航空航天材料——蔡科

1、航空航天材料航空航天材料组员：蔡组员：蔡 科科 韩秀利韩秀利 张明明张明明 蒋露瑶蒋露瑶 杨佳瑜杨佳瑜 梅晓雪梅晓雪航天飞机航天飞机背景：航天方面背景：航天方面神州号神州号杨利伟（神五）杨利伟（神五）聂海胜、费俊龙（神六）聂海胜、费俊龙（神六）n神七航天员出舱神七航天员出舱 （翟志刚（翟志刚 、刘伯明、景海鹏、刘伯明、景海鹏 ）每秒每秒3.23.2公里，公里，1010倍音速倍音速背景：航空方面背景：航空方面一、航空航天材料的种类一、航空航天材料的种类航空航空 指飞行器在地球大气层的航行活动。指飞行器在地球大气层的航行活动。航天航天 指飞行器在大气层外宇宙空间的航行活动。指飞行器在大气层外宇宙空

2、间的航行活动。n飞行器飞行器(flight vehicle)是指在大气层内或大气层外是指在大气层内或大气层外空间（太空）飞行的器械。空间（太空）飞行的器械。 我国自行研制的神舟六号飞行器我国自行研制的神舟六号飞行器 飞行器飞行器 n飞行器分为飞行器分为3类：航空器、航天器、火箭和导弹。类：航空器、航天器、火箭和导弹。n航空器是指航空器是指在大气层内飞行的飞行器在大气层内飞行的飞行器，如，如气球气球、滑翔机滑翔机、飞艇飞艇、飞机飞机、直升机直升机等。它们靠空气的等。它们靠空气的静静浮力浮力或或空气空气相对运动产生的空气相对运动产生的空气动力动力升空飞行。升空飞行。 n航天器是航天器是指在空间飞行

3、的飞行器指在空间飞行的飞行器，如，如人造地球卫人造地球卫星星、载人飞船载人飞船、空间探测器空间探测器、航天飞机航天飞机等。它们等。它们在运载火箭的推动下获得必要的在运载火箭的推动下获得必要的速度速度进入进入太空太空，然后在引力作用下完成然后在引力作用下完成轨道轨道运动。运动。 n火箭是火箭是以火箭发动机为动力的飞行器以火箭发动机为动力的飞行器，可以在大，可以在大气层内，也可以在大气层外飞行。气层内，也可以在大气层外飞行。导弹是装有战斗部的可控制的火箭，有主要在大导弹是装有战斗部的可控制的火箭，有主要在大气层外飞行的气层外飞行的弹道导弹弹道导弹和装有翼面在大气层内飞和装有翼面在大气层内飞行的行的

4、地空导弹地空导弹、巡航导弹巡航导弹等。等。航空航天飞行器所用材料按材料的航空航天飞行器所用材料按材料的化学成分不同化学成分不同可可分为分为金属与合金材料、有机非金属材料、无机非金金属与合金材料、有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料属材料和复合材料。按其使用功能分为。按其使用功能分为结构材料结构材料和和功能材料功能材料两大类。两大类。航空材料航空材料航空结构材料航空结构材料航空功能材料航空功能材料飞机机体材料飞机机体材料(aeroframe materials)发动机材料发动机材料(aeroengine materials)主要为主要为机载设备材料机载设备材料，其关键，其关键材料主要是各种微

5、电子、光电材料主要是各种微电子、光电子、传感器等光、声、电、磁子、传感器等光、声、电、磁、热的高功能及多功能材料。、热的高功能及多功能材料。 航天材料航天材料航天结构材料航天结构材料航天功能材料航天功能材料火箭及导弹材料（火箭及导弹材料（rocket and missile materials）航天飞行器材料（航天飞行器材料（space vehicle materials）微电子元器件材料微电子元器件材料光电子元器件材料光电子元器件材料信息传输、存储、显示元器件材料信息传输、存储、显示元器件材料传感器敏感元件材料传感器敏感元件材料隐身和智能结构材料隐身和智能结构材料二、航空航天材料的要求二、航

6、空航天材料的要求 1）高的比强度和比刚度）高的比强度和比刚度 2）优良的耐高低温性能）优良的耐高低温性能 3）耐老化和耐腐蚀）耐老化和耐腐蚀 4）适应空间环境）适应空间环境 三、航空航天材料的发展方向三、航空航天材料的发展方向 1、高性能、高性能（轻质、高强、高模、高韧、耐高温、耐（轻质、高强、高模、高韧、耐高温、耐低温低温 、 抗氧化、耐腐蚀）抗氧化、耐腐蚀） 2、高功能及多功能、高功能及多功能（high function and multi-function） 如飞机的雷达火控设备和隐身结构、火箭如飞机的雷达火控设备和隐身结构、火箭导弹的制导和测控等。导弹的制导和测控等。 3、复合化、复合

