航空航天材料

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  航空航天材料拼音háng kōng háng tiān cái liào英文:aerospace material),飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料,是航空航天工程技术发展的决定性因素之一。航空航天材料科学是材料科学中的一个分支。飞行器的设计不断地向材料科学提出新的课题,推动航空航天材料科学向前发展。各种新材料的出现也给飞行器的设计提供新的可能性,极大地促进了航空航天技术的发展。

  18世纪60年代发生的欧洲工业革命使纺织工业、冶金工业、机器制造工业得到很大的发展,从而结束了人类只能利用自然材料向天空挑战的时代。1903年美国莱特兄弟制造出第一架装有活塞式航空发动机的飞机,当时使用的材料有木材(占47%),钢(占35%)和布(占18%),飞机的飞行速度只有16公里/时。1906年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝,使制造全金属结构的飞机成为可能。40年代出现的全金属结构飞机的承载能力已大大增加,飞行速度超过了600公里/时。在合金强化理论的基础上发展起来的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不断提高。50年代钛合金的研制成功和应用对克服机翼蒙皮的“热障”问题起了重大作用,飞机的性能大幅度提高,最大飞行速度达到了3倍音速。40年代初期出现的德国V-2火箭只使用了一般的航空材料。50年代以后,材料烧蚀防热理论的出现以及烧蚀材料的研制成功,解决了弹道导弹弹头的再入防热问题。60年代以来,航空航天材料性能的不断提高,一些飞行器部件使用了更先进的复合材料,如碳纤维或硼纤维增强的环氧树脂基复合材料、金属基复合材料等,以减轻结构重量。返回型航天器和航天飞机在再入大气层时会遇到比弹道导弹弹头再入时间长得多的空气动力加热过程,但加热速度较慢,热流较小。采用抗氧化性能更好的碳-碳复合材料、陶瓷隔热瓦等特殊材料可以解决防热问题。

分类

  飞行器发展到80年代已成为机械加电子的高度一体化的产品。它要求使用品种繁多的、具有先进性能的结构材料和具有电、光、热和磁等多种性能的功能材料。航空航天材料按材料的使用对象不同可分为飞机材料、航空发动机材料、火箭和导弹材料和航天器材料等;按材料的化学成分不同可分为金属与合金材料、有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料。

材料应具备的条件

  用航空航天材料制造的许多零件往往需要在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作,有的则受到重量和容纳空间的限制,需要以最小的体积和质量发挥在通常情况下等效的功能,有的需要在大气层中或外层空间长期运行,不可能停机检查或更换零件,因而要有极高的可靠性和质量保证。不同的工作环境要求航空航天材料具有不同的特性。

高的比强度和比刚度

  对飞行器材料的基本要求是:材质轻、强度高、刚度好。减轻飞行器本身的结构重量就意味着增加运载能力,提高机动性能,加大飞行距离或射程,减少燃油或推进剂的消耗。比强度和比刚度是衡量航空航天材料力学性能优劣的重要参数:

    比强度=σ/ρ

    比刚度=E/ρ

式中σ为材料的强度,E为材料的弹性模量,ρ为材料的比重。

  飞行器除了受静载荷的作用外还要经受由于起飞和降落、发动机振动、转动件的高速旋转、机动飞行和突风等因素产生的交变载荷,因此材料的疲劳性能也受到人们极大的重视。

耐高低温性能

  飞行器所经受的高温环境是空气动力加热、发动机燃气以及太空中太阳的辐照造成的。航空器要长时间在空气中飞行,有的飞行速度高达3倍音速,所使用的高温材料要具有良好的高温持久强度、蠕变强度、热疲劳强度,在空气和腐蚀介质中要有高的抗氧化性能和抗热腐蚀性能,并应具有在高温下长期工作的组织结构稳定性。火箭发动机燃气温度可达3000°C以上,喷射速度可达十余个马赫数,而且固体火箭燃气中还夹杂有固体粒子,弹道导弹头部在再入大气层时速度高达20个马赫数以上,温度高达上万摄氏度,有时还会受到粒子云的侵蚀,因此在航天技术领域中所涉及的高温环境往往同时包括高温高速气流和粒子的冲刷。在这种条件下需要利用材料所具有的熔解热、蒸发热、升华热、分解热、化合热以及高温粘性等物理性能来设计高温耐烧蚀材料和发汗冷却材料以满足高温环境的要求。太阳辐照会造成在外层空间运行的卫星和飞船表面温度的交变,一般采用温控涂层和隔热材料来解决。低温环境的形成来自大自然和低温推进剂。飞机在同温层以亚音速飞行时表面温度会降到-50°C左右,极圈以内各地域的严冬会使机场环境温度下降到-40°C以下。在这种环境下要求金属构件或橡胶轮胎不产生脆化现象。液体火箭使用液氧(沸点为-183°C)和液氢(沸点为-253°C)作推进剂,这为材料提出了更严峻的环境条件。部分金属材料和绝大多数高分子材料在这种条件下都会变脆。通过发展或选择合适的材料,如纯铝和铝合金、钛合金、低温钢、聚四氟乙烯、聚酰亚胺和全氟聚醚等,才能解决超低温下结构承受载荷的能力和密封等问题。

