航空材料发展史Word文档格式.docx
《航空材料发展史Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《航空材料发展史Word文档格式.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
铝合金的一些性能参数：
铝合金的典型机械性能（TypicalMechanicalProperties）
铝合金牌号
及状态
拉伸强度（25°
CM.Pa）
屈服强度（25°
硬度500kg力10mm球
延伸率1.6mm（1/16in）厚度
5052-H112
175
195
60
12
5083-H112
180
211
65
14
6061-T651
310
276
95
7050-T7451
510
455
135
10
7075-T651
572
503
150
11
2024-T351
470
325
120
20
铝合金的典型物理性能（TypicalPhysicalProperties）
铝合金牌号及状态
热膨胀系数
（20-100℃）
μm/m·
k
熔点范围
（℃）
电导率20℃（68℉）
（%IACS）
电阻率20℃（68℉）
Ωmm2/m
密度（20℃）（g/cm3）
23.2
500-635
30
0.058
2.82
23.8
607-650
35
0.050
2.72
23.4
570-640
29
0.059
23.6
580-650
43
0.040
2.73
23.5
490-630
41
0.0415
475-635
33
0.0515
飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。
飞机依用途的不同，铝的用量也不一样。
着重于经济效益的民用机因铝合金价格便宜而大量采用，如波音767客机采用的铝合金约占机体结构重量81%。
军用飞机因要求有良好的作战性能而相对地减少铝的用量，如最大飞行速度为马赫数2.5的F-15高性能战斗机仅使用35.5%铝合金。
第三章新星：
钛合金
二战结束后，航空领域取得巨大进步，50年代末喷气式飞机的速度已超过2倍音速,给飞机材料带来了热障问题。
铝合金耐高温性能差,在200°
C时强度已下降到常温值的1/2左右,需要选用耐热性更好的钛或钢，这主要是因为铝合金和钢在不少情况下已不能满足先进飞机在减轻结构重量和提高飞行速度（相应地提高零部件工作温度）等方面的新实求，而钛合金和复合材料仿优良性能恰恰适应了先进飞机发展的客观需要。
自然就产生了对以往选材格局的极大冲击。
钛合金的强度和使用温度上限与钢相近，密度却只有钢的57％左右，以钛代钢的减重效果显而易见。
铝合金的密度虽小，但由于强度显著低于钛合金，其“比强度”仍不及钛合金，尤其当零部件工作温度较高时，使用温度上限较低的铝合金更不得不让位给钛合金。
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。
钛有两种同质异晶体：
882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。
钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。
钛合金具有如下特性：
强度高：
钛合金的密度一般在4.51g/cm3左右，仅为钢的60%，纯钛的强度才接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。
因此钛合金的比强度（强度/密度）远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。
目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。
热强度高：
使用温度比铝合金高几XX，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。
钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。
抗蚀性好：
钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；
对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；
对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。
但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。
低温性能好：
钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。
低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。
因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。
化学活性大：
钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。
含碳量大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC；
温度较高时，与N作用也会形成TiN
钛合金制品
硬质表层：
在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；
氢含量上升，也会形成脆化层。
吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15mm，硬化程度为20%～30%。
钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。
导热系数小、弹性模量小：
钛的导热系数λ=15.24W/（m.K）约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。
钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。
钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。
它是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。
1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。
