宣布时间：2021-12-29点击：1717
1.航空航天质料的服役情况
航空航天质料除了经受高应力、惯性力外，航空航行器还要经受起飞和降落、发动机振动、转动件的高速旋转、机动航行、突风等因素导致的攻击载荷和交变载荷 。发动机燃气以及太阳辐照导致航空器处于高温情况，随着航行速度提高，气动加热效应凸显，爆发“热障” 。别的，还要经受交变温度，在同温层以亚音速航行时，外貌温度会降到-50℃左右，极圈以内地区的严冬情况温度会低于-40℃，金属构件或橡胶轮胎容易爆发脆化现象 。汽油、煤油等燃料和种种润滑剂、液压油，大都对金属质料爆发腐化作用、对非金属质料爆发溶胀作用，而太阳辐照、风雨侵蚀、地下湿润情况恒久贮存爆发的霉菌会加速高分子质料的老化历程 。
2.航空航天质料的选择及应用
航空航天航行器恒久在大气层或外层空间运行，在极端情况服役还要有极高可靠性和宁静性、优良的航行性和机动性，除了优化结构满足气动需求、工艺性要求和使用维护要求外，更有赖于质料的优异特性和功效 。
01选材原则结构件在服役中要蒙受种种形式的外力作用，要求质料在划按期限内不凌驾允许的变形量和不破断，而航空航天结构还要尽量缩小结构尺寸、降低重量，早期航空航天构件接纳静强度设计，不考虑或很少考虑塑韧性，导致泛起了灾难性事故 。
为了包管结构宁静并充分利用质料的性能，航空航天结构件的设计由 “强度设计原则”转变为“损伤容限设计原则”，并逐步过渡到“全寿命周期设计原则”，在设计阶段就考虑到产品寿命历程的所有环节，所有相关因素在产品设计阶段就获得综合计划和优化 。要求质料不但具有高的比强度、比刚度，还要有一定的断裂韧性和攻击韧性、抗疲劳性能、耐高温性能、耐低温性能、耐腐化性能、耐老化性能和抗霉菌性能，并有针对性地强化一些性能指标 。别的，差别品级的载荷区接纳差别的选材判据，凭据部件的具体要求选择与之匹配的质料，大载荷区接纳强度判据，选用高强质料；中载荷区接纳刚度判据，选用高弹性模量质料；轻载荷区主要考虑尺寸稳定性，确保构件尺寸大于***小临界尺寸 。
选择和评价结构质料时，要凭据服役条件和应力状态，选择合适的力学性能 （拉伸、压缩、攻击、疲劳、低温系列攻击）测试要领，针对差别的断裂方法（韧断、脆断、应力疲劳、应变疲劳、应力腐化、氢脆、中子辐照脆化等），综合考虑质料强度与塑性、韧性的合理配合 。蒙受拉伸载荷的构件，表层及心部应力漫衍均匀，所选质料应具有均一组织和性能，大型构件应有良好的淬透性 。蒙受弯曲及扭转载荷的构件，表层及心部应力相差较大，可用淬透性较低的质料 。蒙受交变载荷的构件，疲劳极限、缺口敏感性为选材的重要考核指标 。在腐化介质中服役的构件，抗腐化能力、氢脆敏感性、应力腐化开裂倾向、腐化疲劳强度等为选材的重要考核指标 。高温服役质料还要考虑组织稳定性，低温服役质料还要考虑低温性能 。
减重对提高航行器的宁静性、增加有效载荷和续航距离、提高机动性能及射程、降低燃料或推进剂消耗和航行本钱具有实际意义，航行器速度越快，减重意义越大 。战斗机重量减轻15%，则可缩短飞机滑跑距离15％，增加航程20%，提高有效载荷30% 。关于导弹或运载火箭等短时间一次性使用的航行器，要以***小体积和质量发挥等效功效，力求把质料性能发挥到极限水平，选取尽可能小的宁静余量而抵达绝对可靠的宁静寿命 。