7、化（combination） 复合材料可以明显减轻复合材料可以明显减轻结构重量和提高结构效率。国外卫星、战略导弹及固体结构重量和提高结构效率。国外卫星、战略导弹及固体火箭发动机的关键结构材料几乎已经复合材料化。火箭发动机的关键结构材料几乎已经复合材料化。 4、智能化、智能化（intellectualization） 材料智能化可以大材料智能化可以大大增加航空航天飞行器的敏捷性、安全性和可靠性。大增加航空航天飞行器的敏捷性、安全性和可靠性。 5、低成本、低成本（low cost） 航空航天材料的低成本是一航空航天材料的低成本是一个重要发展趋势。材料的低成本目标包括原材料、制备个重要发展趋势。材料

8、的低成本目标包括原材料、制备加工、监测评价和维修等全过程。加工、监测评价和维修等全过程。 6、高环境相容性、高环境相容性（high environment compatible） 航空航天飞行器所用的材料及其制备、加工和回收，必航空航天飞行器所用的材料及其制备、加工和回收，必须具有高度的环境相容性，无污染，易回收。须具有高度的环境相容性，无污染，易回收。 7、材料的计算设计和模拟仿真、材料的计算设计和模拟仿真（numeration design and simulation of materials） 航空航天技术日新月异地航空航天技术日新月异地发展，飞行器关键零部件的工况和环境条件更加苛刻，

9、发展，飞行器关键零部件的工况和环境条件更加苛刻，为适应材料科学的创新，发展了材料的计算设计和数值为适应材料科学的创新，发展了材料的计算设计和数值模拟技术。模拟技术。 四、烧蚀防热材料四、烧蚀防热材料 一种固体防热材料，主要用于一种固体防热材料，主要用于导弹导弹头部、头部、航航天器天器返回舱外表面和返回舱外表面和火箭发动机火箭发动机内表面。这种内表面。这种材料在热流作用下能发生材料在热流作用下能发生分解、熔化、蒸发、分解、熔化、蒸发、升华、侵蚀升华、侵蚀等物理和化学变化，借材料表面的等物理和化学变化，借材料表面的质量消耗带走大量的热，以达到阻止载入大气质量消耗带走大量的热，以达到阻止载入大气层时

10、的热流传入飞行器内部并冷却火箭发动机层时的热流传入飞行器内部并冷却火箭发动机燃烧室和喷管的目的。燃烧室和喷管的目的。 五、烧蚀材料的分类五、烧蚀材料的分类烧蚀材料烧蚀材料按基体材料分为：按基体材料分为：树脂基树脂基烧蚀防热材料：酚醛树脂烧蚀防热材料：酚醛树脂弹性体基弹性体基烧蚀防热材料：各种橡胶及其共烧蚀防热材料：各种橡胶及其共混物混物 烧蚀材料烧蚀材料按烧蚀机理分为按烧蚀机理分为升华型升华型、熔化型熔化型和和碳化型碳化型三类。三类。 聚四氟乙烯聚四氟乙烯(泰氟隆泰氟隆)、石墨、碳、石墨、碳-碳复合材料碳复合材料属于升属于升华型烧蚀材料。其中的碳华型烧蚀材料。其中的碳-碳复合材料是用碳（石墨）

11、碳复合材料是用碳（石墨）纤维或织物为增强材料，用沉积碳或浸渍碳为基体制纤维或织物为增强材料，用沉积碳或浸渍碳为基体制成的复合材料。碳在高温下升华，吸收热量，而且碳成的复合材料。碳在高温下升华，吸收热量，而且碳还是一种辐射系数较高的材料，因而有很好的抗烧蚀还是一种辐射系数较高的材料，因而有很好的抗烧蚀性能。性能。石英和玻璃类材料石英和玻璃类材料属于熔化型烧蚀材料，它的主要成属于熔化型烧蚀材料，它的主要成分是二氧化硅，例如高硅氧玻璃内含二氧化硅分是二氧化硅，例如高硅氧玻璃内含二氧化硅9699。二氧化硅在高温下有很高的粘度。二氧化硅在高温下有很高的粘度,熔融的液态熔融的液态膜具有抵抗高速气流冲刷的能

