解体。奥特说，根据新标准对燃料箱进行检测是目前摆在美国宇航局面前的最大障碍。新标准要求，不允许有0.5盎司（14.17克）以上的燃料箱外泡沫材料脱落。美国宇航局目前准备对所有航天飞机的11个燃料箱进行检测，检查每个燃料箱需要4千万美元。,哥伦比亚号航天飞机失事,37,300km动车组,动车组车头,司机台内饰,动车组车头,300km/h动车组,动车组卫生间,38,39,波音-767用复合材料,中国大飞机总装中心挂牌,40,目前，国外新一代军机和民用运输机已普遍采用高性
26、能树脂基碳纤维复合材料，第四代战机复合材料用量占飞机结构重量的2050，干线客机约为10%50。以波音777为例，在其机体结构中，铝合金占70%、钢11%、钛7%，复合材料仅占到11%，而且复合材料主要用于飞机辅件。但到波音787时，复合材料的使用出现了质的飞跃，其用量已占到结构重量的50%，不仅数量激增，而且已用于飞机的主承力构件。,我国复合材料制造技术经过30多年的研究和发展，已形成了一定的规模，达到了一定的水平。各主机生产厂均已建设了生产手段，完成了相应的设备改造和技术改造。各研究院所及重点高校培养了大量人才。国内从设计、材料到工艺有了一支配套的研发队伍。但与国外相比，还存在应用规模和水
27、平、材料基础、制造工艺、设计方法与手段严重落后等问题，且差距有进一步拉开的趋势。,41,各种风格的玻璃钢建筑,42,43,玻璃钢轴流风机,屋顶离心风机,酚醛玻璃钢管道泵,玻璃钢管道,玻璃钢贮罐,玻璃钢耐腐蚀设备,44,雪橇探险车,休闲船,复合材料运动与娱乐器件,45,渔船,敞开式机动救生艇,海洋应用,6m敞开艇,摩托艇,46,图1-17 风力发电机叶片,47,层压板,覆铜板,48,复合材料发展简史：学术界开始使用“复合材料”（composite materials）一词大约是在20世纪40年代，当时出现了玻璃纤维增强不饱和聚酯，开辟了现代复合材料的新纪元。,1.7 复合材料的进展,49,从20
28、世纪60年代开始，开发出多种高性能纤维。20世纪80年代以后，由于人们丰富了设计、制造和测试等方面的知识和经验，加上各类作为复合材料基体的材料的使用和改进，使现代复合材料的发展达到了更高的水平，即进入高性能复合材料的发展阶段。,50,复合材料的整个发展过程可表示为：,古代,近代,先进复合材料,51,天然复合材料自然界中存在许许多多的天然复合材料。例如，树木和竹子是纤维素和木质素的复合体；动物的骨骼则由无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成。,52,人类很早就接触和使用各种天然复合材料，并仿效自然界制作各种各样的复合材料。例如陕西半坡人草梗合泥筑墙，且延用至今；漆器麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年；
29、敦煌壁画泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆。,53,近代，复合材料的发展始于20世纪40年代，第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。50年代得到了迅速发展。我国从1958年开始发展复合材料,54,现代复合材料的制作成功则要从1942年，第二次世界大战中，玻璃纤维增强聚酯树脂复合材料被美国空军用于制造飞机构件开始算起。,材料科学家们认为，就世界范围而论，从1940年到1960年这20年间，是玻璃纤维增强塑料时代，可以称为复合材料发展的第一代。第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料；,55,1965年英国科学家研制出碳纤维；1971年美国杜邦公
30、司开发出Kevler-49（凯芙拉-49）；1975年先进复合材料“碳纤维增强、及Kevler纤维增强环氧树脂复合材料”已用于飞机、火箭的主承力件上。这一时期被称为复合材料发展的第二代。第二代：1960年到1980年，先进复合材料的发展时期,56,1980年到1990年间，是纤维增强金属基复合材料的时代，其中以铝基复合材料的应用最为广泛，这一时期是复合材料发展的第三代。,57,1990年以后则被认为是复合材料发展的第四代，主要发展多功能复合材料，如机敏（智能）复合材料和梯度功能材料等。随着新型复合材料的不断涌现，复合材料不仅应用在导弹、火箭、人造卫星等尖端工业中，在航空、汽车、造船、建筑、电子
