航天常用结构材料课件

空间结构材料分类1、空间结构用金属材料2、纤维增强树脂基复合材料3、颗粒增强金属基复合材料4、纤维增强陶瓷基复合材料5、结构功能材料空间结构材料分类1、空间结构用金属材料2、纤维增强树脂基复合1先进航天器对材料要求越来越高:轻量化、高强、高模量高尺寸稳定、高导热

高耐磨、高阻尼

抗空间辐照某些关键结构和机构：

钢、钛：重，导热差

铝合金：刚性差，不耐磨

聚合物复合材料：不耐辐射，老化

先进树脂基、金属基、陶瓷基复合材料！

航天需求（轻质高强高模量、高尺寸稳定、抗空间射线辐照）先进航天器对材料要求越来越高:某些关键结构和机构： 航天需求2空间结构材料结构材料是宇航制造的重要物质基础，随着航天领域的不断发展，对空间结构材料的要求也不断提高。具体要求为：优良的耐高低温性能轻质、高模量、高强度适应空间环境高寿命和安全可靠性材料ρ密度（g/cm3）E弹性模量（GPa）强度（MPa）热膨胀系数α（10-6/℃）热导系数（W/m·℃）镁锂合金LA1411.3543160(拉伸)∕80镁MB51.845255（拉伸）23134铝LY12CZ2.868～72390~44121.6159低组分硅铝(15%含量)2.7595～9850017~18>140硼铝复合材料2.7795～110520（拉伸）14~16>140殷钢8.05141470（4J32）0.5～2.010～15钛合金（ZTC4）4.43100～1178928.45～10铍1.8528724311.3216俄铍铝ABM-40-32.2165～180∕16121美铍铝AlBeMet1622.1200452（拉伸）14210碳纤维1.561401543~2369（0°拉伸）0.5735空间结构材料结构材料是宇航制造的重要物质基础，随着航天领域的3空间结构-常用金属材料空间常用金属结构材料：铝合金、镁合金、钢、钛合金、铍及铍合金。金属材料的特点：强度高、弹性模量高、稳定性好、加工工艺性能好、材料规格齐全。通常用于本体结构、支撑结构、压力容器、各种连接件和机构零件。常用金属材料特点铝合金铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。镁合金密度小，相对比强度、比刚度高，具有很好的减重作用。钢具有良好的综合力学性能，质量稳定，价格低廉。钛合金密度低，比强度高，耐腐蚀性好，并具有超导、贮氢、记忆等优点。铍及铍合金比重低，弹性模量高，各向异性小，具有良好的减振效果。用于结构件，光学件空间结构-常用金属材料空间常用金属结构材料：铝合金、镁合金、43D打印(3DP):是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。空间结构-常用金属材料优势：可加工高熔点、高硬度材料（高温合金、钛合金等）,优于传统制造工艺材料利用率很高，可实现复杂结构零件近似成型。制造速度快，缩短周期。可直接生产大型复杂构件。制造异质材料（如功能梯度材料、复合材料等）的最佳工艺。能实现单一零件中材料成分的连续变化。装备零部件快速修复。3D打印(3DP):是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金5纤维增强树脂基复合材料纤维增强树脂基复合材料6空间结构-常用复合材料复合材料特点：连续相的基体+增强体。不同材料取长补短，协同作用，产生原本单一材料本身所没有的新性能。高比模量/比强度值、耐腐蚀、材料可设计性。基体材料金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、石墨、橡胶、陶瓷等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、石棉纤维、碳化硅纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料应用：卫星结构本体、太阳电池阵结构、天线结构、杆及支架结构铝蜂窝夹层结构板(卫星结构)由上面板、下面板和多孔蜂窝夹芯组成。承受轴压、侧压、弯曲时能发挥较高的材料性能，可阻止结构失稳，起结构隔离和隔热作用。空间结构-常用复合材料复合材料特点：连续相的基体+增强体。不7纤维增强树脂基复合材料常用的树脂为环氧树脂和不饱和聚酯树脂。树脂基体以热固性树脂为主。纤维材料有玻璃纤维，芳纶纤维和碳纤维。主要成型工艺有接触成型、缠绕成型、真空成型及层压和模压成型等。碳纤维增强树脂基复合材料在空间结构广泛应用，具有如下优点：高比强度（抗拉强度与材料表观密度之）和比模量,，耐疲劳导热、导电性能良好热膨胀系数小。易于整体成型，根据性能要求，设计编织与热固化成型工艺密度小，重量轻，可比常规金属结构减重30%左右。碳纤维复合材料一般以叠合制成多层板使用，通常有两种复合形式每层的纤维方向相同排列，为单向纤维复合材料。各层纤维方向呈不同角度，通常称为多向纤维复合材料。碳纤维多向铺层方式空间结构-常用复合材料纤维增强树脂基复合材料碳纤维多向铺层方式空间结构-常用复合材8颗粒增强金属基复合材料