12、力，并能在吸收气动热膜具有抵抗高速气流冲刷的能力，并能在吸收气动热后熔化和蒸发。后熔化和蒸发。纤维增强酚醛塑料纤维增强酚醛塑料属于碳化型烧蚀材料。它是以纤维属于碳化型烧蚀材料。它是以纤维或布为增强材料，以浸渍酚醛树脂为基体制成的复合或布为增强材料，以浸渍酚醛树脂为基体制成的复合材料。选用酚醛树脂作基体是因为它具有抗烧蚀、碳材料。选用酚醛树脂作基体是因为它具有抗烧蚀、碳层强度高、碳含量高和工艺性能好等优点。层强度高、碳含量高和工艺性能好等优点。 烧蚀材料按密度分为烧蚀材料按密度分为高密度和低密度高密度和低密度两种。两种。 高密度烧蚀材料高密度烧蚀材料的密度一般大于的密度一般大于1.0克厘米克厘米

13、3。各种。各种纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、碳 -碳复合材料和石墨都属于高密度烧蚀碳复合材料和石墨都属于高密度烧蚀材料。材料。 低密度烧蚀材料低密度烧蚀材料是指以轻质填料作为填充剂、以纤维是指以轻质填料作为填充剂、以纤维作增强材料和以酚醛树脂、环氧树脂或硅橡胶作基体的复作增强材料和以酚醛树脂、环氧树脂或硅橡胶作基体的复合材料。这类材料的密度一般可以根据使用要求进行调整合材料。这类材料的密度一般可以根据使用要求进行调整，变化范围在，变化范围在0.20.9克克/厘米厘米3之间。将低密度烧蚀材料之间。将低密度烧蚀材料作填充剂，填充在玻璃钢蜂窝内形成复合结构，能够改进作填充剂，填充在玻璃钢蜂窝内形成复

14、合结构，能够改进碳层的性能。碳层的性能。 飞船飞船返回舱返回最大技术难点之一就是飞船的返回舱返回最大技术难点之一就是飞船的降温降温，必须给飞船穿上一件，必须给飞船穿上一件“隔热衣隔热衣”。 当返回舱当返回舱在距离地面在距离地面80公里公里40公里的高度以数千米每秒的公里的高度以数千米每秒的速度穿越稠密大气层时，返回舱表面温度会达到速度穿越稠密大气层时，返回舱表面温度会达到1000-2000，如果不采取有效的防热降温措施，整，如果不采取有效的防热降温措施，整个返回舱将会像陨石一样被烧为灰烬。这时必须给个返回舱将会像陨石一样被烧为灰烬。这时必须给飞船穿上一层飞船穿上一层“防热衣防热衣”，使飞船内部

15、的温度控制，使飞船内部的温度控制在航天员可以忍受的在航天员可以忍受的40摄氏度以下。摄氏度以下。 飞船返回再入大气层进入距地面飞船返回再入大气层进入距地面80公里至公里至40公里的稠公里的稠密大气层时，返回舱表面温度将高达上千摄氏度。专密大气层时，返回舱表面温度将高达上千摄氏度。专家介绍，为飞船家介绍，为飞船“退烧退烧”的措施主要有的措施主要有3种：种：“冰块式退烧冰块式退烧”吸热。吸热是采用导热性吸热。吸热是采用导热性能好、熔点高和热容量大的钛合金等金属材料，吸收能好、熔点高和热容量大的钛合金等金属材料，吸收大量气动热量。大量气动热量。 这种方法防热能力有限，只适用于这种方法防热能力有限，只

16、适用于加热量很小的部分。加热量很小的部分。“酒精式退烧酒精式退烧”像发烧时擦酒精一样，用像发烧时擦酒精一样，用辐射散热的方法将热量散去。用具有辐射性能的钛合辐射散热的方法将热量散去。用具有辐射性能的钛合金及陶瓷等复合材料，将热量辐射散发出去。这种方金及陶瓷等复合材料，将热量辐射散发出去。这种方法只适用于最大热流不超过每平方米法只适用于最大热流不超过每平方米100卡的情况。卡的情况。 飞船返回时怎样飞船返回时怎样“退烧退烧”？ “釜底抽薪式退烧釜底抽薪式退烧”烧蚀。就是用一些高烧蚀。就是用一些高分子材料做飞船的蒙皮，有意识地让它在高温分子材料做飞船的蒙皮，有意识地让它在高温加热时烧掉，将热量带走，从而达到保存主要加热时烧掉，将热量带走，从而达到保存主要结构的目的。如玻璃钢。烧蚀防热是广泛用于结构的目的。如玻璃钢。烧蚀防热是广泛用于载人飞船再入大气层时降温的一种方法，目前载人飞船再入大气层时降温的一种方法，目前，随着技术的发展，烧蚀材料的种类很多。，随着技术的发展，烧蚀材料的种类很多。神舟七号飞船返回舱成功降落在内蒙古中部预定区域神舟七号飞船返回舱成功降落在内蒙古中部预定