航空航天材料工程

1、L/O/G/O 航空工程材料航空工程材料一、緒論一、緒論劉傳生：劉傳生：， QQ：1727732739教師介紹教師介紹課程安排課程安排考核方法考核方法13周，周，36學時學時 平時表現(xiàn)：占平時表現(xiàn)：占40%，課堂表現(xiàn)、出勤率、課，課堂表現(xiàn)、出勤率、課堂小考、作業(yè)等堂小考、作業(yè)等期末考試，閉卷期末考試，閉卷內(nèi)容提綱內(nèi)容提綱材料的概念與分類材料的概念與分類1.1航空航天材料簡史航空航天材料簡史1.2材料的性能材料的性能材料的重要作用材料的重要作用舉例：舉例：舊石器時代舊石器時代 距今約距今約250萬年萬年新石器時代新石器時代 距今距今1萬年萬年青銅時代青銅時代 公元前公元前3000年年鐵器時代鐵器

2、時代 公元前公元前1000年年水泥、鋼、塑料；合成纖維（如尼龍）取代自然纖維（如棉、麻，蠶絲）水泥、鋼、塑料；合成纖維（如尼龍）取代自然纖維（如棉、麻，蠶絲） 信息時代：信息時代：20世紀世紀50年代，基于硅的集成電路取代分立式晶體管年代，基于硅的集成電路取代分立式晶體管 新材料時代：納米材料、復合材料新材料時代：納米材料、復合材料回顧歷史，任何一個時代的變革，都是以新材料的產(chǎn)生為基礎回顧歷史，任何一個時代的變革，都是以新材料的產(chǎn)生為基礎的，新材料總是：的，新材料總是：革命性的革命性的改變?nèi)藗兊纳詈臀幕倪M程改變?nèi)藗兊纳詈臀幕倪M程產(chǎn)生一種全新的工業(yè)產(chǎn)生一種全新的工業(yè)航空飛行器航空飛行器航

3、天飛行器航天飛行器要求要求：輕質(zhì)高強：輕質(zhì)高強：“克克計較克克計較”，對航天飛機來說，對航天飛機來說，每減重每減重1kg的經(jīng)濟效益逾萬美元。的經(jīng)濟效益逾萬美元。高溫耐蝕：發(fā)動機材料、再入過程、宇宙射高溫耐蝕：發(fā)動機材料、再入過程、宇宙射線、低地球軌道上原子氧等線、低地球軌道上原子氧等航空航天材料航空航天材料：泛指用于制造航空、航天飛行器的材料。泛指用于制造航空、航天飛行器的材料。重要作用重要作用：先導和基礎作用。先導和基礎作用。“一代材料，一代飛行器一代材料，一代飛行器”航空航天材料反映出材料發(fā)展的前沿，特別航空航天材料反映出材料發(fā)展的前沿，特別是代表了一個國家結構材料技術的最高水平。是代表了

4、一個國家結構材料技術的最高水平。大氣層內(nèi)航行大氣層內(nèi)航行如：飛機、飛艇、如：飛機、飛艇、熱氣球等熱氣球等大氣層外航行大氣層外航行如：人造衛(wèi)星、宇如：人造衛(wèi)星、宇宙飛船、空間站等宙飛船、空間站等1.1 材料的概念與分類材料的概念與分類1.1 材料的概念與分類材料的概念與分類復合材料復合材料金屬材料金屬材料鐵合金材料鐵合金材料鋼鋼鐵鐵非鐵合金材料非鐵合金材料鋁及其合金鋁及其合金銅及其合金銅及其合金鈦及其合金鈦及其合金鎂及其合金鎂及其合金鎳及其合金鎳及其合金非金屬材料非金屬材料有機聚合物有機聚合物纖維纖維橡膠橡膠塑料塑料無機材料無機材料水泥水泥玻璃玻璃陶瓷陶瓷樹脂基樹脂基顆粒增強顆粒增強纖維增強纖維

