航空航天材料概論

航空航天材料概論概述：航空航天材料是一類非常特殊的材料，它與軍事應(yīng)用密切相關(guān)。與此同時，航空航天材料的進(jìn)步又對現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。推動航空航天領(lǐng)域新材料新工藝的發(fā)展，能夠引領(lǐng)和帶動相關(guān)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，衍生出更為廣泛的、軍民兩用的新材料和新工藝。本文根據(jù)公開出版物的資料進(jìn)行了摘錄和匯總，使讀者可以對航空航天材料有一個基本的認(rèn)識。一、航空航天材料的分類航空航天材料既是研制生產(chǎn)航空航天產(chǎn)品的物質(zhì)保障，又是推動航空航天產(chǎn)品更新?lián)Q代的技術(shù)基礎(chǔ)。從材料本身的性質(zhì)劃分，航空航天材料分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料和先進(jìn)復(fù)合材料4大類；按使用功能，又可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。對于結(jié)構(gòu)材料而言，最關(guān)鍵的要求是質(zhì)輕高強(qiáng)和高溫耐蝕；功能材料則包括微電子和光電子材料、傳感器敏感元材料、功能陶瓷材料、光纖材料、信息顯示與存儲材料、隱身材料以及智能材料。對于航空材料來說，包括三大類材料，飛機(jī)機(jī)體材料、發(fā)動機(jī)材料、機(jī)載設(shè)備材料。而航天材料則包括運(yùn)載火箭箭體材料、火箭發(fā)動機(jī)材料、航天飛行器材料、航天功能材料等。具體到材料的層面，航空航天材料涉及范圍較廣，包括鋁合金、鈦合金、鎂合金等輕合金，超高強(qiáng)度鋼，高溫鈦合金、鎳基高溫合金、金屬間化合物（鈦鋁系、鈮鋁系、鉬硅系）、難熔金屬及其合金等高溫金屬結(jié)構(gòu)材料，玻璃纖維、碳纖維、芳酰胺纖維、芳雜環(huán)纖維、超高分子量聚乙烯纖維等復(fù)合材料增強(qiáng)體材料，環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、熱固性聚酰亞胺樹脂、酚醛樹脂、氤酸酯樹脂、聚芳基乙炔樹脂等復(fù)合材料基體材料，先進(jìn)金屬基及無機(jī)非金屬基復(fù)合材料，先進(jìn)金屬間化合物基復(fù)合材料，先進(jìn)陶瓷材料，先進(jìn)碳/碳復(fù)合材料以及先進(jìn)功能材料。二、航空航天材料簡介鋁合金飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用構(gòu)成比例預(yù)測表明，21世紀(jì)初期占主導(dǎo)地位的材料是鋁合金。開發(fā)航空航天技術(shù)用鋁合金時首先要解決的課題，是如何在保證高使用可靠性及良好工藝性的前提下減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。目前急待解決的問題是開發(fā)具有良好焊接性能的高強(qiáng)鋁合金，并將其用于制造整體焊接結(jié)構(gòu)。提高飛行器有效載荷的方法是提高強(qiáng)度或降低密度（不降低強(qiáng)度）。用鋰對鋁進(jìn)行合金化，可降低合金密度，提高彈性模量。已經(jīng)用帶卷軋制法生產(chǎn)出了鋁鋰（Al-Li）合金板材，其中包括厚度小于0.5mm的薄板。使用鋁基層狀復(fù)合材料可大幅度提高飛機(jī)蒙皮的可靠性、使用壽命及有效載荷，這種復(fù)合材料的特點(diǎn)是裂紋擴(kuò)展速度特別低（僅為傳統(tǒng)材料的1/20?1/10），強(qiáng)度（提高50%?100%）和斷裂韌性高，而密度較?。p輕10%?15%），將其作為機(jī)身蒙皮材料，以及作為修理作業(yè)用的裂紋鉚釘材料是很有前途的。高強(qiáng)鋼在現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，鋼材用量穩(wěn)定在5%?10%的水平，而在某些飛機(jī)上，例如超音速殲擊機(jī)上，鋼材是一種特定用途的材料。