航空航天材料要點(diǎn)

1、航空航天材料航空航天材料 一、定義 二、服役環(huán)境 三、要求 四、航天材料 五、發(fā)展方向 六、結(jié)語 （1）運(yùn)載火箭及導(dǎo)彈材料 （2） 航天飛行器材料 機(jī)體材料 發(fā)動(dòng)機(jī)材料 機(jī)載設(shè)備材料 （3）航天功能材料 航天：飛行器在地球3050km以外大氣層 的航行活動(dòng) 例如：火箭、衛(wèi)星、飛船、空間站、航天飛機(jī) 航空：飛行器在地球50km以內(nèi)大氣層的航 行活動(dòng)(對(duì)流層和平流層) 例如：飛機(jī)、飛艇、熱氣球、導(dǎo)彈等 飛船是發(fā)展載人航天技術(shù)的先導(dǎo)工具，返回艙是載人飛船的核心部分。飛船在發(fā)射上升段有整流罩防護(hù)，返回艙主要是承受振動(dòng)、噪聲和過載等力學(xué)環(huán)境。 飛船在軌道上飛行幾天到幾個(gè)月，受到太陽的直接照射和地球?qū)μ?/p>

2、的反射輻照以及地球的紅外輻射，環(huán)境溫度約為901251 。 溫度交變周期為95min左右。軌道飛行的低溫和高低溫交變環(huán)境，是防熱結(jié)構(gòu)的重要考慮因素。 軌道的其它環(huán)境：高能粒子輻射、太陽紫外輻射和微隕石撞擊等對(duì)防熱材料的影響也不可忽視。 ?航空航天材料處于極端苛刻的服役環(huán)境： 超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)力、強(qiáng)腐蝕、射線輻照、原子氧、粒子云、隕石。 ?設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： 靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)損傷容限設(shè)計(jì) ?設(shè)計(jì)選材時(shí)的決定因素： 壽命期成本、比強(qiáng)度、疲勞壽命、斷裂韌性、儲(chǔ)存期及可靠性、可維修性。 ?結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的關(guān)鍵： 輕質(zhì)高強(qiáng)和高溫耐蝕 ?功能材料發(fā)展的關(guān)鍵：高性能，智能化 航空航天器對(duì)材料的要求航空航天器對(duì)材

3、料的要求 要求表現(xiàn)：要求表現(xiàn)： 1.蒙皮的最高溫度可達(dá)1000以上 蒙皮：蒙于機(jī)體或翼面骨架外面構(gòu)成所需氣動(dòng)外形的板件。 要求表現(xiàn)：要求表現(xiàn)： 2.發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度則高達(dá)2000。 發(fā)動(dòng)機(jī)（Engine ）是一種能夠把其它形式的能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器，包括如內(nèi)燃機(jī)（汽油發(fā)動(dòng)機(jī)等）、外燃機(jī)（斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、蒸汽機(jī)等）、電動(dòng)機(jī)等。 要求表現(xiàn)： 3.輕質(zhì)高強(qiáng)可用比強(qiáng)度的概念來衡量: 克克計(jì)較各種材料比強(qiáng)度及其 與飛行器馬赫數(shù)的關(guān)系如下圖所示 為 了 滿 足 高 工作溫度的要求，新型材料如金屬間化合物、陶瓷、碳/碳及各種復(fù)合材料正在加速發(fā)展 要求表現(xiàn)：要求表現(xiàn)： 4.航空航天材料的耐溫性 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求：

4、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求： 先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比達(dá)到1215，渦輪前燃?xì)鉁囟葘⑦_(dá)到18002100 ， 這就需要研究發(fā)展更新一代的高溫材料，例如耐816 TiAl金屬基復(fù)合材料； 耐溫1093金屬間化合物；耐1200-1400C的Nb-Si合金;耐1538 陶瓷材料 ；耐1800Ir基合金; 耐溫1371隔熱涂層等。 對(duì)設(shè)計(jì)和性能的要求：對(duì)設(shè)計(jì)和性能的要求： 當(dāng)代飛機(jī)設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入損傷容限設(shè)計(jì)時(shí)代，對(duì)產(chǎn)品的可靠性和耐久性提出了很高的要求，軍機(jī)如此，民機(jī)尤甚。尤甚。 例如： （1）美國F15飛機(jī)設(shè)計(jì)壽命為4000h，而對(duì)新一代殲擊機(jī)的定壽指標(biāo)為8000h。 （2）民航機(jī)無裂紋壽命要求30000h，經(jīng)濟(jì)壽命

