1.航空航天材料的服役環(huán)境

航空航天材料除了經(jīng)受高應(yīng)力、慣性力外，航空飛行器還要經(jīng)受起飛和降落、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)件的高速旋轉(zhuǎn)、機(jī)動(dòng)飛行、突風(fēng)等因素導(dǎo)致的沖擊載荷和交變載荷。發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庖约疤?yáng)輻照導(dǎo)致航空器處于高溫環(huán)境，隨著飛行速度提高，氣動(dòng)加熱效應(yīng)凸顯，產(chǎn)生“熱障”。此外，還要經(jīng)受交變溫度，在同溫層以亞音速飛行時(shí)，表面溫度會(huì)降到-50℃左右，極圈以內(nèi)地域的嚴(yán)冬環(huán)境溫度會(huì)低于-40℃，金屬構(gòu)件或橡膠輪胎容易產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。汽油、煤油等燃料和各種潤(rùn)滑劑、液壓油，多數(shù)對(duì)金屬材料產(chǎn)生腐蝕作用、對(duì)非金屬材料產(chǎn)生溶脹作用，而太陽(yáng)輻照、風(fēng)雨侵蝕、地下潮濕環(huán)境長(zhǎng)期儲(chǔ)存產(chǎn)生的霉菌會(huì)加速高分子材料的老化過程。

2.航空航天材料的選擇及應(yīng)用
航空航天飛行器長(zhǎng)期在大氣層或外層空間運(yùn)行，在極端環(huán)境服役還要有極高可靠性和安全性、優(yōu)良的飛行性和機(jī)動(dòng)性，除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足氣動(dòng)需求、工藝性要求和使用維護(hù)要求外，更有賴于材料的優(yōu)異特性和功能。

01選材原則結(jié)構(gòu)件在服役中要承受各種形式的外力作用，要求材料在規(guī)定期限內(nèi)不超過允許的變形量和不破斷，而航空航天結(jié)構(gòu)還要盡量縮小結(jié)構(gòu)尺寸、降低重量，早期航空航天構(gòu)件采用靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)，不考慮或很少考慮塑韌性，導(dǎo)致出現(xiàn)了災(zāi)難性事故。

為了保證結(jié)構(gòu)安全并充分利用材料的性能，航空航天結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)由 “強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皳p傷容限設(shè)計(jì)原則”，并逐步過渡到“全壽命周期設(shè)計(jì)原則”，在設(shè)計(jì)階段就考慮到產(chǎn)品壽命歷程的所有環(huán)節(jié)，所有相關(guān)因素在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就得到綜合規(guī)劃和優(yōu)化。要求材料不僅具有高的比強(qiáng)度、比剛度，還要有一定的斷裂韌性和沖擊韌性、抗疲勞性能、耐高溫性能、耐低溫性能、耐腐蝕性能、耐老化性能和抗霉菌性能，并有針對(duì)性地強(qiáng)化一些性能指標(biāo)。此外，不同等級(jí)的載荷區(qū)采用不同的選材判據(jù)，根據(jù)部件的具體要求選擇與之匹配的材料，大載荷區(qū)采用強(qiáng)度判據(jù)，選用高強(qiáng)材料；中載荷區(qū)采用剛度判據(jù)，選用高彈性模量材料；輕載荷區(qū)主要考慮尺寸穩(wěn)定性，確保構(gòu)件尺寸大于***小臨界尺寸。

選擇和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)材料時(shí)，要根據(jù)服役條件和應(yīng)力狀態(tài)，選擇合適的力學(xué)性能 （拉伸、壓縮、沖擊、疲勞、低溫系列沖擊）測(cè)試方法，針對(duì)不同的斷裂方式（韌斷、脆斷、應(yīng)力疲勞、應(yīng)變疲勞、應(yīng)力腐蝕、氫脆、中子輻照脆化等），綜合考慮材料強(qiáng)度與塑性、韌性的合理配合。承受拉伸載荷的構(gòu)件，表層及心部應(yīng)力分布均勻，所選材料應(yīng)具有均一組織和性能，大型構(gòu)件應(yīng)有良好的淬透性。承受彎曲及扭轉(zhuǎn)載荷的構(gòu)件，表層及心部應(yīng)力相差較大，可用淬透性較低的材料。承受交變載荷的構(gòu)件，疲勞極限、缺口敏感性為選材的重要考核指標(biāo)。在腐蝕介質(zhì)中服役的構(gòu)件，抗腐蝕能力、氫脆敏感性、應(yīng)力腐蝕開裂傾向、腐蝕疲勞強(qiáng)度等為選材的重要考核指標(biāo)。高溫服役材料還要考慮組織穩(wěn)定性，低溫服役材料還要考慮低溫性能。

