航空航天材料要点

1、航空航天材料航空航天材料 一、定义 二、服役环境 三、要求 四、航天材料 五、发展方向 六、结语 （1）运载火箭及导弹材料 （2） 航天飞行器材料 机体材料 发动机材料 机载设备材料 （3）航天功能材料 航天：飞行器在地球3050km以外大气层 的航行活动 例如：火箭、卫星、飞船、空间站、航天飞机 航空：飞行器在地球50km以内大气层的航 行活动(对流层和平流层) 例如：飞机、飞艇、热气球、导弹等 飞船是发展载人航天技术的先导工具，返回舱是载人飞船的核心部分。飞船在发射上升段有整流罩防护，返回舱主要是承受振动、噪声和过载等力学环境。 飞船在轨道上飞行几天到几个月，受到太阳的直接照射和地球对太阳

2、的反射辐照以及地球的红外辐射，环境温度约为901251 。 温度交变周期为95min左右。轨道飞行的低温和高低温交变环境，是防热结构的重要考虑因素。 轨道的其它环境：高能粒子辐射、太阳紫外辐射和微陨石撞击等对防热材料的影响也不可忽视。 ?航空航天材料处于极端苛刻的服役环境： 超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀、射线辐照、原子氧、粒子云、陨石。 ?设计准则： 静强度设计损伤容限设计 ?设计选材时的决定因素： 寿命期成本、比强度、疲劳寿命、断裂韧性、储存期及可靠性、可维修性。 ?结构材料发展的关键： 轻质高强和高温耐蚀 ?功能材料发展的关键：高性能，智能化 航空航天器对材料的要求航空航天器对材

3、料的要求 要求表现：要求表现： 1.蒙皮的最高温度可达1000以上 蒙皮：蒙于机体或翼面骨架外面构成所需气动外形的板件。 要求表现：要求表现： 2.发动机的工作温度则高达2000。 发动机（Engine ）是一种能够把其它形式的能转化为机械能的机器，包括如内燃机（汽油发动机等）、外燃机（斯特林发动机、蒸汽机等）、电动机等。 要求表现： 3.轻质高强可用比强度的概念来衡量: 克克计较各种材料比强度及其 与飞行器马赫数的关系如下图所示 为 了 满 足 高 工作温度的要求，新型材料如金属间化合物、陶瓷、碳/碳及各种复合材料正在加速发展 要求表现：要求表现： 4.航空航天材料的耐温性 对发动机的要求：

4、对发动机的要求： 先进航空发动机的推重比达到1215，涡轮前燃气温度将达到18002100 ， 这就需要研究发展更新一代的高温材料，例如耐816 TiAl金属基复合材料； 耐温1093金属间化合物；耐1200-1400C的Nb-Si合金;耐1538 陶瓷材料 ；耐1800Ir基合金; 耐温1371隔热涂层等。 对设计和性能的要求：对设计和性能的要求： 当代飞机设计已经进入损伤容限设计时代，对产品的可靠性和耐久性提出了很高的要求，军机如此，民机尤甚。尤甚。 例如： （1）美国F15飞机设计寿命为4000h，而对新一代歼击机的定寿指标为8000h。 （2）民航机无裂纹寿命要求30000h，经济寿命

5、要求在，经济寿命要求在60000h以上，故障要求低于10-9。 （3）我国大运：3000060000h，大客更长 航空器发展对材料的要求航空器发展对材料的要求 航空飞行器的工作条件十分复杂，就飞机而言，军用飞机要求提高机动性、近距格斗和全天候作战的能力;民用飞机则要求安全性、可靠性、舒适性、经济性，相应地要求发展大推比和长舒适性、经济性，相应地要求发展大推比和长寿命的发动机以及先进的火控电子设备和仪表系统； 所以对航空材料的主要要求是 耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。 航空航天高技术产业特点 1. 当代科技的高度密集 2. 高度复杂的系统工程 3. 科技发展的先导作用 4. 军

6、民结合 5. 高可靠性和高风险度 6. 产品的多样性和小批量 7. 成本和价格高 1. 运载火箭及导弹材料 2. 航天飞行器材料 3. 航天功能材料 运载火箭及导弹材料运载火箭及导弹材料 应用部位 材料 技术要求 箭体结构 1、高强轻质铝合金 2、高性能碳/环氧复合 3、碳/双马来酰亚胺复合材料 4、碳/聚酰亚胺复合材料 实现弹体结构轻质化，减轻结构质量 推进剂 贮箱 1、高强可焊铝锂合金 2、高性能碳/环氧复合材料 比常规铝合金减重 战略导弹弹头 1、先进复合材料（如C/C） 2、高强轻质铝合金 3、抗辐射、隐身、多功能诱饵 材料 实现弹头小型化、轻质化、高性能、全天候、强突防 运载火箭及导