5、增強晶須增強晶須增強編織結構增強編織結構增強金屬金屬基復基復合材合材料料工程材料工程材料陶瓷陶瓷基復基復合材合材料料按組織成分分類按組織成分分類用于機械或建筑工程用于機械或建筑工程經(jīng)人工提煉或制造，非經(jīng)人工提煉或制造，非自然直接提供自然直接提供固體材料固體材料1.1 材料的概念與分類材料的概念與分類工程材料工程材料按使用功能分類按使用功能分類功能材料功能材料結構材料結構材料用于制造實現(xiàn)運動和傳用于制造實現(xiàn)運動和傳遞動力的零件遞動力的零件性能指標：力學性能（性能指標：力學性能（強度、硬度、剛度、塑強度、硬度、剛度、塑性、韌性、疲勞強度、性、韌性、疲勞強度、耐磨強度等）耐磨強度等）包括金屬、高分子

6、、復包括金屬、高分子、復合材料等合材料等 利用物理特性及其對外部利用物理特性及其對外部環(huán)境的響應實現(xiàn)信息處理環(huán)境的響應實現(xiàn)信息處理和能量轉換和能量轉換性能指標：聲、光、電、性能指標：聲、光、電、磁、熱等物理性能磁、熱等物理性能隱身、減振、隔熱、信息、隱身、減振、隔熱、信息、電子材料電子材料1.2 航空航天材料簡史：航空航空航天材料簡史：航空孔明燈和熱氣球：紙、漆布（亞麻）孔明燈和熱氣球：紙、漆布（亞麻）1903年年12月月17日，萊特兄弟制造出世界上第一架動力飛機日，萊特兄弟制造出世界上第一架動力飛機 “飛行者飛行者1號號”。這是一架。這是一架用輕質(zhì)木料為骨架、帆布為蒙皮的雙翼機。其中木材占用

7、輕質(zhì)木料為骨架、帆布為蒙皮的雙翼機。其中木材占47,鋼占鋼占35，布占，布占18,飛機飛機的飛行速度只有的飛行速度只有16公里公里/時。時。鋁合金時代鋁合金時代：鋁合金、鎂合金：鋁合金、鎂合金 1906年德國冶金學家發(fā)明了可以時效強化的硬鋁，使制造全金屬結構的飛機成為可年德國冶金學家發(fā)明了可以時效強化的硬鋁，使制造全金屬結構的飛機成為可能。能。 40年代出現(xiàn)的全金屬結構飛機的承載能力已大大增加，飛行速度超過了年代出現(xiàn)的全金屬結構飛機的承載能力已大大增加，飛行速度超過了600公里公里/時。時。高溫合金時代高溫合金時代：鈦基高溫合金、鎳基高溫合金：鈦基高溫合金、鎳基高溫合金 在合金強化理論的基礎上

8、發(fā)展起來的一系列高溫合金使得噴氣式發(fā)動機的性能得以不在合金強化理論的基礎上發(fā)展起來的一系列高溫合金使得噴氣式發(fā)動機的性能得以不斷提高。斷提高。 50年代年代鈦合金鈦合金的研制成功和應用對克服機翼蒙皮的的研制成功和應用對克服機翼蒙皮的“熱障熱障”問題起了重大作用，飛機問題起了重大作用，飛機的性能大幅度提高的性能大幅度提高,最大飛行速度達到了最大飛行速度達到了3倍音速。倍音速。SR-71“黑鳥黑鳥”（Black Bird），美國空軍高空高速），美國空軍高空高速偵察機。機身采用低重量、偵察機。機身采用低重量、高強度的鈦合金作為結構材高強度的鈦合金作為結構材料料 最大飛行高度：最大飛行高度：30000

9、米米最大速度：最大速度：3.5馬赫馬赫1.2 航空航天材料簡史：航空航空航天材料簡史：航空 先進復合材料時代（現(xiàn)階段）先進復合材料時代（現(xiàn)階段）：聚合物基、陶瓷基、金屬基、金屬間化物基復合材料復合材料代替鋁，可實現(xiàn)復合材料代替鋁，可實現(xiàn)20-40%的減重。的減重。復合材料的用量及其性能水平已成為飛行器先進性的重要標志之一。復合材料的用量及其性能水平已成為飛行器先進性的重要標志之一。 - 1959年，聚丙烯腈（PAN）基碳纖維在日本問世 - 60年代中期生產(chǎn)出碳纖維復合材料 - 70年代初碳纖維增強復合材料被首先應用于軍機1.2 航空航天材料簡史：航空航空航天材料簡史：航空1.2 航空航天材料簡