（典型：铝基SiC）颗粒增强金属基复合材料9低膨胀尺寸稳定抗辐射中子吸收阻尼减振耐磨耐热高强高模增强体复合化赋予金属新性能及功能！金属固溶强化形变强化时效强化细晶强化相变强化经济发展科技进步结构功能一体化轻质高强多功能低膨胀抗辐射阻尼耐磨高强增强体复合化金属固溶形变时效细晶相变10金属基复合材料铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类。金属基复合材料的特点：高比强度、高比刚度、良好的高温性能、低热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性。铝基复合材料:性能优异/价低/工艺相容性好/用途广镁基复合材料:轻质/比强度高，用于特殊结构件钛基复合材料:轻质/高强/耐高温，发动机部件金属陶瓷(Ni/Fe):硬度/强度高/耐高温，耐磨部件/工模具其中以非连续增强铝基复合材料(DRA)最为应用广泛高比强度、高比模量。适中的断裂韧性。低热膨胀、高导热。尺寸稳定性好，各向同性耐磨、耐疲劳。金属基复合材料铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，增强材料11金属基复合材料固态法：DRA的粉末冶金制备过程液态法：液态金属复合熔炼法，液态金属浸渍法真空压力浸渍、挤压铸造、无压浸渗固体法：粉末冶金金属基复合材料固态法：DRA的粉末冶金制备过程液态法：12性能要求：低膨胀高尺寸稳定高刚性材料：SiC含量较高尺寸：壁厚差别大形状：复杂+液态模锻成型性能要求：材料：SiC含量较高尺寸：壁厚差别大+液态模锻成型13复合材料磨损率对偶磨损率(GR15steel)摩擦条件:油润滑/压力:300N/滑动速度:30m/min比铝青铜优异的耐磨性与陶瓷等耐磨材料相比，对偶损伤小理想的耐磨材料摩擦磨损性能复合材料磨损率对偶磨损率(GR15steel)摩擦条件:14金属基复合材料金属基复合材料15第16页在“玉兔号”月球车移动机构上的应用第16页在“玉兔号”月球车移动机构上的应用16纤维增强陶瓷基复合材料（典型：C-SiC）纤维增强陶瓷基复合材料17陶瓷基复合材料是一种兼有金属材料、陶瓷材料和碳材料性能优点的热结构/功能一体化新型材料，克服了传统金属材料密度高,陶瓷材料脆性大和可靠性差、碳材料抗氧化性差和强度低等缺点，具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化、抗烧蚀，对裂纹不敏感，不发生灾难性毁损等特点。同时，陶瓷基复合材料具有优良的超低温性能和抗辐照性能。陶瓷基复合材料的特性决定了其能够满足航空航天器高速度、高精度、高搭载和长寿命对于结构材料的需求。采用化学气相渗透沉积工艺（CVI），可制作各种轻型高强度，低膨胀，耐高温抗氧化构件。纤维基体界面组织纤维增强体+基体+纤维/基体界面层组成的复合体。纤维增强陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是一种兼有金属材料、陶瓷材料和碳材料性能优点的18陶瓷基复合材料战略地位1650℃2000℃2800℃350℃有限寿命(数十分钟至数小时)瞬时寿命(数十秒至数分钟)航空发动机核能电站刹车制动系统液体火箭发动机空天飞行器热防护系统冲压发动机固体火箭发动机C/CC/SiC-180℃SiC/SiCC/SiC长寿命(数百上千小时)深空探测器燃气电站遥感卫星覆盖的使用温度宽，应用领域广，军用不可替代、民用市场广阔。