31、、桥梁、机械、医疗和体育等各个部门都得到应用。,58,纵观复合材料的发展过程，可以看到：早期发展出现的复合材料，由于性能相对比较低，生产量大，使用面广，可称之为常用复合材料。后来随着高技术发展的需要，在此基础上又发展出性能高的先进复合材料。,59,60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4106厘米（cm），比模量大于108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分
32、别达250350、3501200和1200以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。,先进复合材料,60,中国新型远程战略导弹使用先进复合材料,正六边形的天然蜂窝是蜂族的杰作，以蜂窝结构作为夹层结构的芯材是人类仿生学应用的一大成果。,隐身飞机,61,前苏联暴风雨号,美挑战者号,美国正式使用的第二架航天飞机。并于1983年4月4日正式进行任务首航。然而很不幸的，挑战者号在1986年1月28日进行代号S
33、TS-51-L的第10次太空任务时，因为右侧固态火箭推进器上面的一个O形环失效，导致一连串的连锁反应，并且在升空后73秒时，爆炸解体坠毁。机上的7名宇航员全在该次意外中丧生。,62,神州5号,63,神州6号2005年10月12日上午9:00在酒泉卫星发射中心发射升空,64,65,66,神州7号2008-09-25 21:10:15,67,在美国著名科幻电视剧星际旅行中，物理学家弗里曼戴森描写了这样一个场景，在银河中旅行的星舰发现了一个极度发达的文明社会，那里的人在自己星球的太空中布满了太阳能电池板，捕获了几乎恒星释放出的所有能量，解决了该星球的能源问题。然而这个科学幻想将很快变成现实。,68,
34、利用卫星，可在太空中把太阳能聚集起来，然后把能量集中射向地面，再转变成电能供人类使用。人类的这个梦想将可能走出科幻小说王国，更接近现实。这种卫星，预计将于2016年建成并给人类带来一种叫做“基于太空的太阳能”（SBSP，Space-based Solar Power）的新能源，但面对的困难还十分巨大。不过，有了气候变化给人类带来的压力和低成本太阳能技术的诱惑力，越来越多的国家和企业认为：人类很快就能看到能源革命的曙光。,美拟建太空太阳能电站，用卫星向地球供电，同步卫星将电力从太空发至地球,69,太空中的阳光强度要比地面大5-10倍。SBSP可提供恒定而没有污染的能量，这与地面上断断续续、受云层
35、遮盖影响较大的太阳能利用方式有很大区别，而且 不会象燃料电厂那样排放污染物，也不会象核电站那样产生放射性废料。SBSP技术之所以能成为一项革命性技术，就在于这种技术所改变的将是能源的整体格局。,2008年，美国和日本两国的科研人员已跨越了SBSP技术的一个重要门槛，他们在夏威夷两座相距90英里的海岛上，成功实现了微波级能量的无线远距传输，这个距离相当于从太空轨道传送能量到地面所要穿透的大气层厚度。近些年来，与SBSP技术有关的其他多种技术也取得了重大进展。大约十年前，光电效率（即光能转换成电能的转换率）只有10%，而现在已经能达到40%。卫星技术也得到了改进，其中的全自动计算机系统以及先进的轻
36、质建材也取得了飞跃性的进步。,70,美国太平洋煤气电力公司(PG&E)已经于近期宣布，将与一个宣称可在太空中有效摄取能量的加州太阳能公司（SolarEn Corp）合作并向其购买电力。由此，他们迈出了在外太空开发太阳能的第一步在环绕地球的外空轨道上设立太阳能电池板，然后将生成的电能转化为无线电波传送回地球，再由地面的电力储备站接收，转化为电能后供应给千家万户。这个项目打算在2016年前提供200兆瓦(1兆瓦=0.1万千瓦)的电力，在15年内满足25万个家庭的用电。如果进展顺利，科幻电视剧中的摄能技术7年内可梦想成真。据太平洋煤气电力公司粗略估计，该项目需要花费约20亿美元，主要用于地球太阳能基