5、要求在，經(jīng)濟(jì)壽命要求在60000h以上，故障要求低于10-9。 （3）我國大運(yùn)：3000060000h，大客更長 航空器發(fā)展對(duì)材料的要求航空器發(fā)展對(duì)材料的要求 航空飛行器的工作條件十分復(fù)雜，就飛機(jī)而言，軍用飛機(jī)要求提高機(jī)動(dòng)性、近距格斗和全天候作戰(zhàn)的能力;民用飛機(jī)則要求安全性、可靠性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性，相應(yīng)地要求發(fā)展大推比和長舒適性、經(jīng)濟(jì)性，相應(yīng)地要求發(fā)展大推比和長壽命的發(fā)動(dòng)機(jī)以及先進(jìn)的火控電子設(shè)備和儀表系統(tǒng)； 所以對(duì)航空材料的主要要求是 耐高溫、高比強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕、長壽命和低成本。 航空航天高技術(shù)產(chǎn)業(yè)特點(diǎn) 1. 當(dāng)代科技的高度密集 2. 高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程 3. 科技發(fā)展的先導(dǎo)作用 4. 軍

6、民結(jié)合 5. 高可靠性和高風(fēng)險(xiǎn)度 6. 產(chǎn)品的多樣性和小批量 7. 成本和價(jià)格高 1. 運(yùn)載火箭及導(dǎo)彈材料 2. 航天飛行器材料 3. 航天功能材料 運(yùn)載火箭及導(dǎo)彈材料運(yùn)載火箭及導(dǎo)彈材料 應(yīng)用部位 材料 技術(shù)要求 箭體結(jié)構(gòu) 1、高強(qiáng)輕質(zhì)鋁合金 2、高性能碳/環(huán)氧復(fù)合 3、碳/雙馬來酰亞胺復(fù)合材料 4、碳/聚酰亞胺復(fù)合材料 實(shí)現(xiàn)彈體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量 推進(jìn)劑 貯箱 1、高強(qiáng)可焊鋁鋰合金 2、高性能碳/環(huán)氧復(fù)合材料 比常規(guī)鋁合金減重 戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭 1、先進(jìn)復(fù)合材料（如C/C） 2、高強(qiáng)輕質(zhì)鋁合金 3、抗輻射、隱身、多功能誘餌 材料 實(shí)現(xiàn)彈頭小型化、輕質(zhì)化、高性能、全天候、強(qiáng)突防 運(yùn)載火箭及導(dǎo)

7、彈材料運(yùn)載火箭及導(dǎo)彈材料 航天飛行器材料航天飛行器材料 ?大容量衛(wèi)星和小衛(wèi)星 碳纖維復(fù)合材料；碳 /環(huán)氧復(fù)合材料面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；高強(qiáng)輕質(zhì)鋁合金。 ? 空間站 太陽電池陣柔性材料；高可靠和長壽命密封材料、溫控材料、原子氧防護(hù)材料、特殊規(guī)格鋁合金和高強(qiáng)高模碳纖維復(fù)合材料 。 ?載人飛船和航天飛機(jī) 高強(qiáng)輕質(zhì)鋁合金；防熱材料 航空飛行器使用的材料航空飛行器使用的材料 ? 機(jī)體材料 ? 發(fā)動(dòng)機(jī)材料 ? 機(jī)載設(shè)備材料 機(jī)體材料 趨勢：大量采用高比強(qiáng)度和高比模量的輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模材料提高飛機(jī)的結(jié)構(gòu)效率，降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)。 ? 樹脂基復(fù)合材料和鈦合金用量增加 ? 傳統(tǒng)鋁合金和鋼材的用量減少 機(jī)體材料機(jī)

8、體材料 飛機(jī)型號(hào) 設(shè)計(jì)年代 鈦合金 復(fù)合材料 鋁合金 結(jié)構(gòu)鋼 F14 1969 24 1 39 17 F15 1972 27 2 36 6 F18 1978 13 12 49 17 F117 1983 25 10 20 5 F22 1989 41 24 11 5 B747 1969 4 1 81 13 B777 1994 7 11 70 11 飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料用量對(duì)比（結(jié)構(gòu)重量百分?jǐn)?shù)） B787和A380：復(fù)合材料的用量超過50% 發(fā)動(dòng)機(jī)材料發(fā)動(dòng)機(jī)材料 羅-羅公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)材料趨勢預(yù)測 推比10級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn) 對(duì)材料要求 重點(diǎn)發(fā)展材料技術(shù) 1、主要特征參數(shù)： 壓氣機(jī)出口溫度: 635OC 高壓渦輪進(jìn)口

