万博士的航空讲堂

1、万博士的航空讲堂五、飞行器的常用材料材料在飞行器研制中必不可少。相比于其他工程，航空 航天工程对材料的要求更高，既要保证材料有足够的强度和 刚度，材料的相对重量也必须满足近乎苛刻的要求。为了减 轻结构重量，除了采用合理的结构形式外，非常有效的方法 是选用强度、刚度大而重量轻的材料。所谓强度是指结构抵 抗破坏的能力，强度越大则抵抗破坏的能力越强；所谓刚度 则是指结构抵抗变形的能力，刚度越大则相同载荷情况下的 变形越小。通常用相对参数来表示材料的强度和刚度，即比 强度和比刚度，如下式。比强度=抗拉强度（）/密度（）比刚度=弹性模量（E） /密度（）在选用结构材料时，首先尽量采用比强度和比刚度大的

2、材料。其次，根据不同的飞行和环境条件，所选材料要具有 一定的耐高温和耐低温性能、良好的抗老化和耐腐蚀能力， 以及有足够的断裂韧性和良好的抗疲劳性能。另外，材料还 应具有良好的加工性能，且资源丰富、价格低廉。下面，简 单介绍一下飞行器常用材料的种类、选材要求和发展趋势。1.常用材料1）铝、镁合金类金属中铝合金在航空航天中应用最为广泛（图1）,这与铝合金有较高的比强度和比刚度（密度约为钢的1/3,强度约为普通钢的1/2）、具有良好的耐腐蚀性和低温性能、且价 格低廉有关。而镁合金的密度更小，其比强度和比刚度与铝 合金和合金钢相当。镁合金的机械加工性能优良，只是耐腐 蚀性较差，适合用于制造承力较小、壁

3、厚较大的零件。在飞 机上，铝合金主要用于制作各种板材，如机翼的上下蒙板、 机身蒙皮等。2）合金钢类合金钢包括高强度的结构钢和耐高温耐腐蚀的不锈钢。高强度合金钢具有比强度高、工艺简单、性能稳定、价格低 廉等特点，适合制造承受大载荷的接头、起落架和机翼大梁 等构件。不锈钢具有良好的耐腐蚀性和耐低温性，可以制造存放 液氢、液氧的容器。耐高温的不锈钢还是制造发动机的主要 材料。美国SR-71高空侦察机由于飞行速度达到3.0倍声速以上，气动加热比较严重，使用铝合金已经不能满足耐高温 的要求，因此采用了较多的不锈钢（图2）。因为不锈钢中合金含量较高，所以价格比结构钢高得多。3）钛合金类钛合金的密度虽不到钢

4、的 2/3 ,但强度却近于合金钢，具有较高的比强度。钛合金还有较好的耐热性，工作温度可达400-550 C,在该温度范围内的比强度明显优于耐热不锈 钢，因此在一些需要耐高温的结构上被广泛使用。另外它在 潮湿的大气和海水中的耐腐蚀性也优于不锈钢。但钛合金也 存在缺点，加工成型较困难，价格比较昂贵。钛合金常被选为机翼主要结构受力部位的材料，如欧洲的“狂风”、俄罗斯的苏-27战斗机的主翼盒就都采用了大量的钛合金材料，并获得了良好的减重效果（图3）。4） 复合材料复合材料是指由两种或多种材料复合而成的多相材料。复合材料中起增强作用的材料称为增强体，起粘接作用的材 料称为基体。一般增强体为高强度的纤维材

5、料，主要有玻璃 纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳纤维等。基体材料则是具有一 定韧性的树脂，主要有环氧树脂、聚酰亚胺树脂等以及铝合 金和钛合金等。复合材料的密度低，比强度、比刚度很高，抗疲劳性能、 减震性能和工艺成型性能都很好，在飞行器和模型飞机上得 到广泛应用（图4-图6）。玻璃纤维增强塑料（俗称“玻璃钢”）是在民用方面使 用较为普遍的复合材料。其比强度约为铝合金的3倍，但相 对刚度较低，约为铝合金的 50%,因此在航空航天领域的应用受到了限制。不过由于加工成型相对容易且成本抵，玻璃钢在一些轻型飞机和航空模型上被广泛使用（图7）。凯芙拉复合材料，是以凯芙拉（一种芳纶纤维）作为增 强体，树脂作为基体的