37、地建设和发射卫星。,71,日本航空宇宙开发中心（JAXA）也在研究类似的太空太阳能发电系统(SSPS)，有望于2030年前启动。其基本原理和美国类同，但日本科学家不是用无线电波传送能量，他们选择了微波（微波比无线电波的波长短，并且只能直线传播），试图采用频率为2.45 GHz和5.8GHz的微波传送，这项技术日本已经应用于工业和医疗设备。在北海道的研究基地，日本科学家用直径2.4米的仪器装置进行了地面接收太空微波的实验。JAXA的最终目标是要建立一个约3平方公里的地面接收站，生产100万千瓦的电力，给50万个家庭供电。,72,三峡水电站，又称三峡工程、三峡大坝。位于中国重庆市市区到湖北省宜昌市
38、之间的长江干流上。大坝位于宜昌市上游不远处的三斗坪，并和下游的葛洲坝水电站构成梯级电站。它是世界上规模最大的水电站，也是中国有史以来建设最大型的工程项目。而由它所引发的移民搬迁、环境等诸多问题，使它从开始筹建的那一刻起，便始终与巨大的争议相伴。三峡水电站的功能有十多种,航运、发电、种植等等。三峡水电站1992年获得中国全国人民代表大会批准建设，1994年正式动工兴建，03年开始蓄水发电。水电站大坝高程185米，蓄水高程175米，水库长600余公里，安装32台单机容量为70万千瓦的水电机组，建成后将成为全世界最大的水力发电站。三峡工程预测的静态总投资大约为900亿元人民币（1993年5月末价格）
39、，其中工程投资500亿元，移民安置400亿元。预测动态总投资将可能达到2039亿元,73,三峡大坝,74,新华网宜昌2010年7月30日电（记者江时强 李志晖）今年以来长江最大洪峰抵达三峡坝区，30日12时起，经过14年持续建设的三峡工程首次开始发挥防洪功能，为长江中下游拦蓄洪水。,75,美第一颗人造心脏获批使用,智能膝盖,仿生手臂,颈托,口腔科材料,76,复合材料在国民经济建设的地位和作用,77,军用新材料技术军用新材料技术是新一代武器装备的物质基础，也是当今世界军事领域的关键技术。先进复合材料是比通用复合材料有更高综合性能的新型材料，它包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳
40、基复合材料等，它在军事工业的发展中起着举足轻重的作用。先进复合材料具有高的比强度、高的比模量、耐烧蚀、抗侵蚀、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隐身、抗高速撞击等一系列优点，是国防工业发展中最重要的一类工程材料。,复合材料在国防建设的地位和作用,78,当飞行器在稠密大气中作超音速飞行时，受激波与机体间高温压缩气体的加热和机体表面与空气强烈摩擦的影响，飞行器蒙皮的温度会随M数的提高而急剧上升。飞行 M数为 2.0时，机头处的温度略超过100。而当 M数等于3.0时，飞行器表面的温度则升至350左右，已超过了铝合金的极限温度，使其强度大大削弱。航空界把飞行器作高速飞行时所遭遇到的这种高温情况称之为“热障
41、”。一般把M数 2.5作为“热障”的界线，低于这一值，气动加热不严重，可用常规的方法和材料设计、制造飞机；高于该值，则必须采取克服气动加热问题的措施，如用耐高温的钢或钛合金制造飞机的蒙皮和框架等。宇宙飞船和返回式卫星在重返大气层时，M数更高，它们的外表温度可达 1000多度。为保证其不致被烧毁，飞船和返回式卫星的头部得用烧蚀材料包上一层，让它在高温时烧掉，以吸收气动加热时产生的热能。,79,M代表马赫，马赫数的命名是为了纪念奥地利学者马赫(Ernst Mach,1838-1916)马赫就是声速，1马赫=340M/s.1马赫=每小时1126公里,大概是一倍音速.马赫数，气流速度V与当地声（音）速
42、a之比，简称Ma数。飞机的飞行速度常以马赫数表示，当其飞行速度小于当地音速时，则马赫数小于1，反之，飞行速度大于当地音速时，马赫数则大于1。一般把马赫数小于或等于0.4的飞行称为低速飞行，马赫数在0.75至1.2（或1.4）之间称为亚音速飞行，马赫数在1.2（或1.4）至5之间称为超音速飞行，马赫数大于5时则称为高超音速飞行。,80,热 障 与 宇 宙 飞 行 器在晴朗的夜晚，仰望灿烂星空，有时会看到耀眼的陨星，倏忽即逝。它为什么会发光呢？原来，这是高速飞行的陨星进入大气层与空气剧烈摩擦，猛烈燃烧而发出的光亮。当宇宙航天器完成任务返回地球时，面临着与陨星同样的残酷生存环境。研究表明，当宇宙飞行
