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分類

編輯

根據(jù)材料的組成與結(jié)構(gòu)的特點，航空材料包括金屬材料、有機高分子材料（聚合物）、無機非金屬材料和復(fù)合材料四大類。

金屬材料是以金屬元素為基的材料。金屬材料包括純金屬及其合金。合金是以某一金屬元素為基，添加一種以上金屬元素或非金屬元素（視性能要求而定），經(jīng)冶煉、加工而成的材料，如碳素鋼、低合金鋼和合金鋼、高溫合金、鈦合金、鋁合金、鎂合金等。純金屬很少直接應(yīng)用，因此金屬材料絕大多數(shù)是以合金的形式出現(xiàn)。

高分子材料又稱聚合物或高聚物。一類由一種或幾種分子或分子團（結(jié)構(gòu)單元或單體）以共價鍵結(jié)合成具有多個重復(fù)單體單元的大分子，其相對分子質(zhì)量高達(dá)104-106。它們可以是天然產(chǎn)物如纖維、蛋白質(zhì)和天然橡膠等，也可以是用合成方法制得的，如合成橡膠、合成樹脂、合成纖維等非生物高聚物，聚合物的特點是種類多、密度?。▋H為鋼鐵的1/7~1/8),比強度大，電絕緣性、耐腐蝕性好，加工容易，可滿足多種特種用途的要求。卨分子材料包括塑料、纖維、橡膠、涂料、粘合劑等領(lǐng)域，可部分取代金屬、非金屬材料。 [3] 

無機非金屬材料包括除金屬材料、有機高分子材料以外的幾乎所有材料。這些材料主要有陶器、瓷器、磚、瓦、玻璃、水泥、耐火材料以及氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、金屬陶瓷、復(fù)合陶瓷等新型材料。無機非金屬材料來源豐富、成本低廉、應(yīng)用廣泛。無機非金屬材料具有許多優(yōu)良的性能，如耐高溫、高硬度、抗腐蝕，以及優(yōu)良的介電、壓電、光學(xué)、電磁性能及其功能轉(zhuǎn)換特性等；主要缺點是抗拉強度低、韌性差。近年來，又出現(xiàn)了氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等許多具有特殊性能的新型材料。無機非金屬材料已成為多種結(jié)構(gòu)、信息及功能材料的主要來源，如耐高溫、抗腐蝕、耐磨損的氧化鋁（A1203)、氮化硅（Si3N4)、碳化硅（SiC)、氧化鋯增韌陶瓷；大量用作切削*的金屬陶瓷·，將電信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔⒌拟壦徜嚭透男缘匿嗏佀徙U；以及壓電陶瓷和PTC陶瓷等。 [3] 

復(fù)合材料是由兩種或多種材料組成的多相材料。一般指由一種或多種起增強作用的材料（增強體）與一種起粘結(jié)作用的材料（基體）結(jié)合制成的具有較高強度的結(jié)構(gòu)材料。增強體是指復(fù)合材料中借基體粘結(jié)，強度、模量遠(yuǎn)高于基體的組分。按形態(tài)有顆粒、纖維、片狀和體型四類。目前在工業(yè)中采用的連續(xù)纖維增強體如玻璃纖維、碳纖維、石墨纖維、碳化硅纖維、硼纖維和高模量有機纖維等，主要作為復(fù)合材料的增強材料?；w是指復(fù)合材料中粘結(jié)增強體的組分。一般分為金屬基體、聚合物基體和無機非金屬基體三大類。金屬基體包括純金屬及其合金；聚合物基體包括樹脂、橡膠等；無機非金屬基體包括玻璃、陶瓷等?；w對增強體應(yīng)具有良好的粘結(jié)力和兼容性?；w和增強體之間的接觸面稱為“界面"。由于基體對增強體的粘結(jié)作用，使界面發(fā)生力的傳播、裂紋的阻斷、能量的吸收和散射等效應(yīng)，從而使復(fù)合材料產(chǎn)生單一材料所不具備的某些優(yōu)異性能，例如碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的疲勞性能和斷裂韌度都遠(yuǎn)優(yōu)于碳纖維和環(huán)氧樹脂。 [3] 