減重對(duì)提高飛行器的安全性、增加有效載荷和續(xù)航距離、提高機(jī)動(dòng)性能及射程、降低燃料或推進(jìn)劑消耗和飛行成本具有實(shí)際意義，飛行器速度越快，減重意義越大。戰(zhàn)斗機(jī)重量減輕15%，則可縮短飛機(jī)滑跑距離15％，增加航程20%，提高有效載荷30%。對(duì)于導(dǎo)彈或運(yùn)載火箭等短時(shí)間一次性使用的飛行器，要以***小體積和質(zhì)量發(fā)揮等效功能，力求把材料性能發(fā)揮到極限程度，選取盡可能小的安全余量而達(dá)到絕對(duì)可靠的安全壽命。

02主要航空航天材料

對(duì)于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，密度降低30％，比強(qiáng)度提高50％的作用還大。鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料是主要的航空航天結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，可提高飛行器的有效載荷、機(jī)動(dòng)性、續(xù)航距離，同時(shí)降低飛行成本。

超高強(qiáng)度鋼（屈服強(qiáng)度＞1380MPa)在航空航天工程中的用量不會(huì)超過10%。對(duì)于超聲速殲擊機(jī)等現(xiàn)代飛行器，超高強(qiáng)度鋼用量穩(wěn)定在5％~10%，其抗拉強(qiáng)度在600~1850MPa，有時(shí)高達(dá)到1950MPa，斷裂韌性K_Ic=78~91MPa·m^1/2。在活性腐蝕介質(zhì)中使用的機(jī)身承力結(jié)構(gòu)件，一般要采用高強(qiáng)度耐蝕鋼，裝備氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)要選用無(wú)碳耐蝕鋼作為在液氫和氫氣介質(zhì)中服役的構(gòu)件材料。

21世紀(jì)的飛行器機(jī)身結(jié)構(gòu)材料還是以鋁合金為主 ，包括2XXX系、7XXXX及鋁鋰合金。在鋁合金中加入鋰，可在提高強(qiáng)度的同時(shí)降低密度，實(shí)現(xiàn)提高構(gòu)件的比強(qiáng)度和比剛度的目標(biāo)。鋁鋰合金已用于大型運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、航天飛機(jī)、運(yùn)載火箭，主要用于頭部殼體、承力構(gòu)件、液氫液氧儲(chǔ)箱、管道、有效載荷轉(zhuǎn)接器等，被譽(yù)為***發(fā)展前景的航空航天材料。第三代和正在發(fā)展的***鋁鋰合金不再片面追求低密度，有較好的綜合性能，在裂紋擴(kuò)展速率、疲勞性能、腐蝕性能、彈性模量等與第三代鋁鋰合金相當(dāng)?shù)臈l件下，***鋁鋰合金有更高的靜強(qiáng)度（尤其屈服強(qiáng)度）和更高的斷裂韌性。

鈦合金的比強(qiáng)度高于鋁合金，已應(yīng)用于飛機(jī)框架、襟翼導(dǎo)軌和支架、發(fā)動(dòng)機(jī)底座和起落架構(gòu)件等，還可用于排氣罩和隔火板等受熱部分。Ma>2.5的超聲速飛機(jī)表面溫度可達(dá)到200~350℃，可采用鈦合金作蒙皮。采用快速凝固／粉末冶金方法制備的高純度高致密度的鈦合金，有較好的熱穩(wěn)定性，在7℃的強(qiáng)度與室溫相同，開發(fā)的高強(qiáng)度高韌性的β型鈦合金已被NASA定為SiC/Ti復(fù)合材料的基體材料，用來(lái)制造飛機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼壁板。鈦合金在航空器中的應(yīng)用比例逐漸增加，在民航機(jī)身中的使用量將達(dá)20%，在軍機(jī)機(jī)身中的使用量將高達(dá)50%。

金屬基復(fù)合材料、高溫樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳／碳復(fù)合材料已在航空航天領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的角色。碳／碳復(fù)合材料綜合了碳的難熔性與碳纖維的高強(qiáng)度、高剛性，具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導(dǎo)性，在2500℃的高溫下仍具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和韌性，且密度只有高溫合金的1/4?；旌闲蛷?fù)合材料得到了越來(lái)越多的關(guān)注，如在碳纖維復(fù)合材料中添加玻璃纖維可以改善其沖擊性能，而玻璃纖維增強(qiáng)塑料中加人碳纖維可以增加其剛度。

此外，層狀復(fù)合材料在航空航天工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如 A380采用了3％的GLARE，為新型的層壓板。層壓板是通過壓力使兩種不同種類的材料層疊在一起的復(fù)合材料，通常由上面板、上膠合層、芯材、下膠合層、下面板構(gòu)成，其強(qiáng)度和剛度要高于單獨(dú)的面板材料或芯材，已應(yīng)用于運(yùn)輸機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)。GLARE層壓板是通過壓力（或熱壓罐）把多層薄鋁板和單向性玻璃纖維預(yù)浸料（浸漬環(huán)氧黏合劑）疊接熱壓而成的，如圖1所示。鋁板要經(jīng)過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，使其更容易與纖維預(yù)浸料層粘在一起。表1為可商業(yè)化生產(chǎn)的GLARE層壓板類型，可根據(jù)需要制成不同厚度的板，纖維可以是2層、3層、4層等，纖維含量和方向符合表中規(guī)定即可，每類GLARE層壓板可以有不同形式，可根據(jù)具體需要進(jìn)行調(diào)整。