43、器的飞行速度达到3倍声速时，其前端温度可达330；当飞行速度为6倍声 速时，可达1480。宇宙飞行器遨游太空归来，到达离地面60-70千米时，速度仍然保持在声速的20多倍，温 度在10000以上，这样的高温足以把航天器化作一团烈火。高速导致高温这似乎是一道不可逾越的障碍，人们把这种障碍称为热障。显然热障并没有阻挡住人类挺进宇 宙的步伐，那么科学家们是如何服热障，使航天器安全回家的呢？,81,陨石穿越太空到达地球的神奇经历给了科学家们以特殊的启迪。分析陨石的成分和结构发现，陨石表面虽然已经熔融，但内部的化学成分没有发生变化。这说明陨石在下落过程中，表面因摩擦生热达到几千度高温面熔融，但由于穿过大
44、气层的时间很短，热量来不及传到陨石内部。给宇宙飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料制成“盔甲”，把摩擦产生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、气化等一系列物理和化学变化中，“丢卒保车”就能达到保护宇宙飞行器的目的。一位宇航员描述了宇宙飞船闯过热障的壮观景象：飞船进入大气层，首先从舷窗中 看到烟雾，然后出现五彩缤纷的火焰，同时发出噼噼啪啪的声音。这是飞船头部的烧蚀材料在燃烧，它们牺牲了自己，把飞船内的温度始终维持在常温范围，保护飞船平安返回地面。作为烧蚀材料，要求气化热大，热容量大，绝热性好，向外界辐射热量的本领强。烧蚀材料有多种，陶瓷是其中的佼佼者，而纤维补强陶瓷材料是最佳选择。近年来，研制成功了许多具有高强
45、度、用它们制成的碳化物、氮化物复合陶瓷是优异的烧蚀材料，成为航天飞行器的不破盔甲。,82,隐身技术（stealth technology），又称隐形技术，准确的术语应该是“低可探测技术”（lowlb servabletechnology）。隐身技术是一种研究如何减小目标的可探测性，使目标不易被探测器发现的技术。任何武器装备，在一定的光照下，都会“原形毕露”；在运动和使用过程中，会发出热、声、光或电磁波等表明其特征的信号。例如：雷达和通信设备工作时会发出电磁波，表面会反射电磁波，运转中的发动机和其他发热部件会辐射红外线。这样，就使武器装备与它所处的背景形成鲜明对比，容易被敌人发现。通过多种途径，
46、设法尽可能减弱自身的特征信号，降低对外来电磁波、光波和红外线反射，达到与它所外的背景难以区分，从而把自己隐蔽起来。这就是“低可探测技术”。借助于中国古典武侠小说中有所谓“隐身术”一说，把这门技术形象地称为隐身技术。隐身技术涉及到电子学、材料学、声学、光学等许多技术领域，是第二次世界大战后的重大军事技术突破之一。,83,隐身技术包括：雷达隐身、红外隐身、磁隐身、声隐身和可见光隐身等。很多武器装备，如飞机、导弹、舰船、坦克、战车、水雷、大炮等，都可以采取隐身措施把自己隐蔽起来。首先出现的是隐身飞机，通过降低雷达截面积和减小自身的红外辐射实现隐身。【主要技术途径】采用独特的外形设计和吸波、透波材料，
47、以降低飞机对雷达波的反射；降低飞机发动机喷气的温度或采取隔热、散热措施，减弱红外辐射。美国的F-117A隐身战斗轰炸机、B-2隐身轰炸机已经装备部队，正在研制的F-22隐身战斗将在21世纪初服役。隐身技术在舰艇上也得到应用，例如美国海军“阿利伯克”级驱逐舰的上层建筑就是如此，瑞典制造的隐身艇已开始试航。潜艇的降噪措施则属于声隐身技术。此外，隐身坦克、隐身装甲车、隐身火炮、隐身巡航导弹等多种隐身武器也在研制中。,隐身飞机,84,85,92轮式步战车射击,92轮式步战车射击,红箭-9A反坦克导弹发射试验,乌克兰 BTMP-84步兵战车,出口到国外的中国69-II中型坦克,俄罗斯：T-90c主战坦克,美军M109A6,斯大林3（IS-3）重型坦克,英国“挑战者”型主战坦克,86,中国古代十八般兵器,镔铁精钢打就，枪长一丈四（约2.61米），通身漆黑，重六十余斤。三国时期名将方悦便是使用点刚枪作为兵器。水浒一百单八将中天英星小李广花荣以及扑天雕李应使的都是点钢枪。,青龙偃月刀,丈八蛇矛,点钢枪,87,图1-24 复合材料之树枝繁叶茂,88,作业：课本20页 1、3、4、5.6、7、8,