按使用功能，航空材料又可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料以力學(xué)性能為主，功能材料以物理、化學(xué)性能為主。

航空材料既是研制生產(chǎn)航空產(chǎn)品的物質(zhì)保障，又是推動航空產(chǎn)品史新?lián)Q代的技術(shù)基礎(chǔ)。主要的航空結(jié)構(gòu)材料包括結(jié)構(gòu)鋼與不銹鋼、高溫合金、輕金屬材料（含鋁及鋁合金、鈦及鈦合金）、聚合物基復(fù)合材料等。

飛機機體的主要結(jié)構(gòu)村料是結(jié)構(gòu)鋼、輕金屬材料和復(fù)合材料：為了提高飛機的結(jié)構(gòu)效率.降低飛機結(jié)構(gòu)重量系數(shù)，高比強度和高比模來那個的輕質(zhì)、高強、高模材料，正在獲得越來越多的應(yīng)用。隨著飛機性能的提高，樹脂基復(fù)合材料和鈦合金用量增加，傳統(tǒng)鋁合金和鋼材用量減少。戰(zhàn)斗機以F-22為例，樹脂基復(fù)合材料的用量已達(dá)到整機結(jié)構(gòu)重量的24%,鈦合金用量達(dá)到整機結(jié)構(gòu)重量的41%;與此同時，鋁合金用量下降為只占整機結(jié)構(gòu)重量的15%，鋼的用量下降為只占整機結(jié)構(gòu)重量的5%。民機以B-777為例，樹脂基復(fù)合材料的用量已占整機結(jié)構(gòu)重量的11%,鈦合金用量已占到整機結(jié)構(gòu)重量的7%;與此同時，鋁合金用量下降為占整機結(jié)構(gòu)重量的70%,但仍是飛機機體結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)材料；鋼的用量下降為只占整機結(jié)構(gòu)重量的11%。 [3] 

航空發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)材料是不銹鋼、高溫合金和鈦合金。在一臺*發(fā)動機上，高溫合金和鈦合金的用量分別要占到發(fā)動機總結(jié)構(gòu)重量的55%~65%和25%~40%,并對許多新型高溫材料提出了更高的要求，如新型高溫合金和高溫鈦合金、高溫樹脂基復(fù)合材料、金屬間化合物及其復(fù)合材料、熱障涂層材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基和碳/碳復(fù)合材料等。 [3] 

機載設(shè)備中的關(guān)鍵材料主要是各種微電子、光電子、傳感器等光、聲、電、磁、熱的高功能及多功能材料。

性能特點

編輯

出于航空飛行及其安全性的考慮，航空材料應(yīng)具有以下特點：

1．高比強度(A)和高比剛度(B)

航空材料的基本要求是：材質(zhì)輕、強度高、剛度好。提高飛行器的比強度，就要降低其密度，減輕飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減輕飛行器本身結(jié)構(gòu)質(zhì)量又意味著增加運載能力，提高機動性能，加大飛行距離或射程，減少燃油或推進(jìn)劑的消耗。材料比剛度在航空系統(tǒng)中也是非常關(guān)鍵的參數(shù)，能影響某些部位的震動性能，比如飛機機翼。

比強度和比剛度是衡量航空航天材料力學(xué)性能優(yōu)劣的重要參數(shù)：

式中，σ為材料強度，E為材料彈性模量，ρ為材料密度。飛行器除了受靜載荷的作用外還要經(jīng)受由于起飛和降落、發(fā)動機振動、轉(zhuǎn)動件的高速旋轉(zhuǎn)、機動飛行和突風(fēng)等因素產(chǎn)生的交變載荷，因此材料的疲勞性能也受到人們*的重視。 [1] 

