航天常用結(jié)構(gòu)材料.ppt

空間結(jié)構(gòu)材料分類,先進(jìn)航天器對(duì)材料要求越來越高: 輕量化、高強(qiáng)、高模量 高尺寸穩(wěn)定、高導(dǎo)熱 高耐磨、高阻尼 抗空間輻照,某些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)： 鋼、鈦：重，導(dǎo)熱差 鋁合金：剛性差，不耐磨 聚合物復(fù)合材料：不耐輻射，老化 先進(jìn)樹脂基、金屬基、陶瓷基復(fù)合材料！,航天需求（輕質(zhì)高強(qiáng)高模量、高尺寸穩(wěn)定、抗空間射線輻照）,空間結(jié)構(gòu)材料,結(jié)構(gòu)材料是宇航制造的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)空間結(jié)構(gòu)材料的要求也不斷提高。 具體要求為： 優(yōu)良的耐高低溫性能 輕質(zhì)、高模量、高強(qiáng)度 適應(yīng)空間環(huán)境 高壽命和安全可靠性,空間結(jié)構(gòu)-常用金屬材料,空間常用金屬結(jié)構(gòu)材料：鋁合金、鎂合金、鋼、鈦合金、鈹及鈹合金。 金屬材料的特點(diǎn)：強(qiáng)度高、彈性模量高、穩(wěn)定性好、加工工藝性能好、材料規(guī)格齊全。 通常用于本體結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、壓力容器、各種連接件和機(jī)構(gòu)零件。,3D打印(3DP):是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。,空間結(jié)構(gòu)-常用金屬材料,纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料,空間結(jié)構(gòu)-常用復(fù)合材料,復(fù)合材料特點(diǎn)：連續(xù)相的基體+增強(qiáng)體。不同材料取長補(bǔ)短，協(xié)同作用，產(chǎn)生原本單一材料本身所沒有的新性能。高比模量/比強(qiáng)度值、耐腐蝕、材料可設(shè)計(jì)性。 基體材料 金屬和非金屬兩大類。 金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。 非金屬基體主要有合成樹脂、石墨、橡膠、陶瓷等。 增強(qiáng)材料 主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、石棉纖維、碳化硅纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。 復(fù)合材料應(yīng)用：衛(wèi)星結(jié)構(gòu)本體、太陽電池陣結(jié)構(gòu)、天線結(jié)構(gòu)、桿及支架結(jié)構(gòu),鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板(衛(wèi)星結(jié)構(gòu)),由上面板、下面板和多孔蜂窩夾芯組成。 承受軸壓、側(cè)壓、彎曲時(shí)能發(fā)揮較高的材料性能，可阻止結(jié)構(gòu)失穩(wěn)， 起結(jié)構(gòu)隔離和隔熱作用。,纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料 常用的樹脂為環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂。樹脂基體以熱固性樹脂為主。 纖維材料有玻璃纖維，芳綸纖維和碳纖維。 主要成型工藝有接觸成型、纏繞成型、真空成型及層壓和模壓成型等。 碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在空間結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用，具有如下優(yōu)點(diǎn)： 高比強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度與材料表觀密度之）和比模量, ，耐疲勞 導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能良好 熱膨脹系數(shù)小。 易于整體成型，根據(jù)性能要求，設(shè)計(jì)編織與熱固化成型工藝 密度小，重量輕，可比常規(guī)金屬結(jié)構(gòu)減重30%左右。 碳纖維復(fù)合材料一般以疊合制成多層板使用，通常有兩種復(fù)合形式 每層的纖維方向相同排列，為單向纖維復(fù)合材料。 各層纖維方向呈不同角度，通常稱為多向纖維復(fù)合材料。,碳纖維多向鋪層方式,空間結(jié)構(gòu)-常用復(fù)合材料,顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 （典型：鋁基SiC）,金屬基復(fù)合材料,鋁、鎂、鈦是金屬基復(fù)合材料的主要基體，增強(qiáng)材料一般可分為纖維、顆粒和晶須三類。 金屬基復(fù)合材料的特點(diǎn)：高比強(qiáng)度、高比剛度、良好的高溫性能、低熱膨脹系數(shù)、良好的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性。 鋁基復(fù)合材料:性能優(yōu)異/價(jià)低/工藝相容性好/用途廣 鎂基復(fù)合材料:輕質(zhì)/比強(qiáng)度高，用于特殊結(jié)構(gòu)件 鈦基復(fù)合材料:輕質(zhì)/高強(qiáng)/耐高溫，發(fā)動(dòng)機(jī)部件 金屬陶瓷(Ni/Fe):硬度/強(qiáng)度高/耐高溫，耐磨部件/工模具 其中以非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(DRA)最為應(yīng)用廣泛 高比強(qiáng)度、高比模量。