7、弹材料运载火箭及导弹材料 航天飞行器材料航天飞行器材料 ?大容量卫星和小卫星 碳纤维复合材料；碳 /环氧复合材料面板铝蜂窝夹层结构；高强轻质铝合金。 ? 空间站 太阳电池阵柔性材料；高可靠和长寿命密封材料、温控材料、原子氧防护材料、特殊规格铝合金和高强高模碳纤维复合材料 。 ?载人飞船和航天飞机 高强轻质铝合金；防热材料 航空飞行器使用的材料航空飞行器使用的材料 ? 机体材料 ? 发动机材料 ? 机载设备材料 机体材料 趋势：大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、高模材料提高飞机的结构效率，降低飞机结构重量系数。 ? 树脂基复合材料和钛合金用量增加 ? 传统铝合金和钢材的用量减少 机体材料机

8、体材料 飞机型号 设计年代 钛合金 复合材料 铝合金 结构钢 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 飞机结构材料用量对比（结构重量百分数） B787和A380：复合材料的用量超过50% 发动机材料发动机材料 罗-罗公司对发动机材料趋势预测 推比10级发动机特点 对材料要求 重点发展材料技术 1、主要特征参数： 压气机出口温度: 635OC 高压涡轮进口

9、温度: 1715OC 加力燃烧室温度: 1777OC 压气机总增压比：25 2、寿命要求： 冷端部件：4000h 热端部件：2000h 3、采用推力矢量喷管 1、某些部件必须采用轻 质超高温材料 2、大量采用高温、轻质、 高比强/高比模材料 3、需要大量各类钛合金 4、材料抗氧化能力要求更 高 5、密封、隔热、润滑、轴 承要求更高 单晶材料；粉末材料；金属基复合材料；高温高分子材料及其复合材料；高温、高强钛合金；金属间化合物基材料；高温无机材料；高温密封、润滑、隔热材料；超高温结构复合材料（陶瓷、C/C）及高熔点金属合金；高温材料损伤容限数据测试及方法研究；无损检测技术。 发动机材料发动机材料

10、 特点 对材料要求 重点发展材料 1、超视距攻击能力 2、近距格斗能力 3、精确性高 4、灵敏反应 5、抗干扰能力强 1、缺陷密度极低 2、针对不同用途对其物理性能（光、声、电、磁、热）要求高 3、加工、成形、联结、涂覆技术不能对材料物理性能和装备功能产生有害影响。 1、高灵敏度红外探测材料 2、高透过率红外头罩材料 3、电磁致伸缩陶瓷材料 4、激光倍频材料 5、高强度激光材料 6、双脉冲点火发动机舱隔 板材料 7、双模制导头罩材料 8、零膨胀微晶玻璃 9、极高反射率镀膜材料及 技术 以第四代歼击机及其配套发动机需求为例 机载设备材料（眼、耳、脑、神经、血管等） 航天功能材料航天功能材料 1.

11、 微电子元器件材料 2. 光电子元器件材料 3. 信息材料（传输、存储和显示） 4. 传感器敏感元件材料 5. 隐身和智能材料 人造卫星上应用的典型功能材料：人造卫星上应用的典型功能材料： 光电转换材料；热电材料；传感材料；辐射屏蔽材料 主要航空航天材料主要航空航天材料 一轻合金及超高强度钢 二高温金属结构材料 三先进聚合物基复合材料 四先进金属基及无机非金属基复合材料 五先进功能材料 轻合金及超高强度钢轻合金及超高强度钢 1、铝合金：民用飞机主体材料；变形、铸造、粉末； Al合金：占B777机体结构重量的 70 2、钛合金：、 、铸造、粉末 Ti-6Al-4V（TC-4）：占F22机体总重量

12、的36 3、镁合金：铸造、变形、快速凝固粉末 Mg-Li合金：可以比水轻 4、超高强度钢：最低屈服强度大于 1380MPa ；低、中、高合金化 300M钢：主要承力件，如飞机起落架 高温金属结构材料高温金属结构材料 1、高温钛合金：使用温度上限600 , 如： Ti-1100 2、镍基高温合金: 强化机制 (Ni3(Al、Ti)/ 3、金属间化合物：Al化物、Si化物 4、难熔金属及其合金：钼、钽、铌、钨、铼、铱 先进聚合物基复合材料先进聚合物基复合材料 1、结构聚合物基复合材料 2、功能聚合物基复合材料 电磁波（透波、吸波）； 防热烧蚀（树脂基和弹性体基）； 推进剂； 多功能。 先进金属基及非金属基复合材料先进金属基及非金属基复合材料 1、先进金属基复合材料 W/Cu；SiCP/Al 2、先进金属间化合物基复合材料 3、先进陶瓷基复合材料 4、先进C/C复合材料 先进功能材料先进功能材料 1. 微电子材料 2. 光电子材料 3. 信息材料（传输、存储和显示） 4. 功能陶瓷与敏感材料 5. 隐身材料 6. 智能材料 1. 高性能 2. 高功能和多功能 3. 复合化 4. 智能化 5. 低成本 6. 高环境相容性 7. 材料的计算设计和仿真模拟 发展方向发展方向 在现代材料科学与技术的发展历程中，航空材料一