2．優(yōu)良的耐高低溫性能

飛行器所經(jīng)受的高溫環(huán)境是由空氣動力加熱、發(fā)動機燃?xì)庖约疤罩刑柕妮椪赵斐傻摹：娇掌鏖L時間在空氣中飛行，有的飛行速度高達(dá)3倍音速，所使用的高溫材料要具有良好的高溫持久強度、蠕變強度、熱疲勞強度，在空氣和腐蝕介質(zhì)中要有高的抗氧化性能和抗熱腐蝕性能，并應(yīng)具有在高溫下*工作的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?；鸺l(fā)動機燃?xì)鉁囟冗_(dá)30000C以上，噴射速度可達(dá)十余個馬赫數(shù)，而且固體火箭燃?xì)庵羞€夾雜有固體粒，彈道頭部在進(jìn)入大氣層時速度高達(dá)20個馬赫數(shù)以上，溫度高達(dá)上萬攝氏度，有時還會受到粒子云的侵蝕，因此在航空技術(shù)領(lǐng)域中所涉及的高溫環(huán)境往往同時包括高溫高速氣流和粒子的沖刷。在這種條件下需要利用材料所具有的熔解熱、蒸發(fā)熱、升華熱、分解熱、化合熱以及高溫黏性等物理性能來設(shè)計高溫耐燒蝕材料和發(fā)汗冷卻材料以滿足高溫環(huán)境的要求。太陽輻照會造成在外層空間運行的衛(wèi)星和飛船表面溫度的交變，一般采用溫控涂層和隔熱材料來解決。低溫環(huán)境的形成來自大自然和低溫推進(jìn)劑。飛機在同溫層以亞音速飛行時表面溫度會降到-50C左右，極圈以內(nèi)各地域的嚴(yán)冬會使機場環(huán)境溫度下降到-40C以下，在這種環(huán)境下要求金屬構(gòu)件或橡膠輪胎不產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。液體火箭使用液氧（沸點為-183℃）和液氫（沸點為-253℃）作推進(jìn)劑，這為材料提出了更嚴(yán)峻的環(huán)境條件。部分金屬材料和絕大多數(shù)高分子材料在這種條件下都會變脆。通過發(fā)展或選擇合適的材料，如純鋁和鋁合金、鈦合金、低溫鋼、聚四氟乙烯、聚酰亞胺和全氟聚醚等，才能解決超低溫下結(jié)構(gòu)承受載荷的能力和密封等問題。 [1] 

3．耐老化和耐腐蝕

各種介質(zhì)和大氣環(huán)境對材料的作用表現(xiàn)為腐蝕和老化。航空航天材料接觸的介質(zhì)是飛機用燃料（如汽油、煤油）、火箭用推進(jìn)劑（如濃、肼類）和各種潤滑劑、液壓油等。其中多數(shù)對金屬和非金屬材料都有強烈的腐蝕作用或溶脹作用。在大氣中受太陽的輻照、風(fēng)雨的侵蝕以及地下潮濕環(huán)境中*貯存時產(chǎn)生的霉菌會加速高分子材料的老化過程。耐腐蝕性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料應(yīng)該具備的良好特性。 [1] 

4．適應(yīng)空間環(huán)境

空問環(huán)境對材料的作用主要表現(xiàn)為高真空（1.33×10-oPa）和宇宙射線輻照的影響。金屬材料在高真空下互相接觸時，由于表面被高真空環(huán)境所凈化而加速了分子擴散過程，出現(xiàn)“冷焊”現(xiàn)象；非金屬材料在高真空和宇宙射線輻照下會加速揮發(fā)和老化，有時這種現(xiàn)象會使光學(xué)鏡頭因揮發(fā)物沉積而被污染，密封結(jié)構(gòu)因老化而失效。航天材料一般是通過地面模擬試驗來選擇和發(fā)展的，以求適應(yīng)于空間環(huán)境。 [1] 