02主要航空航天质料
关于减轻结构质量，密度降低30％，比强度提高50％的作用还大 。铝合金、钛合金、复合质料是主要的航空航天结构质料，具有较高的比强度和比刚度，可提高航行器的有效载荷、机动性、续航距离，同时降低航行本钱 。
超高强度钢（屈服强度＞1380MPa)在航空航天工程中的用量不会凌驾10% 。关于超声速歼击机等现代航行器，超高强度钢用量稳定在5％~10%，其抗拉强度在600~1850MPa，有时高抵达1950MPa，断裂韧性KIc=78~91MPa·m1/2 。在活性腐化介质中使用的机身承力结构件，一般要接纳高强度耐蚀钢，装备氢燃料发动机的飞秘密选用无碳耐蚀钢作为在液氢和氢气介质中服役的构件质料 。
21世纪的航行器机身结构质料照旧以铝合金为主 ，包括2XXX系、7XXXX及铝锂合金 。在铝合金中加入锂，可在提高强度的同时降低密度，实现提高构件的比强度和比刚度的目标 。铝锂合金已用于大型运输机、战斗机、战略导弹、航天飞机、运载火箭，主要用于头部壳体、承力构件、液氢液氧储箱、管道、有效载荷转接器等，被誉为***生长前景的航空航天质料 。第三代和正在生长的***铝锂合金不再片面追求低密度，有较好的综合性能，在裂纹扩展速率、疲劳性能、腐化性能、弹性模量等与第三代铝锂合金相当的条件下，***铝锂合金有更高的静强度（尤其屈服强度）和更高的断裂韧性 。
钛合金的比强度高于铝合金，已应用于飞机框架、襟翼导轨和支架、发动机底座和起落架构件等，还可用于排气罩和隔火板等受热部分 。Ma>2.5的超声速飞机外貌温度可抵达200~350℃，可接纳钛合金作蒙皮 。接纳快速凝固／粉末冶金要领制备的高纯度高致密度的钛合金，有较好的热稳定性，在7℃的强度与室温相同，开发的高强度高韧性的β型钛合金已被NASA定为SiC/Ti复合质料的基体质料，用来制造飞机的机身和机翼壁板 。钛合金在航空器中的应用比例逐渐增加，在民航机身中的使用量将达20%，在军机机身中的使用量将高达50% 。
金属基复合质料、高温树脂基复合质料、陶瓷基复合质料、碳／碳复合质料已在航空航天领域饰演越来越重要的角色 。碳／碳复合质料综合了碳的难熔性与碳纤维的高强度、高刚性，具有优越的热稳定性和极好的热传导性，在2500℃的高温下仍具有相当高的强度和韧性，且密度只有高温合金的1/4 �；煜透春现柿匣竦昧嗽嚼丛蕉嗟墓刈�，如在碳纤维复合质料中添加玻璃纤维可以改善其攻击性能，而玻璃纤维增强塑料中加人碳纤维可以增加其刚度 。
别的，层状复合质料在航空航天工程中的应用越来越广泛，如 A380接纳了3％的GLARE，为新型的层压板 。层压板是通过压力使两种差别种类的质料层叠在一起的复合质料，通常由上面板、上胶合层、芯材、下胶合层、下面板组成，其强度和刚度要高于单独的面板质料或芯材，已应用于运输机和战斗机 。GLARE层压板是通过压力（或热压罐）把多层薄铝板和单向性玻璃纤维预浸料（浸渍环氧黏合剂）叠接热压而成的，如图1所示 。铝板要经过适当的预处理，使其更容易与纤维预浸料层粘在一起 。表1为可商业化生产的GLARE层压板类型，可凭据需要制成差别厚度的板，纤维可以是2层、3层、4层等，纤维含量和偏向切合表中划定即可，每类GLARE层压板可以有差别形式，可凭据具体需要进行调解 。