纤维增强陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料战略地位1650℃2000℃2800℃350℃19CMC材料空间应用主要包括：推进系统——液体火箭和固体火箭发动机，以及卫星动力系统；头锥、前缘、机身襟翼、舱体结构热防护系统——可重复使用飞行器（空天飞行器超高速飞行器）的长寿命TPS和热结构构件；热端部件——航空与火箭发动机燃烧室内衬、火焰筒、喷口导流叶片、涡轮导向叶片、涡轮外环及尾喷管相关构件；飞机刹车盘轻量化光学部件——卫星通信、高能量激光传输和卫星观测反射镜及反射镜支撑结构。纤维增强陶瓷基复合材料CMC材料空间应用主要包括：纤维增强陶瓷基复合材料20空间低热膨胀，高稳定性光机构件克服了树脂材料吸湿和真空放气等缺点空间低热膨胀，高稳定性光机构件克服了树脂材料吸湿和真空放气等21结构功能材料结构功能材料22结构功能材料智能材料是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术发展，实现结构功能化、功能多样化。智能材料七大功能传感功能反馈功能信息识别与积累功能响应功能自诊断能力自修复能力自适应能力超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺寸上的结构有序设计，可以突破某些表现自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。智能材料与超材料在空间有着广泛的应用前景结构功能材料智能材料是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理23形状记忆合金在发生塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种材料已应用到航空航天装置中。美国成功利用记忆合金将月球天线体积缩小到原来的千分之一。压电陶瓷具有把电能转变为机械能的能力，是高精度、高速驱动器所必须的材料，已应用在各种跟踪系统、自适应光学系统、机器人微定位器等。需求：高性能叠层式压电陶瓷(带应变反馈)。需求：记忆合金展开，解锁机构结构功能材料形状记忆合金在发生塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变24NASA的科学家已经在实验一种由聚合物所制成的柔性气凝胶，作为太空飞船在穿过大气层时的绝缘材料。航空航天器蒙皮中植入能探测激光、核辐射等多种传感器，形成智能蒙皮，可用于对敌方威胁进行监视和预警。美国正在为未来的弹道导弹监视和预警卫星研究在复合材料蒙皮中植入智能传感器。这种智能蒙皮将安装在天基防御系统平台表面，对敌方威胁进行实时监视和预警，提高武器平台抵御破坏的能力。需求：具有一定刚度与形状保持的绝缘材料。局部替代卫星多层包覆需求：卫星隐身材料，激光预警感应材料结构功能材料NASA的科学家已经在实验一种由聚合物所制成的柔性气凝胶，作25航天常用结构材料课件26空间结构材料分类1、空间结构用金属材料2、纤维增强树脂基复合材料3、颗粒增强金属基复合材料4、纤维增强陶瓷基复合材料5、结构功能材料空间结构材料分类1、空间结构用金属材料2、纤维增强树脂基复合27先进航天器对材料要求越来越高:轻量化、高强、高模量高尺寸稳定、高导热