5．壽命和安全

為了減輕飛行器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，選取盡可能小的安全余量而達(dá)到可靠的安全壽命，被認(rèn)為是飛行器設(shè)計的奮斗目標(biāo)。對于導(dǎo)或運載火箭等短時間一次使用的飛行器，人們力求把材料性能發(fā)揮到極限程度。為了充分利用材料強度并保證安全，對于金屬材料已經(jīng)使用“損傷容限設(shè)計原則”。這就要求材料不但具有高的比強度，而且還要有高的斷裂韌性。在模擬使用的條件下測定出材料的裂紋起始壽命和裂紋的擴展速率等數(shù)據(jù)，并計算出允許的裂紋長度和相應(yīng)的壽命，以此作為設(shè)計、生產(chǎn)和使用的重要依據(jù)。對于有機非金屬材料則要求進(jìn)行自然老化和人工加速老化試驗，確定其壽命的保險期。復(fù)合材料的破損模式、壽命和安全也是一項重要的研究課題。 [1] 

特殊性

編輯

航空材料是研制生產(chǎn)航空產(chǎn)品的物質(zhì)保障，與航空技術(shù)關(guān)系極為密切，具有以下特殊性。

1．輕質(zhì)高強、高溫耐蝕

航空產(chǎn)品特殊的工作環(huán)境對航空材料提出“輕質(zhì)高強、高溫耐蝕”的特殊要求。航空工業(yè)有一句口號叫做“為每一克減重而奮斗”，反映了減重對于航空產(chǎn)品的重大經(jīng)濟意義。而且材料減重對飛機減重的貢獻(xiàn)也越來越大，所以輕質(zhì)高強是航空材料必須滿足的首要性能要求。“高溫耐蝕”的“高溫”是指航空材料要能耐受較高的工作溫度。對于機身材料，氣動力加熱效應(yīng)使機身表面溫度升高，需要結(jié)構(gòu)材料具有好的高溫強度；對于發(fā)動機材料，要求渦輪盤和渦輪葉片材料要有好的高溫強度和耐高溫腐蝕性能。“耐蝕”是指航空材料要有優(yōu)良的抗腐蝕，主要是指抗應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞的能力。 [1] 

2．高的質(zhì)量要求

航空器是技術(shù)密集、高集成度的復(fù)雜產(chǎn)品，只有采用質(zhì)地優(yōu)良的航空材料才能制造出安全可靠、性能優(yōu)良的飛機和發(fā)動機。航空產(chǎn)品的多樣性和小批量生產(chǎn)，導(dǎo)致了航空材料研制和生產(chǎn)上的多品種、多規(guī)格、小批量、技術(shù)質(zhì)量要求高等特點。 [1] 

3．低成本航空材料

新型號的*飛機價格不斷攀升，航空技術(shù)*的國家和地區(qū)都先后對航空產(chǎn)品提出了“買得起”的要求。而材料在航空產(chǎn)品的成本和價格構(gòu)成中占有相當(dāng)份額，所以科學(xué)地選材和努力發(fā)展低成本材料技術(shù)是航空材料發(fā)展的重要方向。 [1] 

未來發(fā)展方向

編輯

1. 高性能

高性能是指輕質(zhì)、高強度、高模量、高韌性、耐高溫、耐低溫，抗氧化、耐腐蝕等。材料的高性性能對減輕飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量和提高結(jié)構(gòu)效率、提高服役可靠性及延長使用壽命極為重要，是航空航天材料研究不斷追求的目標(biāo)。

2. 高功能及多功能

材料在光、電、聲、熱、磁方面的特殊功能是支撐某些關(guān)鍵技術(shù)以提高飛行器機動性能和突防能力的重要保證。如以紅外材料為基礎(chǔ)的光電成像夜視技術(shù)能增強坦克、裝甲車、飛機、軍艦及步兵的夜戰(zhàn)能力，紅外成像制導(dǎo)技術(shù)可大大提高導(dǎo)的率和抗*力，以新型固體激光材料為基礎(chǔ)的激光測距和火控系統(tǒng)等可使靈活*能力大大加強。 [1] 