高強(qiáng)鋼通常使用在要求有高剛度、高比強(qiáng)度、高疲勞壽命，以及具有良好中溫強(qiáng)度、耐腐蝕性和一系列其他參數(shù)的結(jié)構(gòu)件中。無論是在半成品生產(chǎn)中，還是在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造中，尤其是在以焊接作為最終工序的焊接結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中，鋼材都是不可替代的材料。長期以來，飛機(jī)制造業(yè)使用最多的鋼材，是強(qiáng)度水平為1600?1850MPa、斷裂韌性約為77.5?91MPa/m2的中合金化高強(qiáng)鋼。目前，在保持同樣斷裂韌性指標(biāo)的條件下，已將鋼材的最低強(qiáng)度水平提高到了1950MPa，還開發(fā)出了新型經(jīng)濟(jì)合金化的高抗裂性、高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼。高強(qiáng)鋼的發(fā)展方向為進(jìn)一步完善冶金生產(chǎn)工藝、選擇最佳的化學(xué)成分及熱處理規(guī)范、開發(fā)強(qiáng)度性能水平為2100?2200MPa的高可靠性結(jié)構(gòu)鋼。在活性腐蝕介質(zhì)作用下使用的機(jī)身承力結(jié)構(gòu)件，特別是在全天候條件下使用的承力結(jié)構(gòu)件上，廣泛使用高強(qiáng)度耐蝕鋼，這種鋼的強(qiáng)度水平與中合金結(jié)構(gòu)鋼相近，可靠性參數(shù)（斷裂韌性、抗腐蝕開裂強(qiáng)度等）大大超過中合金結(jié)構(gòu)鋼。高強(qiáng)鋼的優(yōu)點(diǎn)是：可采用不同的焊接方法實(shí)施焊接，焊接承力結(jié)構(gòu)件時，焊后不必進(jìn)行熱處理，無論是在熱狀態(tài)，還是在冷狀態(tài)，均具有良好的可沖壓性等。最有希望適用高強(qiáng)鋼的材料，是馬氏體類型的低碳彌散強(qiáng)化耐腐蝕鋼和過渡類型的奧氏體一一馬氏體鋼，研究表明，在保持高可靠性和良好工藝性的條件下，是能夠大幅度提高高強(qiáng)度耐腐蝕鋼強(qiáng)度水平的。低溫技術(shù)裝備是高強(qiáng)度耐蝕鋼的一個特殊應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展方向。裝備氫燃料發(fā)動機(jī)的飛機(jī)具有良好的發(fā)展前景，應(yīng)該把在液氫和氫氣介質(zhì)中工作的無碳耐腐蝕鋼作為研究方向。高強(qiáng)鈦合金提高鈦合金在機(jī)身零件中使用比例的潛力是相當(dāng)巨大的。據(jù)預(yù)測，鈦合金在客機(jī)機(jī)身中的使用比例將達(dá)到20%，而在軍機(jī)機(jī)身中的應(yīng)用比例將提高到50%。其前提是要保證：鈦合金有更高的強(qiáng)度及可靠性；進(jìn)一步提高使用溫度；具備高的工藝性能及良好的可焊接性；能生產(chǎn)各種半成品；改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式，開發(fā)新的設(shè)計方案，盡可能多地在結(jié)構(gòu)中使用成熟的合金與工藝。采用高強(qiáng)鈦合金可減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時提高結(jié)構(gòu)的重量效率、可靠性及工藝性。計劃開發(fā)兼?zhèn)涓邚?qiáng)度（1350MPa）與高工藝性的板材合金，這種合金的強(qiáng)度將是工業(yè)純鐵強(qiáng)度的4倍，而工藝特性則與工業(yè)純鈦相近；還將研制并使用具有更高熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和使用壽命的“近a型”熱強(qiáng)鈦合金。熱強(qiáng)鈦合金鈦合金的發(fā)展方向之一，是研制與采用具有較高熱強(qiáng)性，特別是具有高穩(wěn)定性和長壽命的“近a型”熱強(qiáng)鈦合金。第6代航空發(fā)動機(jī)將使用以固溶強(qiáng)化和金屬間化合物綜合強(qiáng)化的熱強(qiáng)鈦合金板材。以鈦鋁化合物為基的合金，是未來的研究方向。