6、复合材料。其比强度约为强度较高的 玻璃钢的1.8倍，刚度约为玻璃钢的两倍，用它制造的固体 火箭发动机壳体能比玻璃钢轻35%以上。石墨-环氧复合材料,是以石墨纤维作增强体、以环氧树脂作基体的复合材料。它 的比强度超过凯芙拉，刚度约为凯芙拉的两倍，用其制造固 体火箭发动机壳体比用凯芙拉复合材料轻20%-30% （图8）。不同基体材料的复合材料耐热性能也不同，采用钛合金 基体材料的使用温度可达 500-600 C,但采用树脂为基体的 复合材料的使用温度不能太高。陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体的复合材料。常用的增 强材料有碳化硅、氮化硅、氧化铝纤维等。基体与增强材料 均有低密度、高强度、高刚度、耐腐蚀、

7、耐高温等特性。陶 瓷基复合材料在800-1 650c都有良好的力学性能。碳-碳复合材料是以碳纤维增强碳为基体的复合材料。将碳纤维预制件反复浸渍合成树脂后，经高温碳化制成，或用 碳氧化合物化学沉积制成。在1 000-2 000 c的高温下碳-碳复合材料仍有相当高的强 度和韧性，其耐热性远高于其他任何高温合金。止匕外，它的 热膨胀系数低（只有金属的1/10-1/5 ）、导热性能良好、摩擦 特性优异。可用于制造再入大气层的头锥及飞机刹车盘等（图9）。其寿命是钢烧结材料刹车盘的6-7倍。由于复合材料具有着非常优越的性能，因此航空、航天飞行器 的结构将越来越多地采用复合材料。21世纪会是复合材料大显身手

8、的时代。2.现代飞机的选材现代飞机在选材时主要考虑以下几个方面的因素。1）高结构效率提高结构效率，可达到减轻飞机重量、提高飞机经济性 的目的（图10）。采用复合材料就是一种提高结构效率的有 效途径。例如，波音 757的油耗占飞机使用成本的 50%。该 飞机仅采用了 3%的复合材料，就达到了降低油耗1.5%的目的。2）长寿命、高可靠性飞机对于使用寿命和可靠性具有非常严格的要求，且这 种要求随着时代的发展越来越高。例如，米格-15寿命为1 700飞行小时，20年日历寿命；米格-29寿命为3 000小时，30 年日历寿命。民用飞机的使用寿命更长，例如空客330寿命为60 000飞行小时、40 000

9、起落。因此，选材时必须考虑长寿命、高可靠性的要求。3）低成本、易加工在考虑以上因素情况下，应该尽可能选用低成本和易加 工的材料。.材料使用随年代的变化随着材料制造水平的不断提高，飞机结构呈现由金属材 料越用越少、复合材料比例越来越高的发展趋势（图11）。以不同年代波音757的选材为例（图12）,随着时间的推移， 钛合金和复合材料两种新型材料所占比例大幅提高。而一些 新研制的现代飞机，复合材料的使用比例更高，如波音 787 飞机的机翼、机身、尾翼的大部分结构都采用了复合材料。.航模常用材料制作航模所用的材料品种很多，有木材、竹材、塑料、 复合材料、纸、纺织品等非金属材料，还有少量的铝、钢、 铜、钛合金等金属材料。1） 木材航模目前虽然应用了许多新型材料，如碳纤维、玻璃钢 等，但木材仍然占有相当重要的地位。航模制作中常用的木材主要有：轻木、桐木、松木、棒 木、嘏木、云杉等。在制造航模时，要根据模型部件的受力 条件和工作环境对木材进行选择和搭配，不同的部件应选用 不同的材料（图13-图15）。2）金属金属材料虽然在航模中应用量不大，但随着模型尺寸的 不断加大，其使用量也有所增加。目前，在航模上使用的金 属材料主要有铝、钢、铜、钛合金等（图 16-图18）。3）复合材料和塑料航模常用的复合材料有玻璃钢、碳纤维，常用的塑料有 硬质泡沫塑料、