3. 復(fù)合化

復(fù)合化已成為新材料的屯要發(fā)展趨勢之一。業(yè)內(nèi)專家指出，航空復(fù)合材料未來20~30年將迎來新的發(fā)展時期，甚至引發(fā)航空產(chǎn)業(yè)鏈的革命性變革，包括設(shè)計理念的創(chuàng)新和設(shè)計團隊知識的更新，航空產(chǎn)品供應(yīng)鏈的戰(zhàn)略性改變，新型復(fù)合材料技術(shù)不斷出現(xiàn)（如混雜復(fù)合技術(shù)、源于自然界中珍珠貝殼結(jié)構(gòu)后發(fā)的仿生復(fù)合技術(shù)），以及對航空維修業(yè)提出*的挑戰(zhàn)。復(fù)合材料可以明顯減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和提高結(jié)構(gòu)效率。國外衛(wèi)星、戰(zhàn)略導(dǎo)及固體火箭發(fā)動機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料幾乎已經(jīng)復(fù)合材料化。 [1] 

4. 智能化

智能化是航空航天材料重要發(fā)展趨勢之一。智能復(fù)合材料將復(fù)合材料技術(shù)與現(xiàn)代傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)和功能驅(qū)動技術(shù)集成于一體，將感知單元（傳感器）、信息處理單元（微處理器）與執(zhí)行單元（功能驅(qū)動器）聯(lián)成一個回路，通過埋置在復(fù)合材料內(nèi)部不同部位的傳感器感知內(nèi)外環(huán)境和受力狀態(tài)的變化，并將感知到的變化信息通過微處理器進(jìn)行處理并做出判斷，向功能驅(qū)動器發(fā)出指令信號；而功能驅(qū)動器可根據(jù)指令信號的性質(zhì)和大小進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，使構(gòu)件適應(yīng)有關(guān)變化。整個過程*自動化，從而實現(xiàn)自檢測、自診斷、自調(diào)節(jié)、自恢復(fù)、自保護等多種特殊功能。智能復(fù)合材料是傳感技術(shù)、計算機技術(shù)與材料科學(xué)交叉融合的產(chǎn)物，存在許多領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，例如飛機的智能蒙皮與自適應(yīng)機翼就是由智能復(fù)合材料構(gòu)成的一種的智能結(jié)構(gòu)。 [1] 

5. 低成本

航空航天村料從過去中純追求高性能發(fā)展到今天綜合考慮性能與價格的平衡，低成本化貫穿材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、檢測評價以及維護維修等全過程。對碳纖維復(fù)合材料而言，其制造成本在整個成本中占有相當(dāng)大的比例；因此，對其低成本制造技術(shù)應(yīng)投入足夠關(guān)注。各種低成本制造技術(shù)發(fā)展很快，尤其是以樹脂傳遞成型(RTM)為代表的液體成型技術(shù)和以大型復(fù)雜構(gòu)件的共固化/共膠接為代表的整體化成型技術(shù)等均得到了很大的發(fā)展。航空航天材料的低成本是一個重要發(fā)展趨勢。材料的低成本目標(biāo)包括原材料、制備加工、監(jiān)測評價和維修等全過程。 [1] 

6．高環(huán)境相容性

航空航天飛行器所用的材料及其制備、加工和回收，必須具有高度的環(huán)境相容性，無污染，易回收。

7．材料的計算設(shè)計和模擬仿真

航空航天技術(shù)日新月異地發(fā)展，飛行器關(guān)鍵零部件的工況和環(huán)境條件更加苛刻，為適應(yīng)材料科學(xué)的創(chuàng)新，發(fā)展了材料的計算設(shè)計和數(shù)值模擬技術(shù)。