“Y”合金在700?900°C溫度下的比熱強(qiáng)性超過鋼材及熱強(qiáng)合金，但塑性較差。開發(fā)熱強(qiáng)鈦合金的新方向，是采用金屬間化合物強(qiáng)化的以B固溶體為基的合金。這種合金的特點(diǎn)是在600?700C溫度下具有較高的熱強(qiáng)性和令人滿意的塑性性能。與現(xiàn)有的鈦合金相比，研發(fā)這種類型的鈦合金可使強(qiáng)度和熱強(qiáng)性提高25%?30%。需要強(qiáng)調(diào)的是使合金化學(xué)成分、鑄造及變形工藝最佳化、選擇最佳的熱處理規(guī)范、采用新方法設(shè)計零件，就可將金屬間化合物使用在航空發(fā)動機(jī)及航空航天技術(shù)裝備的結(jié)構(gòu)中，在這方面，提高使用溫度與減輕質(zhì)量是決定性因素。聚合物復(fù)合材料代表航空航天技術(shù)開發(fā)水平的一個重要標(biāo)志是聚合物復(fù)合材料使用數(shù)量的多少。聚合物復(fù)合材料在比強(qiáng)度和比剛度方面具有非常明顯的優(yōu)越性，兼?zhèn)淞己玫慕Y(jié)構(gòu)性能和特殊性能，在航空領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用?？罩锌蛙嘇3XX飛機(jī)使用聚合物復(fù)合材料的比例將達(dá)到25%。采用以碳纖維增強(qiáng)塑料為基體的聚合物復(fù)合材料，是減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的有效措施之一。聚合物復(fù)合材料通常是指高彈性模量的碳纖維增強(qiáng)塑料，特點(diǎn)是剛度大（彈性模量196GPa）、高溫尺寸穩(wěn)定性好，同時還保持了高的抗壓強(qiáng)度1000MPa）。在新一代航空技術(shù)裝備中采用碳纖維增強(qiáng)塑料，可提高尾翼部件，特別是尾尖部件的空氣動力學(xué)剛度，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，保證要求的飛行技術(shù)品質(zhì)。高彈性模量的碳纖維增強(qiáng)塑料還可有效地應(yīng)用于在開放的宇宙空間工作的接收與轉(zhuǎn)發(fā)天線構(gòu)件、無線電電子設(shè)備的承載構(gòu)件、火箭零部件、薄殼構(gòu)件及長的桿形件，熱應(yīng)力僅為金屬構(gòu)件的1/20?1/10。高彈性模量碳纖維增強(qiáng)塑料的以上特性結(jié)合低密度，可制造供組裝與維修空間站用的操作手。今后幾年需要解決的問題包括：進(jìn)一步改進(jìn)碳纖維增強(qiáng)塑料的結(jié)構(gòu)特性與特殊性能，特別是要將工作溫度提高到400°C。作為結(jié)構(gòu)材料，新型復(fù)合材料一一有機(jī)塑料將發(fā)揮越來越大的作用。最近幾年，正在研制第2代有機(jī)塑料。單一用途的有機(jī)塑料的。b（抗拉強(qiáng)度）值達(dá)到3000?3200MPa，E值提高到130GPa。試驗研究表明，有可能獲得彈性模量為200?250GPa的有機(jī)塑料，需要指出的是，這實(shí)際上就是將工作溫度范圍擴(kuò)大1倍（205?300C），還可顯著降低復(fù)合材料的吸水率。在比強(qiáng)度和比彈性模量方面，現(xiàn)代的有機(jī)塑料，特別是未來的有機(jī)塑料將超過所有已知的以聚合物、金屬和陶瓷為基體的復(fù)合材料。目前，以預(yù)浸膠工藝制造的玻璃纖維增強(qiáng)塑料和碳纖維增強(qiáng)塑料結(jié)構(gòu)件得到越來越多的應(yīng)用。采用這種工藝方法時，只需一道工序就可制得具有普通曲率和復(fù)雜曲率的零件。與傳統(tǒng)的聚合物復(fù)合材料相比，預(yù)浸膠基復(fù)合材料的特點(diǎn)是抗裂性提高40%?50%、抗剪強(qiáng)度提高20%?50%、疲勞強(qiáng)度和持久強(qiáng)度提高20%?35%。采用這種復(fù)合材料，可使勞動量與耗能量減少1/2；使結(jié)構(gòu)質(zhì)量（特別是在采用蜂窩填充劑的情況下）減輕50%，結(jié)構(gòu)密封性提高5倍。鎳合金以最佳合金化及最佳組織的方法開發(fā)特種合金，可顯著提高單晶葉片的使用性能。