10、史：航空航空航天材料簡史：航空飛機型號 設計年代鈦合金（%）復合材料（%）鋁合金（%）鋼（%）F1419692413917F18197813124917F2219894124115B219882650196軍用飛機結構材料用量對比（整機重量百分比）軍用飛機結構材料用量對比（整機重量百分比）1.2 航空航天材料簡史：航空航空航天材料簡史：航空三代戰(zhàn)機：F-14：平尾等受力小的部分，復合材料用量1% F-18：機翼等部位，復合材料用量12%F14戰(zhàn)斗機F18戰(zhàn)斗機1.2 航空航天材料簡史：航空航空航天材料簡史：航空四代戰(zhàn)機：機翼、機身、垂尾、平尾、進氣道、起落架等大面積使用復合材料，F(xiàn)-22：24

11、%，鈦合金41% F-35：35% 1.2 航空航天材料簡史：航空航空航天材料簡史：航空其他軍機：其他軍機：B-2隱形轟炸機：隱形轟炸機：50% Tiger虎式武裝直升機：虎式武裝直升機：45%1.2 航空航天材料簡史：航空航空航天材料簡史：航空我國的殲我國的殲-10：三代半戰(zhàn)機，機翼為全金屬，復合材料用：三代半戰(zhàn)機，機翼為全金屬，復合材料用量很少量很少殲殲-10戰(zhàn)斗機是我國第一架完全獨立擁有自主知識產(chǎn)權的戰(zhàn)斗機，戰(zhàn)斗機是我國第一架完全獨立擁有自主知識產(chǎn)權的戰(zhàn)斗機，2005年正式裝備部隊并在很短的時間內(nèi)成建制、系統(tǒng)地形成了戰(zhàn)斗年正式裝備部隊并在很短的時間內(nèi)成建制、系統(tǒng)地形成了戰(zhàn)斗力。力。大型客

12、機：大型客機：鋁合金鋁合金（%）鋼鋼（%）鈦合金鈦合金（%）復合材料復合材料（%）B-747811341B-757781263B-767801423B-77770117101.2 航空航天材料簡史：航空航空航天材料簡史：航空A-380: 25%，中心翼盒用復合材料，中心翼盒用復合材料5.3噸，噸，實現(xiàn)減重實現(xiàn)減重1.5噸。噸。 B-787: 50%，有史以來第一款在主體結構，有史以來第一款在主體結構（機翼和機身）上采用先進復合材料的大型客（機翼和機身）上采用先進復合材料的大型客機。機。A-350：40%波音與空客對決的關鍵：復合材料！波音與空客對決的關鍵：復合材料！2008年年6月月2日，在四

13、川省北川縣擂鼓鎮(zhèn)，一架前蘇聯(lián)日，在四川省北川縣擂鼓鎮(zhèn)，一架前蘇聯(lián)米米26直升機完成唐家山堰塞湖搶險設備向外吊運工直升機完成唐家山堰塞湖搶險設備向外吊運工作后離開。作后離開。 通用飛機：通用飛機：除從事定期客運、除從事定期客運、貨運等公共航空運輸飛機之貨運等公共航空運輸飛機之外的其他民用航空活動的所外的其他民用航空活動的所有飛機的總稱。有飛機的總稱。賽斯納賽斯納 172超輕型噴氣飛超輕型噴氣飛機機Learjet 85：全碳纖維復合全碳纖維復合材料結構材料結構1.2 航空航天材料簡史：航空航空航天材料簡史：航空總結總結：通過以上對航空材料發(fā)展歷程的回顧，我們看通過以上對航空材料發(fā)展歷程的回顧，我們