高耐磨、高阻尼

抗空间辐照某些关键结构和机构：

钢、钛：重，导热差

铝合金：刚性差，不耐磨

聚合物复合材料：不耐辐射，老化

先进树脂基、金属基、陶瓷基复合材料！

航天需求（轻质高强高模量、高尺寸稳定、抗空间射线辐照）先进航天器对材料要求越来越高:某些关键结构和机构： 航天需求28空间结构材料结构材料是宇航制造的重要物质基础，随着航天领域的不断发展，对空间结构材料的要求也不断提高。具体要求为：优良的耐高低温性能轻质、高模量、高强度适应空间环境高寿命和安全可靠性材料ρ密度（g/cm3）E弹性模量（GPa）强度（MPa）热膨胀系数α（10-6/℃）热导系数（W/m·℃）镁锂合金LA1411.3543160(拉伸)∕80镁MB51.845255（拉伸）23134铝LY12CZ2.868～72390~44121.6159低组分硅铝(15%含量)2.7595～9850017~18>140硼铝复合材料2.7795～110520（拉伸）14~16>140殷钢8.05141470（4J32）0.5～2.010～15钛合金（ZTC4）4.43100～1178928.45～10铍1.8528724311.3216俄铍铝ABM-40-32.2165～180∕16121美铍铝AlBeMet1622.1200452（拉伸）14210碳纤维1.561401543~2369（0°拉伸）0.5735空间结构材料结构材料是宇航制造的重要物质基础，随着航天领域的29空间结构-常用金属材料空间常用金属结构材料：铝合金、镁合金、钢、钛合金、铍及铍合金。金属材料的特点：强度高、弹性模量高、稳定性好、加工工艺性能好、材料规格齐全。通常用于本体结构、支撑结构、压力容器、各种连接件和机构零件。常用金属材料特点铝合金铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。镁合金密度小，相对比强度、比刚度高，具有很好的减重作用。钢具有良好的综合力学性能，质量稳定，价格低廉。钛合金密度低，比强度高，耐腐蚀性好，并具有超导、贮氢、记忆等优点。铍及铍合金比重低，弹性模量高，各向异性小，具有良好的减振效果。用于结构件，光学件空间结构-常用金属材料空间常用金属结构材料：铝合金、镁合金、303D打印(3DP):是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。空间结构-常用金属材料优势：可加工高熔点、高硬度材料（高温合金、钛合金等）,优于传统制造工艺材料利用率很高，可实现复杂结构零件近似成型。制造速度快，缩短周期。可直接生产大型复杂构件。制造异质材料（如功能梯度材料、复合材料等）的最佳工艺。能实现单一零件中材料成分的连续变化。装备零部件快速修复。3D打印(3DP):是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金31纤维增强树脂基复合材料纤维增强树脂基复合材料32空间结构-常用复合材料复合材料特点：连续相的基体+增强体。不同材料取长补短，协同作用，产生原本单一材料本身所没有的新性能。高比模量/比强度值、耐腐蚀、材料可设计性。基体材料金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、石墨、橡胶、陶瓷等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、石棉纤维、碳化硅纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料应用：卫星结构本体、太阳电池阵结构、天线结构、杆及支架结构铝蜂窝夹层结构板(卫星结构)由上面板、下面板和多孔蜂窝夹芯组成。承受轴压、侧压、弯曲时能发挥较高的材料性能，可阻止结构失稳，起结构隔离和隔热作用。空间结构-常用复合材料复合材料特点：连续相的基体+增强体。不33纤维增强树脂基复合材料常用的树脂为环氧树脂和不饱和聚酯树脂。树脂基体以热固性树脂为主。纤维材料有玻璃纤维，芳纶纤维和碳纤维。主要成型工艺有接触成型、缠绕成型、真空成型及层压和模压成型等。碳纤维增强树脂基复合材料在空间结构广泛应用，具有如下优点：高比强度（抗拉强度与材料表观密度之）和比模量,，耐疲劳导热、导电性能良好热膨胀系数小。易于整体成型，根据性能要求，设计编织与热固化成型工艺密度小，重量轻，可比常规金属结构减重30%左右。碳纤维复合材料一般以叠合制成多层板使用，通常有两种复合形式每层的纤维方向相同排列，为单向纤维复合材料。各层纤维方向呈不同角度，通常称为多向纤维复合材料。碳纤维多向铺层方式空间结构-常用复合材料纤维增强树脂基复合材料碳纤维多向铺层方式空间结构-常用复合材34颗粒增强金属基复合材料