其中最有前途的合金是以鋅合金化的熱強(qiáng)鐐合金。含鐐合金具有更高的工作溫度與更高的持久強(qiáng)度特性。在含6%?7%的試驗合金上得到了創(chuàng)紀(jì)錄的持久強(qiáng)度值：o1000100>300MPa，從而保證了第6代發(fā)動機(jī)用的帶有冷卻通道的單晶葉片的研制。采用含鐐合金，可使渦輪入口溫度提高到2000?2100K，使冷卻空氣的消耗量減少30%?50%，而在冷卻空氣消耗量相同時，使葉片使用壽命延長1?3倍。下面重點(diǎn)介紹先進(jìn)復(fù)合材料先進(jìn)復(fù)合材料簡述先進(jìn)復(fù)合材料是比原有通用復(fù)合材料具有更高性能的復(fù)合材料，包括各種高性能增強(qiáng)劑與耐溫性好的熱固性和熱塑性樹脂基體所構(gòu)成的高性能樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、玻璃基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料，包括使用其力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和使用其他性能的功能復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料是發(fā)展航空航天和國防尖端技術(shù)必不可少的高技術(shù)新材料，同時在汽車工業(yè)、民用飛機(jī)、橋梁、建筑、能源、交通運(yùn)輸、生物、醫(yī)療器械以及體育用品等方面有著廣泛的應(yīng)用前景【1】。先進(jìn)復(fù)合材料的主要特點(diǎn)：1）高的比強(qiáng)度和比模量⑵。2）各向異性和可設(shè)計性。纖維復(fù)合材料表現(xiàn)出顯著的各向異性，即沿纖維軸方向和垂直于纖維軸方向的許多性質(zhì)，包括光、電、磁、導(dǎo)熱、比熱、熱脹以及力學(xué)性能都有顯著的差別。材料的各向異性雖給材料性能的計算帶來麻煩，但也給設(shè)計帶來較多的自由度。3）良好的抗疲勞特性。疲勞破壞是材料在交變載荷下，由于裂紋的形成和擴(kuò)展而產(chǎn)生的低應(yīng)力破壞。在纖維復(fù)合材料中存在著難以計數(shù)的纖維樹脂界面,這些界面能阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，從而推遲疲勞破壞的發(fā)生。纖維復(fù)合材料的拉/壓疲勞極限值達(dá)到靜載荷的70%?80%，而大多數(shù)金屬材料的疲勞極限只有其靜強(qiáng)度的40%?50%。因而，通?？梢杂渺o力覆蓋疲勞處理大多數(shù)的疲勞問題。4）易于大面積整體成形。樹脂基復(fù)合材料在成形過程中，由于高分子化學(xué)反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，進(jìn)行理論分析與機(jī)理預(yù)測常常會有許多困難。但是對于批量生產(chǎn)而言，當(dāng)工藝規(guī)范確定后，復(fù)合材料構(gòu)件的制作較為簡單。5）賦予新的功能。復(fù)合材料組成的多樣化與隨意性為復(fù)合材料具有力學(xué)性能之外的許多功能（如聲、光、電、磁、熱）創(chuàng)造了條件,使復(fù)合材料擁有吸波、透波、導(dǎo)電、半導(dǎo)、發(fā)熱、耐熱、記憶、阻尼、摩擦、吸聲、阻燃、隔熱、磁阻、透析、透光等功能，賦予先進(jìn)復(fù)合材料新的內(nèi)涵，開拓了它在生物、能源、環(huán)保、測量、機(jī)械、建筑、軍事工業(yè)中新的應(yīng)用領(lǐng)域。先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用需求航空航天領(lǐng)域追求性能第一的特點(diǎn)，使其成為先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的率先實(shí)驗和轉(zhuǎn)化的戰(zhàn)場，航空航天工業(yè)的發(fā)展和需求推動了先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展，而先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用促進(jìn)了航空航天的進(jìn)步。