耐老化和耐腐蚀

  各种介质和大气环境对材料的作用表现为腐蚀和老化。航空航天材料接触的介质是飞机用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推进剂(如浓硝酸、四氧化二氮、肼类)和各种润滑剂、液压油等。其中多数对金属和非金属材料都有强烈的腐蚀作用或溶胀作用。在大气中受太阳的辐照、风雨的侵蚀、地下潮湿环境中长期贮存时产生的霉菌会加速高分子材料的老化过程。耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料应该具备的良好特性。

适应空间环境

  空间环境对材料的作用主要表现为高真空(1.33×10-10帕)和宇宙射线辐照的影响。金属材料在高真空下互相接触时,由于表面被高真空环境所净化而加速了分子扩散过程,出现“冷焊”现象;非金属材料在高真空和宇宙射线辐照下会加速挥发和老化,有时这种现象会使光学镜头因挥发物沉积而被污染,密封结构因老化而失效。航天材料一般是通过地面模拟试验来选择和发展的,以求适应于空间环境。

寿命和安全

  为了减轻飞行器的结构重量,选取尽可能小的安全余量而达到绝对可靠的安全寿命,被认为是飞行器设计的奋斗目标。对于导弹或运载火箭等短时间一次使用的飞行器,人们力求把材料性能发挥到极限程度。为了充分利用材料强度并保证安全,对于金属材料已经使用“损伤容限设计原则”。这就要求材料不但具有高的比强度,而且还要有高的断裂韧性。在模拟使用的条件下测定出材料的裂纹起始寿命和裂纹的扩展速率等数据,并计算出允许的裂纹长度和相应的寿命,以此作为设计、生产和使用的重要依据。对于有机非金属材料则要求进行自然老化和人工加速老化试验,确定其寿命的保险期。复合材料的破损模式、寿命和安全也是一项重要的研究课题。

材料的进展

  航空航天材料的进展取决于下列3个因素:

  1.材料科学理论的新发现:例如,铝合金的时效强化理论导致硬铝合金的发展;高分子材料刚性分子链的定向排列理论导致高强度、高模量芳纶有机纤维的发展。

  2.材料加工工艺的进展:例如,古老的铸、锻技术已发展成为定向凝固技术、精密锻压技术,从而使高性能的叶片材料得到实际应用;复合材料增强纤维铺层设计和工艺技术的发展,使它在不同的受力方向上具有最优特性,从而使复合材料具有“可设计性”,并为它的应用开拓了广阔的前景;热等静压技术、超细粉末制造技术等新型工艺技术的成就创造出具有崭新性能的一代新型航空航天材料和制件,如热等静压的粉末冶金涡轮盘、高效能陶瓷制件等。

  3.材料性能测试与无损检测技术的进步:现代电子光学仪器已经可以观察到材料的分子结构;材料机械性能的测试装置已经可以模拟飞行器的载荷谱,而且无损检测技术也有了飞速的进步。材料性能测试与无损检测技术正在提供越来越多的、更为精细的信息,为飞行器的设计提供更接近于实际使用条件的材料性能数据,为生产提供保证产品质量的检测手段。一种新型航空航天材料只有在这三个方面都已经发展到成熟阶段,才有可能应用于飞行器上。

因此,世界各国都把航空航天材料放在优先发展的地位。中国在50年代就创建了北京航空材料研究所和北京航天材料工艺研究所,从事航空航天材料的应用研究。