適中的斷裂韌性。 低熱膨脹、高導(dǎo)熱。 尺寸穩(wěn)定性好，各向同性 耐磨、耐疲勞。,金屬基復(fù)合材料,固態(tài)法：DRA的粉末冶金制備過程,液態(tài)法： 液態(tài)金屬復(fù)合熔煉法， 液態(tài)金屬浸漬法 真空壓力浸漬、擠壓鑄造、無壓浸滲 固體法：粉末冶金,性能要求： 低膨脹 高尺寸穩(wěn)定 高剛性,材料：SiC含量較高,尺寸：壁厚差別大 形狀：復(fù)雜,+,液態(tài)模鍛成型,復(fù)合材料磨損率,對(duì)偶磨損率(GR15 steel),摩擦條件: 油潤滑 / 壓力: 300N / 滑動(dòng)速度:30m/min,比鋁青銅優(yōu)異的耐磨性 與陶瓷等耐磨材料相比，對(duì)偶損傷小,理想的耐磨材料,摩擦磨損性能,金屬基復(fù)合材料,第16頁,纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料 （典型：C-SiC）,陶瓷基復(fù)合材料是一種兼有金屬材料、陶瓷材料和碳材料性能優(yōu)點(diǎn)的熱結(jié)構(gòu)/功能一體化新型材料，克服了傳統(tǒng)金屬材料密度高,陶瓷材料脆性大和可靠性差、碳材料抗氧化性差和強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、高比模、抗氧化、抗燒蝕，對(duì)裂紋不敏感，不發(fā)生災(zāi)難性毀損等特點(diǎn)。同時(shí)，陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)良的超低溫性能和抗輻照性能。 陶瓷基復(fù)合材料的特性決定了其能夠滿足航空航天器高速度、高精度、高搭載和長壽命對(duì)于結(jié)構(gòu)材料的需求。 采用化學(xué)氣相滲透沉積工藝（CVI），可制作各種輕型高強(qiáng)度，低膨脹，耐高溫抗氧化構(gòu)件。,組織 纖維增強(qiáng)體+ 基體+纖維/基體界面層組成的復(fù)合體。,纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料,陶瓷基復(fù)合材料戰(zhàn)略地位,覆蓋的使用溫度寬，應(yīng)用領(lǐng)域廣，軍用不可替代、民用市場(chǎng)廣闊。,纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料,CMC材料空間應(yīng)用主要包括： 推進(jìn)系統(tǒng)液體火箭和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以及衛(wèi)星動(dòng)力系統(tǒng)；頭錐、前緣、機(jī)身襟翼、艙體結(jié)構(gòu) 熱防護(hù)系統(tǒng)可重復(fù)使用飛行器（空天飛行器超高速飛行器）的長壽命TPS和熱結(jié)構(gòu)構(gòu)件； 熱端部件航空與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)襯、火焰筒、噴口導(dǎo)流葉片、渦輪導(dǎo)向葉片、渦輪外環(huán)及尾噴管相關(guān)構(gòu)件；飛機(jī)剎車盤 輕量化光學(xué)部件衛(wèi)星通信、高能量激光傳輸和衛(wèi)星觀測(cè)反射鏡及反射鏡支撐結(jié)構(gòu)。,纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料,空間低熱膨脹，高穩(wěn)定性光機(jī)構(gòu)件,克服了樹脂材料吸濕和真空放氣等缺點(diǎn),結(jié)構(gòu)功能材料,結(jié)構(gòu)功能材料,智能材料是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術(shù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。,超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺寸上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表現(xiàn)自然規(guī)律的限制，從而獲得超常的材料功能。,智能材料與超材料在空間有著廣泛的應(yīng)用前景,形狀記憶合金在發(fā)生塑性變形后，經(jīng)過合適的熱過程，能夠回復(fù)到變形前的形狀，這種材料已應(yīng)用到航空航天裝置中。 美國成功利用記憶合金將月球天線體積縮小到原來的千分之一。,壓電陶瓷具有把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能力，是高精度、高速驅(qū)動(dòng)器所必須的材料，已應(yīng)用在各種跟蹤系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)器人微定位器等。,需求：高性能疊層式壓電陶瓷(帶應(yīng)變反饋)。,需求：記憶合金展開，解鎖機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)功能材料,NASA的科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)一種由聚合物所制成的柔性氣凝膠，作為太空飛船在穿過大氣層時(shí)的絕緣材料。,航空航天器蒙皮中植入能探測(cè)激光、核輻射等多種傳感器，形成智能蒙皮，可用于對(duì)敵方威脅進(jìn)行監(jiān)視和預(yù)警。