先進(jìn)復(fù)合材料繼鋁、鋼、欽之后，迅速發(fā)展成四大結(jié)構(gòu)材料之一，已經(jīng)成為新一代航空航天器的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其用量成為航空航天結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性標(biāo)志之一。將先進(jìn)復(fù)合材料用于航空航天結(jié)構(gòu)上可相應(yīng)減重20一30%,這是其他先進(jìn)技術(shù)無法達(dá)到的效果。美國NASA的Langley研究中心在航空航天用先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展報告中指出各種先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用可以使亞音速運(yùn)輸機(jī)獲得51%減重（相對于起飛重量）效益，其中氣動設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)減重4.6%,復(fù)合材料機(jī)翼機(jī)身和氣動剪裁技術(shù)減重24.3%,發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和熱結(jié)構(gòu)設(shè)計減重13.1%,先進(jìn)導(dǎo)航與飛行控制系統(tǒng)減重9%I’〕。提高復(fù)合材料用量對促進(jìn)武器裝備的輕量化、小型化和高性能化起到了至關(guān)重要的作用。結(jié)構(gòu)輕量化所帶來的效益十分顯著，如戰(zhàn)略導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機(jī)第三級結(jié)構(gòu)重量減少Ikg,可增程16km,彈頭重量減少Ikg,可增程20km。對于彈頭、整流罩、固體火箭發(fā)動機(jī)和衛(wèi)星承力結(jié)構(gòu)、天線、太陽電池帆板以及坦克裝甲、避彈產(chǎn)品等苛刻的工作環(huán)境與材料性能要求，使得復(fù)合材料成為優(yōu)先的選復(fù)合材料技術(shù)與應(yīng)用可持續(xù)發(fā)展擇。導(dǎo)彈發(fā)射筒采用復(fù)合材料可以減輕重量20%以上，這不僅帶來相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)效益，而且可以增加武器裝備的機(jī)動性，還可以提高其抗疲勞、耐腐蝕性能。航空領(lǐng)域的材料體系更加強(qiáng)調(diào)性能和可靠性的綜合，先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用不僅具有減重本身的效益，而且還使飛機(jī)結(jié)構(gòu)的其他性能得到提升。例如復(fù)合材料的氣動剪裁技術(shù)提高結(jié)構(gòu)效率；整體成形技術(shù)減少連接，提高結(jié)構(gòu)可靠性，降低成本；復(fù)合材料耐腐蝕抗疲勞特點(diǎn)降低維護(hù)成本等等。而對于小型民機(jī)、直升機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)，其結(jié)構(gòu)每減少Ikg重量，受益分別為50、100、450、900美元。國外自1980年的F一18軍機(jī)開始，最新研究的殲擊機(jī)全部采用復(fù)合材料機(jī)翼，而且在機(jī)身上也大量采用先進(jìn)復(fù)合材料，占結(jié)構(gòu)重量達(dá)到25—50%。如第四代機(jī)中的2F2復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的25%,法國Rafale占40%,瑞典JAS39占30%,歐洲E幾000的則大于40%,美國的殺手鋼武器BZ戰(zhàn)略轟炸機(jī)占50%。民機(jī)上的復(fù)合材料用量也有大幅度提高。波音B7”共用復(fù)合材料9.9噸，占結(jié)構(gòu)總重的n%?！皦粝腼w機(jī)”B787用復(fù)合