9、溫度: 1715OC 加力燃燒室溫度: 1777OC 壓氣機(jī)總增壓比：25 2、壽命要求： 冷端部件：4000h 熱端部件：2000h 3、采用推力矢量噴管 1、某些部件必須采用輕 質(zhì)超高溫材料 2、大量采用高溫、輕質(zhì)、 高比強(qiáng)/高比模材料 3、需要大量各類鈦合金 4、材料抗氧化能力要求更 高 5、密封、隔熱、潤滑、軸 承要求更高 單晶材料；粉末材料；金屬基復(fù)合材料；高溫高分子材料及其復(fù)合材料；高溫、高強(qiáng)鈦合金；金屬間化合物基材料；高溫?zé)o機(jī)材料；高溫密封、潤滑、隔熱材料；超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（陶瓷、C/C）及高熔點(diǎn)金屬合金；高溫材料損傷容限數(shù)據(jù)測試及方法研究；無損檢測技術(shù)。 發(fā)動(dòng)機(jī)材料發(fā)動(dòng)機(jī)材料

10、 特點(diǎn) 對(duì)材料要求 重點(diǎn)發(fā)展材料 1、超視距攻擊能力 2、近距格斗能力 3、精確性高 4、靈敏反應(yīng) 5、抗干擾能力強(qiáng) 1、缺陷密度極低 2、針對(duì)不同用途對(duì)其物理性能（光、聲、電、磁、熱）要求高 3、加工、成形、聯(lián)結(jié)、涂覆技術(shù)不能對(duì)材料物理性能和裝備功能產(chǎn)生有害影響。 1、高靈敏度紅外探測材料 2、高透過率紅外頭罩材料 3、電磁致伸縮陶瓷材料 4、激光倍頻材料 5、高強(qiáng)度激光材料 6、雙脈沖點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)艙隔 板材料 7、雙模制導(dǎo)頭罩材料 8、零膨脹微晶玻璃 9、極高反射率鍍膜材料及 技術(shù) 以第四代殲擊機(jī)及其配套發(fā)動(dòng)機(jī)需求為例 機(jī)載設(shè)備材料（眼、耳、腦、神經(jīng)、血管等） 航天功能材料航天功能材料 1.

11、 微電子元器件材料 2. 光電子元器件材料 3. 信息材料（傳輸、存儲(chǔ)和顯示） 4. 傳感器敏感元件材料 5. 隱身和智能材料 人造衛(wèi)星上應(yīng)用的典型功能材料：人造衛(wèi)星上應(yīng)用的典型功能材料： 光電轉(zhuǎn)換材料；熱電材料；傳感材料；輻射屏蔽材料 主要航空航天材料主要航空航天材料 一輕合金及超高強(qiáng)度鋼 二高溫金屬結(jié)構(gòu)材料 三先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料 四先進(jìn)金屬基及無機(jī)非金屬基復(fù)合材料 五先進(jìn)功能材料 輕合金及超高強(qiáng)度鋼輕合金及超高強(qiáng)度鋼 1、鋁合金：民用飛機(jī)主體材料；變形、鑄造、粉末； Al合金：占B777機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的 70 2、鈦合金：、 、鑄造、粉末 Ti-6Al-4V（TC-4）：占F22機(jī)體總重量

12、的36 3、鎂合金：鑄造、變形、快速凝固粉末 Mg-Li合金：可以比水輕 4、超高強(qiáng)度鋼：最低屈服強(qiáng)度大于 1380MPa ；低、中、高合金化 300M鋼：主要承力件，如飛機(jī)起落架 高溫金屬結(jié)構(gòu)材料高溫金屬結(jié)構(gòu)材料 1、高溫鈦合金：使用溫度上限600 , 如： Ti-1100 2、鎳基高溫合金: 強(qiáng)化機(jī)制 (Ni3(Al、Ti)/ 3、金屬間化合物：Al化物、Si化物 4、難熔金屬及其合金：鉬、鉭、鈮、鎢、錸、銥 先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料 1、結(jié)構(gòu)聚合物基復(fù)合材料 2、功能聚合物基復(fù)合材料 電磁波（透波、吸波）； 防熱燒蝕（樹脂基和彈性體基）； 推進(jìn)劑； 多功能。 先進(jìn)金屬基及非金屬基復(fù)合材料先進(jìn)金屬基及非金屬基復(fù)合材料 1、先進(jìn)金屬基復(fù)合材料 W/Cu；SiCP/Al 2、先進(jìn)金屬間化合物基復(fù)合材料 3、先進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料 4、先進(jìn)C/C復(fù)合材料 先進(jìn)功能材料先進(jìn)功能材料 1. 微電子材料 2. 光電子材料 3. 信息材料（傳輸、存儲(chǔ)和顯示） 4. 功能陶瓷與敏感材料 5. 隱身材料 6. 智能材料 1. 高性能 2. 高功能和多功能 3. 復(fù)合化 4. 智能化 5. 低成本 6. 高環(huán)境相容性 7. 材料的計(jì)算設(shè)計(jì)和仿真模擬 發(fā)展方向發(fā)展方向 在現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷程中，航空材料一