航空航天材料

航空航天材料北航材料学院2011航空航天的简单定义航天：飞行器在地球30~50km以外大气层的航行活动

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)

飞机、飞艇、热气球、导弹等世界航空航天发展大事记1903年12月17日，第一架飞机，美国莱特兄弟；1957年10月04日，第一颗人造卫星，苏联；1961年04月12日，第一艘载人飞船，苏联“联盟号”；1969年07月16日，第一次登月，美国“阿波罗－11”号飞船1971年04月19日，第一艘空间站，苏联“礼炮1号”1981年04月12日，第一架航天飞机，美国“哥伦比亚号”2004年01月04日，第一次火星着陆，美国“勇气号”2011年，“发现者”号航天飞机退役，昂贵，不能飞到火星2015年，美国航天局计划访问太阳20XX年，航天飞机的潜在替代者中，最引人注目的是美国空军的X-37计划中国航空航天发展大事记1909年9月21日，冯如在奥克兰试飞第一架

1912年8月25日，冯如在广州燕塘飞行表演中不幸失事牺牲，被尊为“中国首创飞行大家”。

1954年7月，第一架飞机，活塞式初级教练机1970年4月24日，第一颗人造卫星，东方红一号2003年10月15日，第一艘载人飞船，神州五号2005年10月，载人飞船，神州六号，两位宇航员2008年9月25日21时10分，载人飞船，神州七号，三位宇航员，太空行走，2008年绕月卫星嫦娥一号;2012年探月软着陆2011年9月29日，天宫一号空间站升空。20XX年X月X日，第一次火星着陆，多种航天计划（载人登月）中国航空航天发展大事记天宫一号（Tiangong-1）是中国第一个目标飞行器，于2011年9月29日21时16分3秒在酒泉卫星发射中心发射，飞行器全长10.4米，最大直径3.35米，由实验舱和资源舱构成。它的发射标志着中国迈入中国航天“三步走”战略的第二步第二阶段。按照计划，神舟八号、神舟九号、神舟十号飞船将在两年内依次与天宫一号完成无人或有人交会对接任务，并建立中国首个空间实验室。天宫一号（左）和神八对接模拟图航空器的发展对材料的要求蒙皮的最高温度可达1000℃以上航空器的发展对材料的要求发动机的工作温度则高达2000℃。航空器的发展对材料的要求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航空器的发展对材料的要求航空航天材料的耐温性TitaniumNickelSteelAluminiumComposites航空器的发展对材料的要求未来先进航空发动机求先进航空发动机的推重比达到12~15，涡轮前燃气温度将达到1800~2100℃，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1800℃Ir基合金;耐温1371℃隔热涂层等。航空器发展的设计和性能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。如美国F15飞机设计寿命为4000h，而对新一代歼击机的定寿指标为8000h。民航机无裂纹寿命要求30000h，经济寿命要求在60000h以上，故障要求低于10-9。我国大运：30000~60000h，大客更长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。航天器发展对材料的要求航天器，包括：火箭、卫星、飞船、航天飞机和空间站。与飞机工作条件显著不同，这里讲的火箭是指发射卫星、飞船、航天飞机到指定空间轨道的运载工具。航天飞机返回舱航天器的特殊使役环境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的反射辐照以及地球的红外辐射，环境温度约为－90－＋1251℃。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。航天器的特殊使役环境航天器的特殊使役环境返回舱在100km左右高度再入大气层速度约为7700m／s、经历气动加热和气动力环境，返回舱各部位的热流大小，反映舱体表面温度的高低，如拐角温度1200～1800℃，钝头球面：1000～1200℃，侧壁迎风面：410～950℃、侧壁背风面：低于400℃。飞船返回舱舱体温度情况飞船返回舱回收图2003年2月1日，灾难再度降临，载有7名宇航员的哥伦比亚号航天飞机在结束了为期16天的太空任务之后，返回地球，着陆前16分钟，该机突然从雷达屏幕消失。整起事故的原因是航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料受损脱落，击中航天飞机左翼前缘，造成机翼烧毁。勇气号火星探测车20040103登陆，设计寿命3个月；2009年4月停下脚步成为静止平台。目前已经失去联系。能源材料决定了使用寿命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高技术产业特点当代科技的高度密集高度复杂的系统工程科技发展的先导作用军民结合高可靠性和高风险度产品的多样性和小批量成本和价格高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飞机型号设计年代钛合金复合材料铝合金结构钢F1419692413917F151972272366F18197813124917F11719832510205F2219894124115B7471969418113B77719947117011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

高压涡轮进口温度:1715OC

加力燃烧室温度:1777OC

压气机总增压比：252、寿命要求：冷端部件：4000h

热端部件：2000h3、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）航天材料运载火箭及导弹材料航天飞行器材料航天功能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弹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

航天功能材料微电子元器件材料光电子元器件材料信息材料（传输、存储和显示）传感器敏感元件材料隐身和智能材料

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轻合金及超高强度钢高温金属结构材料先进聚合物基复合材料先进金属基及无机非金属基复合材料先进功能材料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：α、β、α＋β、铸造、粉末

Ti-6Al-4V（TC-4）：占F22机体总重量的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1、高温钛合金：使用温度上限600℃,如：

Ti-11002、镍基高温合金:

强化机制γ’(Ni3(Al、Ti)/γ3、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1、结构聚合物基复合材料2、功能聚合物基