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分類

編輯

根據(jù)材料的組成與結(jié)構的特點，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)構單元或單體）以共價鍵結(jié)合成具有多個重復單體單元的大分子，其相對分子質(zhì)量高達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、復合陶瓷等新型材料。無機非金屬材料來源豐富、成本低廉、應用廣泛。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、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、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)構材料。增強體是指復合材料中借基體粘結(jié)，強度、模量遠高于基體的組分。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，主要作為復合材料的增強材料。基體是指復合材料中粘結(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，從而使復合材料產(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)氧樹脂復合材料的疲勞性能和斷裂韌度都遠優(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)構材料和功能材料兩大類。結(jié)構材料以力學性能為主，功能材料以物理、化學性能為主。

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代的技術基礎。主要的航空結(jié)構材料包括結(jié)構鋼與不銹鋼、高溫合金、輕金屬材料（含鋁及鋁合金、鈦及鈦合金）、聚合物基復合材料等。

飛機機體的主要結(jié)構村料是結(jié)構鋼、輕金屬材料和復合材料：為了提高飛機的結(jié)構效率.降低飛機結(jié)構重量系數(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用。隨著飛機性能的提高，樹脂基復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，樹脂基復合材料的用量已達到整機結(jié)構重量的24%,鈦合金用量達到整機結(jié)構重量的41%;與此同時，鋁合金用量下降為只占整機結(jié)構重量的15%，鋼的用量下降為只占整機結(jié)構重量的5%。民機以B-777為例，樹脂基復合材料的用量已占整機結(jié)構重量的11%,鈦合金用量已占到整機結(jié)構重量的7%;與此同時，鋁合金用量下降為占整機結(jié)構重量的70%,但仍是飛機機體結(jié)構的主要結(jié)構材料；鋼的用量下降為只占整機結(jié)構重量的11%。 [3] 

航空發(fā)動機的主要結(jié)構材料是不銹鋼、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、高溫樹脂基復合材料、金屬間化合物及其復合材料、熱障涂層材料、金屬基復合材料、陶瓷基和碳/碳復合材料等。 [3] 

機載設備中的關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)構質(zhì)量，減輕飛行器本身結(jié)構質(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，減少燃油或推進劑的消耗。材料比剛度在航空系統(tǒng)中也是非常關鍵的參數(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)動機燃氣以及太空中太陽的輻照造成的。航空器長時間在空氣中飛行，有的飛行速度高達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，并應具有在高溫下*工作的組織結(jié)構穩(wěn)定性。火箭發(fā)動機燃氣溫度達30000C以上，噴射速度可達十余個馬赫數(shù)，而且固體火箭燃氣中還夾雜有固體粒，彈道頭部在進入大氣層時速度高達20個馬赫數(shù)以上，溫度高達上萬攝氏度，有時還會受到粒子云的侵蝕，因此在航空技術領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℃）作推進劑，這為材料提出了更嚴峻的環(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該具備的良好特性。 [1] 

4．適應空間環(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)象會使光學鏡頭因揮發(fā)物沉積而被污染，密封結(jié)構因老化而失效。航天材料一般是通過地面模擬試驗來選擇和發(fā)展的，以求適應于空間環(huán)境。 [1] 

5．壽命和安全

為了減輕飛行器的結(jié)構質(zhì)量，選取盡可能小的安全余量而達到可靠的安全壽命，被認為是飛行器設計的奮斗目標。對于導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的壽命，以此作為設計、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行自然老化和人工加速老化試驗，確定其壽命的保險期。復合材料的破損模式、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，與航空技術關系極為密切，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，氣動力加熱效應使機身表面溫度升高，需要結(jié)構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

航空器是技術密集、高集成度的復雜產(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*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)品的成本和價格構成中占有相當份額，所以科學地選材和努力發(fā)展低成本材料技術是航空材料發(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)構質(zhì)量和提高結(jié)構效率、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。

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鍵技術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的光電成像夜視技術能增強坦克、裝甲車、飛機、軍艦及步兵的夜戰(zhàn)能力，紅外成像制導技術可大大提高導的率和抗*力，以新型固體激光材料為基礎的激光測距和火控系統(tǒng)等可使靈活*能力大大加強。 [1] 

3. 復合化

復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，包括設計理念的創(chuàng)新和設計團隊知識的更新，航空產(chǎn)品供應鏈的戰(zhàn)略性改變，新型復合材料技術不斷出現(xiàn)（如混雜復合技術、源于自然界中珍珠貝殼結(jié)構后發(fā)的仿生復合技術），以及對航空維修業(yè)提出*的挑戰(zhàn)。復合材料可以明顯減輕結(jié)構質(zhì)量和提高結(jié)構效率。國外衛(wèi)星、戰(zhàn)略導及固體火箭發(fā)動機的關鍵結(jié)構材料幾乎已經(jīng)復合材料化。 [1] 

4. 智能化

智能化是航空航天材料重要發(fā)展趨勢之一。智能復合材料將復合材料技術與現(xiàn)代傳感技術、信息處理技術和功能驅(qū)動技術集成于一體，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)和大小進行相應的調(diào)節(jié)，使構件適應有關變化。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、自保護等多種特殊功能。智能復合材料是傳感技術、計算機技術與材料科學交叉融合的產(chǎn)物，存在許多領域展現(xiàn)了廣闊的應用前景，例如飛機的智能蒙皮與自適應機翼就是由智能復合材料構成的一種的智能結(jié)構。 [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)構設計、制造、檢測評價以及維護維修等全過程。對碳纖維復合材料而言，其制造成本在整個成本中占有相當大的比例；因此，對其低成本制造技術應投入足夠關注。各種低成本制造技術發(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和以大型復雜構件的共固化/共膠接為代表的整體化成型技術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．材料的計算設計和模擬仿真

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