14、看到，無論是軍機還是民機，鋼和鋁合金的用量到，無論是軍機還是民機，鋼和鋁合金的用量都在日漸減少，而都在日漸減少，而高溫鈦合金高溫鈦合金和和先進復合材料先進復合材料是今后重點發(fā)展的航空材料。是今后重點發(fā)展的航空材料。1.2 航空航天材料簡史：航空航空航天材料簡史：航空1.2 航空航天材料簡史：航天航空航天材料簡史：航天航天與航空材料有什么相同點和不同點？航天與航空材料有什么相同點和不同點？應用背景應用背景：當航天飛行器（導彈、火箭、飛船等）以高超音速沖出大當航天飛行器（導彈、火箭、飛船等）以高超音速沖出大氣和返回地面時，在氣動加熱下，其表面溫度可達氣和返回地面時，在氣動加熱下，其表面溫度可達10

15、003000 C。固體火箭發(fā)動機工作時，燃燒室壓強可達固體火箭發(fā)動機工作時，燃燒室壓強可達200個大氣壓，個大氣壓，產(chǎn)生產(chǎn)生2000 C的高溫，燃氣在噴喉處的流速達的高溫，燃氣在噴喉處的流速達1馬赫數(shù)。馬赫數(shù)。航天材料要求：不僅要輕質(zhì)高強，還要耐高溫耐腐蝕航天材料要求：不僅要輕質(zhì)高強，還要耐高溫耐腐蝕熱防護是關鍵問題！熱防護是關鍵問題！熱防護材料發(fā)展熱防護材料發(fā)展：20世紀世紀50年代以后，材料年代以后，材料燒燒蝕防熱理論蝕防熱理論的出現(xiàn)以及的出現(xiàn)以及燒蝕材料燒蝕材料的研制成功，解的研制成功，解決了彈道導彈彈頭及航天器的再入防熱問題。決了彈道導彈彈頭及航天器的再入防熱問題。 1969年年7月月

16、20日人類首次登月，此后航天事業(yè)大日人類首次登月，此后航天事業(yè)大發(fā)展！發(fā)展！ 1.2 航空航天材料簡史：航天航空航天材料簡史：航天天地往返運輸系統(tǒng)的運載工具：載人飛船、航天飛機天地往返運輸系統(tǒng)的運載工具：載人飛船、航天飛機第一代航天飛機第一代航天飛機：垂直起飛，水平降落，部分多次重復使用，飛行次數(shù)：垂直起飛，水平降落，部分多次重復使用，飛行次數(shù)100次。次。 采用防熱采用防熱-結構分開設計的思想：冷結構結構分開設計的思想：冷結構+熱防護系統(tǒng)熱防護系統(tǒng)第二代航天飛機第二代航天飛機：水平起飛，：水平起飛，二級入軌二級入軌，部分重復使用。，部分重復使用。 部分部分熱結構設計熱結構設計為主與冷結構為主

17、與冷結構+熱防護系統(tǒng)相結合熱防護系統(tǒng)相結合創(chuàng)新處：創(chuàng)新處：1. 二級入軌：用超高音速飛機把二級飛行器用火箭發(fā)動機送入空間二級入軌：用超高音速飛機把二級飛行器用火箭發(fā)動機送入空間 軌道，飛機返回地面。軌道，飛機返回地面。 2. 熱結構設計：把承力結構設計和熱防護的隔熱防熱設計結合在一熱結構設計：把承力結構設計和熱防護的隔熱防熱設計結合在一起。起?？仗祜w機空天飛機：水平起飛，一級入軌，完全重復使用：水平起飛，一級入軌，完全重復使用 全機采用熱結構設計全機采用熱結構設計1.2 航空航天材料簡史：航天航空航天材料簡史：航天應用部位應用部位材料材料適用范圍適用范圍備注備注頭錐帽，機翼前緣頭錐帽，機翼前緣

18、抗氧化碳抗氧化碳/碳碳1260 C已實用已實用機身，機翼下表面機身，機翼下表面剛性陶瓷瓦剛性陶瓷瓦650-1260 C已實用已實用機身，機翼上表面機身，機翼上表面柔性陶瓷隔熱氈柔性陶瓷隔熱氈370-650 C已實用已實用美國航天飛機熱防護系統(tǒng)所用材料情況美國航天飛機熱防護系統(tǒng)所用材料情況1.2 航空航天材料簡史：航天航空航天材料簡史：航天u美研制美研制X-37高速飛行高速飛行(2005(2005年年6 6月月2121日日搭乘搭乘“白騎士白騎士”首次飛行首次飛行 ) )無人駕駛，全機身復合材料，二級入軌，水平降落。若成功可在兩小時內(nèi)對地球任何地點進行打擊無人駕駛，全機身復合材料，二級入軌，水平降