GLRE层压板的拼接技术解决了铝板宽度有限的问题，如图2所示，拼接时，同层铝板间有一条窄缝，差别层铝板间的接缝在差别位置，这些接缝可以通过纤维层和其他层铝板连接起来，使得大型机身壁板或整体蒙皮制造成为可能，并具有精彩的抗疲劳、抗腐化和阻燃性能，从而消除了铆钉孔及由此引发的应力集中 。为了确保载荷的宁静通报，可在拼接处增加一个补强层，即增铺一层金属板或一层玻璃纤维预浸料 。
蜂窝夹层复合质料由夹层和蒙皮（面板）复合而成，蒙皮可以是铝、碳／环氧复合质料等，夹层形似蜂窝，是由金属质料、玻璃纤维或复合质料制成的一系列六边形、四边形及其他形状的孔格，在夹层的上下两面再胶接（或钎焊）上较薄的面板 。铝蜂窝夹芯复合质料的芯材由铝箔以差别方法胶接，通过拉伸而制成差别规格的蜂窝，芯材的性能主要通过铝箔的厚度和孔格巨细来控制，具有比强度和比刚度高、抗攻击性能好、减振、透微波、可设计性强等优点，与铆接结构相比，结构效率可提高15%~30％ 。蜂窝夹层结构质料可用来制作种种壁板，用于翼面、舱面、舱盖、地板、发动机护罩、消声板、隔热板、卫星星体外壳、抛物面天线、火箭推进剂储箱箱底等 。可是，蜂窝夹层结构复合质料在某些情况中易腐化，受攻击时，蜂窝夹层会爆发永久变形，使蜂窝夹层与蒙皮爆发疏散 。
03航空航天用材剖析下表2为美***机用结构质料的百分比，总的变革趋势是复合质料和钛合金的用量逐渐增多，铝合金的用量有所下降 。
B787的复合质料占50%，A350的复合质料占52 % ,大宗应用复合质料将成为航空航天领域的生长趋势 。复合质料减重效果好，耐损伤、抗腐化、耐久性好，适合机敏结构，可是，复合质料本钱很高，抗攻击性能差，无塑性，技术难度增加，可维修性差、再生利用性差 。因此，A320neo和B737MAX的复合质料用量并未比A320和B737增加 。
载人飞船各舱段的结构质料大多是铝合金、钛合金、复合质料，如航天飞机的轨道器大部分用铝合金制造，支承主发动机的推力结构用钦合金制造，中机身的部分主框接纳以硼纤维增强铝合金的金属基复合质料，货舱舱门接纳特制纸蜂窝夹层结构，以石墨纤维增强环氧树脂复合质料作面板 。导弹头部、航天器再人舱外外貌和火箭发动机内外貌，要接纳烧蚀质料，在热流作用下，烧蚀质料能爆发剖析、熔化、蒸发、升华、侵蚀等物理和化学变革，质料外貌的质量消耗带走大宗的热，以抵达阻止再人大气层时的热流传人航行器内部、冷却火箭发动机燃烧室和喷管的目的 。为了坚持舱内有适宜的事情温度，再人舱段要接纳辐射防热步伐，外蒙皮为耐高温的镍基合金或铍板，内部结构为耐热钦合金，外蒙皮与内部结构之间填以石英纤维、玻璃纤维复合陶瓷等有良好隔热特性的质料 。
随着载人航天、探月及深空探测、高区分率卫星、高明速航行器、重复使用运载器、空间机动航行器等航天工程的实施和不绝生长，对证料提出了全新的、越发苛刻的要求，为航天新质料的生长提供了新的契机和动力，质料领域必须尽早在质料体系立异、要害原质料自主包管以及工程应用等方面取得重大突破 。
来源：材易通 参考资料：《航空航天用先进质料》.李红英，汪冰峰等
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