GLRE層壓板的拼接技術(shù)解決了鋁板寬度有限的問題，如圖2所示，拼接時(shí)，同層鋁板間有一條窄縫，不同層鋁板間的接縫在不同位置，這些接縫可以通過纖維層和其他層鋁板連接起來(lái)，使得大型機(jī)身壁板或整體蒙皮制造成為可能，并具有出色的抗疲勞、抗腐蝕和阻燃性能，從而消除了鉚釘孔及由此引發(fā)的應(yīng)力集中。為了確保載荷的安全傳遞，可在拼接處增加一個(gè)補(bǔ)強(qiáng)層，即增鋪一層金屬板或一層玻璃纖維預(yù)浸料。

蜂窩夾層復(fù)合材料由夾層和蒙皮（面板）復(fù)合而成，蒙皮可以是鋁、碳／環(huán)氧復(fù)合材料等，夾層形似蜂窩，是由金屬材料、玻璃纖維或復(fù)合材料制成的一系列六邊形、四邊形及其他形狀的孔格，在夾層的上下兩面再膠接（或釬焊）上較薄的面板。鋁蜂窩夾芯復(fù)合材料的芯材由鋁箔以不同方式膠接，通過拉伸而制成不同規(guī)格的蜂窩，芯材的性能主要通過鋁箔的厚度和孔格大小來(lái)控制，具有比強(qiáng)度和比剛度高、抗沖擊性能好、減振、透微波、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，與鉚接結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)效率可提高15%~30％。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料可用來(lái)制作各種壁板，用于翼面、艙面、艙蓋、地板、發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)罩、消聲板、隔熱板、衛(wèi)星星體外殼、拋物面天線、火箭推進(jìn)劑儲(chǔ)箱箱底等。但是，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在某些環(huán)境中易腐蝕，受沖擊時(shí)，蜂窩夾層會(huì)發(fā)生永久變形，使蜂窩夾層與蒙皮發(fā)生分離。

03航空航天用材分析下表2為美***機(jī)用結(jié)構(gòu)材料的百分比，總的變化趨勢(shì)是復(fù)合材料和鈦合金的用量逐漸增多，鋁合金的用量有所下降。

B787的復(fù)合材料占50%，A350的復(fù)合材料占52 % ,大量應(yīng)用復(fù)合材料將成為航空航天領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。復(fù)合材料減重效果好，耐損傷、抗腐蝕、耐久性好，適合機(jī)敏結(jié)構(gòu)，但是，復(fù)合材料成本很高，抗沖擊性能差，無(wú)塑性，技術(shù)難度增加，可維修性差、再生利用性差。因此，A320neo和B737MAX的復(fù)合材料用量并未比A320和B737增加。

載人飛船各艙段的結(jié)構(gòu)材料大多是鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料，如航天飛機(jī)的軌道器大部分用鋁合金制造，支承主發(fā)動(dòng)機(jī)的推力結(jié)構(gòu)用欽合金制造，中機(jī)身的部分主框采用以硼纖維增強(qiáng)鋁合金的金屬基復(fù)合材料，貨艙艙門采用特制紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，以石墨纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料作面板。導(dǎo)彈頭部、航天器再人艙外表面和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)表面，要采用燒蝕材料，在熱流作用下，燒蝕材料能發(fā)生分解、熔化、蒸發(fā)、升華、侵蝕等物理和化學(xué)變化，材料表面的質(zhì)量消耗帶走大量的熱，以達(dá)到阻止再人大氣層時(shí)的熱流傳人飛行器內(nèi)部、冷卻火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和噴管的目的。為了保持艙內(nèi)有適宜的工作溫度，再人艙段要采取輻射防熱措施，外蒙皮為耐高溫的鎳基合金或鈹板，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為耐熱欽合金，外蒙皮與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間填以石英纖維、玻璃纖維復(fù)合陶瓷等有良好隔熱特性的材料。

隨著載人航天、探月及深空探測(cè)、高分辨率衛(wèi)星、高超速飛行器、重復(fù)使用運(yùn)載器、空間機(jī)動(dòng)飛行器等航天工程的實(shí)施和不斷發(fā)展，對(duì)材料提出了全新的、更加苛刻的要求，為航天新材料的發(fā)展提供了新的契機(jī)和動(dòng)力，材料領(lǐng)域必須盡早在材料體系創(chuàng)新、關(guān)鍵原材料自主保障以及工程應(yīng)用等方面取得重大突破。

來(lái)源：材易通    參考資料：《航空航天用先進(jìn)材料》.李紅英，汪冰峰等