19、落。若成功可在兩小時內(nèi)對地球任何地點進行打擊1.2 航空航天材料簡史：航天航空航天材料簡史：航天uX-33飛行器TPSu美研制美研制X-33無人駕駛、一級入軌。無人駕駛、一級入軌。 2001 年年 3 月，由于存在諸多難以突破的技月，由于存在諸多難以突破的技術難關，術難關，NASA 取消了已經(jīng)耗資了取消了已經(jīng)耗資了 13 億美元的億美元的 X-33 項目項目1.2 航空航天材料簡史：航天航空航天材料簡史：航天1.3 材料的性能材料的性能1.3.1 靜載荷作用下材料的力學性能靜載荷作用下材料的力學性能1. 強度強度（1）彈性極限和彈性模量）彈性極限和彈性模量（2）屈服強度）屈服強度（3）抗拉強度

20、）抗拉強度2. 塑性塑性（1）延伸率）延伸率（2）斷面收縮率）斷面收縮率3.硬度硬度（1）布氏硬度：適用于較軟材料）布氏硬度：適用于較軟材料（2）洛氏硬度：適用于較硬材料）洛氏硬度：適用于較硬材料飛行器選材與設計時，必須考慮材料的使用性能和工藝性能。飛行器選材與設計時，必須考慮材料的使用性能和工藝性能。1.3 材料的性能材料的性能1.3.2 動載荷作用下材料的力學性能動載荷作用下材料的力學性能1. 沖擊韌性：材料在沖擊力作用下所具有的抵抗變形和斷裂的能力沖擊韌性：材料在沖擊力作用下所具有的抵抗變形和斷裂的能力2. 斷裂韌性：材料的應力強度因子斷裂韌性：材料的應力強度因子KI在動載荷加載過程中增

21、大至某一數(shù)值時，在動載荷加載過程中增大至某一數(shù)值時，突然快速脆斷，這一臨界值稱為斷裂韌性，用突然快速脆斷，這一臨界值稱為斷裂韌性，用KIC表示。表示。測試標準：美國測試標準：美國ASTM D5045-99試驗方法試驗方法1：三點彎試驗：三點彎試驗試驗方法試驗方法2：拉伸試驗：拉伸試驗1.3 材料的性能材料的性能3. 疲勞強度：在交變載荷下，經(jīng)過一段時間后，材料發(fā)生斷裂，此時材料所受的應力稱為疲勞強度。測試方法：通過測定鋼在106107周期和非鐵金屬在107108周期加載而不斷裂的最大應力而得到，單位MPa。1.3 材料的性能材料的性能1.3.3 材料高溫和低溫下的力學性能材料高溫和低溫下的力學

22、性能 高溫性能高溫性能蠕變?nèi)渥儯寒敳牧显诟邷叵麻L時間工作，應力小于屈服強度時，：當材料在高溫下長時間工作，應力小于屈服強度時，會發(fā)生緩慢塑性變形會發(fā)生緩慢塑性變形 現(xiàn)象，稱為蠕變。現(xiàn)象，稱為蠕變。蠕變程度的指標：蠕變程度的指標：蠕變強度、持久強度蠕變強度、持久強度 低溫性能低溫性能在低溫環(huán)境下，大多數(shù)材料會出現(xiàn)脆性，使其在不大的應力在低溫環(huán)境下，大多數(shù)材料會出現(xiàn)脆性，使其在不大的應力下發(fā)生斷裂，稱作脆斷。下發(fā)生斷裂，稱作脆斷。脆化溫度脆化溫度TK越低，材料越不易脆斷，其越低，材料越不易脆斷，其低溫韌性低溫韌性越好。越好。1.3 材料的性能材料的性能1.3.4 材料的物理性能材料的物理性能 密度密度比強度：比強度：b/ 比