（典型：铝基SiC）颗粒增强金属基复合材料35低膨胀尺寸稳定抗辐射中子吸收阻尼减振耐磨耐热高强高模增强体复合化赋予金属新性能及功能！金属固溶强化形变强化时效强化细晶强化相变强化经济发展科技进步结构功能一体化轻质高强多功能低膨胀抗辐射阻尼耐磨高强增强体复合化金属固溶形变时效细晶相变36金属基复合材料铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类。金属基复合材料的特点：高比强度、高比刚度、良好的高温性能、低热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性。铝基复合材料:性能优异/价低/工艺相容性好/用途广镁基复合材料:轻质/比强度高，用于特殊结构件钛基复合材料:轻质/高强/耐高温，发动机部件金属陶瓷(Ni/Fe):硬度/强度高/耐高温，耐磨部件/工模具其中以非连续增强铝基复合材料(DRA)最为应用广泛高比强度、高比模量。适中的断裂韧性。低热膨胀、高导热。尺寸稳定性好，各向同性耐磨、耐疲劳。金属基复合材料铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，增强材料37金属基复合材料固态法：DRA的粉末冶金制备过程液态法：液态金属复合熔炼法，液态金属浸渍法真空压力浸渍、挤压铸造、无压浸渗固体法：粉末冶金金属基复合材料固态法：DRA的粉末冶金制备过程液态法：38性能要求：低膨胀高尺寸稳定高刚性材料：SiC含量较高尺寸：壁厚差别大形状：复杂+液态模锻成型性能要求：材料：SiC含量较高尺寸：壁厚差别大+液态模锻成型39复合材料磨损率对偶磨损率(GR15steel)摩擦条件:油润滑/压力:300N/滑动速度:30m/min比铝青铜优异的耐磨性与陶瓷等耐磨材料相比，对偶损伤小理想的耐磨材料摩擦磨损性能复合材料磨损率对偶磨损率(GR15steel)摩擦条件:40金属基复合材料金属基复合材料41第42页在“玉兔号”月球车移动机构上的应用第16页在“玉兔号”月球车移动机构上的应用42纤维增强陶瓷基复合材料（典型：C-SiC）纤维增强陶瓷基复合材料43陶瓷基复合材料是一种兼有金属材料、陶瓷材料和碳材料性能优点的热结构/功能一体化新型材料，克服了传统金属材料密度高,陶瓷材料脆性大和可靠性差、碳材料抗氧化性差和强度低等缺点，具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化、抗烧蚀，对裂纹不敏感，不发生灾难性毁损等特点。同时，陶瓷基复合材料具有优良的超低温性能和抗辐照性能。陶瓷基复合材料的特性决定了其能够满足航空航天器高速度、高精度、高搭载和长寿命对于结构材料的需求。采用化学气相渗透沉积工艺（CVI），可制作各种轻型高强度，低膨胀，耐高温抗氧化构件。纤维基体界面组织纤维增强体+基体+纤维/基体界面层组成的复合体。纤维增强陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是一种兼有金属材料、陶瓷材料和碳材料性能优点的44陶瓷基复合材料战略地位1650℃2000℃2800℃350℃有限寿命(数十分钟至数小时)瞬时寿命(数十秒至数分钟)航空发动机核能电站刹车制动系统液体火箭发动机空天飞行器热防护系统冲压发动机固体火箭发动机C/CC/SiC-180℃SiC/SiCC/SiC长寿命(数百上千小时)深空探测器燃气电站遥感卫星覆盖的使用温度宽，应用领域广，军用不可替代、民用市场广阔。纤维增强陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料战略地位1650℃2000℃2800℃350℃45CMC材料空间应用主要包括：推进系统——液体火箭和固体火箭发动机，以及卫星动力系统；头锥、前缘、机身襟翼、舱体结构热防护系统——可重复使用飞行器（空天飞行器超高速飞行器）的长寿命TPS和热结构构件；热端部件——航空与火箭发动机燃烧室内衬、火焰筒、喷口导流叶片、涡轮导向叶片、涡轮外环及