当零部件的工作温度较低时，铝合金又遇到了比钛合金更强劲的竞争对手——复合材料，原本属于它的“领地”又往往被“比强度”更优越的复合材料所“侵占”。
铝合金和钢在飞机上的用量就是在上述情况下逐渐缩小的。
好在铝合金和钢的成本要比钛合金和复合材料低得多，只要能满足预定飞机性能指标，铝合金和钢就仍有立足之地。
第四章近世的探索
20世纪60年代以硼/环氧为代表的先进复合材料问世，这源于军机结构减重需要，复合材料逐渐得到了航空工业的认可和推广到其他非军事航空领域。
为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×
106厘米（cm），比模量大于4×
108cm。
根据飞机不同位置使用不同材料已达到最大化的减轻飞机重量并提高。
（飞机基本框架）
根据飞机不同位置对材料的不同要求，使用不同材料以达到最大化的减轻飞机重量并提高飞行速度的目的。
这就是我们不断探索寻求新材料的目的。
现在，铝、钛、钢和复合材料已成为飞机的基本结构材料。
复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。
它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。
可以通过材料设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般材料的简单混合有本质区别。
根据飞机的构造，我们致力于探寻机体材料（包括结构材料和非结构材料）、发动机材料和涂料，其中最主要的是机体结构材料和发动机材料。
机体主要由机翼和机身组成，由于复合材料热稳
定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、发动机壳体、航天飞机结构件等。
随着复合材料的广泛应用，飞机的性能也达到了一个新的高度，飞行变得越来越高速化、机动化、隐形化、智能化、微型化、无人化、电子化。
各式飞机都随之得到了改良。
飞行速度和飞行高度都得到提升。
尤其是飞行时克服天气因素及地理环境的影响的能力得到大幅度提升。
这在一定程度上得益于材料的发展。
用于构建飞机的复合材料，最基本要求具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能。
目前用于飞机的主要有树脂基复合材料、碳纤维复合材料等。
接下来，我们来了解一下他们的特点。
树脂基复合材料最早于1932年在美国出现，1944年3月在莱特-帕特空军基地试飞成功一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的飞机。
进入20世纪70年代，出现了先进复合材料（AdvancedCompositeMaterials,简称ACM）树脂基复合材料具有以下优点：
1）比模量、比强度高：
2）抗疲劳性好：
一般情况下，金属材料的疲劳极限是其拉伸强度的20～50％，CF增强树脂基复合材料的疲劳极限是其拉伸强度的70～80％
3）减震性好；
4）过载安全性好；
5）具有多种功能（耐烧蚀性好、有良好的耐摩擦性能、高度的电绝缘性能、优良的耐腐蚀性能、有特殊的光学、电学、磁学性能）；
6）成型工艺简单；
7）材料的结构、性能具有可设计性
树脂基复合材料具有各向异性、不均质、呈粘弹性、纤维（或树脂）体积含量不同，材料的物理性能差异、影响质量因素多，材料性能多呈分散性等特点。
树脂基复合材料可分为“热固性”与“热塑性”两大类。
由于热塑性复合材料具有工作温度高、韧性好和可重复成形等优点，但由于热塑性复合材料成本较高、预浸料硬挺和缺乏粘性而难以铺贴成工件等。
在航空领域的应用并没有热固性复合材料使用比例大。
应用于航天领域的树脂基复合材料主要有。
“环氧”和“双马来酰亚胺”（这两种都属于热固性树脂）和其他的高性能树脂等。
环氧树脂（epoxyResin）指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。
固化后的环氧树脂具有良好的物理、化学性能，它对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度，介电性能良好，变定收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定。
环氧树脂的分类目前尚未统一，一般按照强度、耐热等级以及特性分类，环氧树脂的主要品种有16种。
环氧树脂具有伸羟基和环氧基，伸羟基可以与异氰酸酯反应。
环氧树脂作为多元醇直接加入聚氨酯胶黏剂含羟基的组分中，使用此方法只有羟基参加反应，环氧基未能反应。
用酸性树脂的、羧基，使环氧开环，再与聚氨酯胶黏剂中的异氰酸酯反应。
还可以将环氧树脂溶解于乙酸乙酯中，添加磷酸加温反应，其加成物添加到聚氨酯胶黏剂中;
胶的初黏;
耐热以及水解稳定性等都能提高。
环氧树脂作多羟基组分结合了聚氨酯与环氧树脂的优点，具有较好的粘接强度和耐化学性能，制造聚氨酯胶黏剂使用的环氧树脂一般采用EP-12、EP-13、EP-16和EP-20等品种。
环氧树脂具有以下特点：
（1）力学性能高。
环氧树脂具有很强的内聚力，分子结构致密，所以它的力学性能高于酚醛树脂和不饱和聚酯等通用型热固性树脂。
（2）附着力强。
环氧树脂固化体系中含有活性极大的环氧基、羟基以及醚键、胺键、酯键等极性基团，赋予环氧固化物对金属、陶瓷、玻璃、混凝士、木材等极性基材以优良的附着力。
（3）固化收缩率小。
一般为1%～2%。
是热固性树脂中固化收缩率最小的品种之一（酚醛树脂为8%～10%；
不饱和聚酯树脂为4%～6%；
有机硅树脂为4%～8%）。
线胀系数也很小，一般为6×
10-5/℃。
所以固化后体积变化不大。
（4）工艺性好。
环氧树脂固化时基本上不产生低分子挥发物，所以可低压成型或接触压成型。
能与各种固化剂配合制造无溶剂、高固体、粉末涂料及水性涂料等环保型涂料。
（5）优良的电绝缘性。
环氧树脂是热固性树脂中介电性能最好的品种之一。
（6）稳定性好，抗化学药品性优良。
不含碱、盐等杂质的环氧树脂不易变质。
只要贮存得当（密封、不受潮、不遇高温），其贮存期为1年。
超期后若检验合格仍可使用。
环氧固化物具有优良的化学稳定性。
其耐碱、酸、盐等多种介质腐蚀的性能优于不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。
因此环氧树脂大量用作防腐蚀底漆，又因环氧树脂固化物呈三维网状结构，又能耐油类等的浸渍，大量应用于油槽、油轮、飞机的整体油箱内壁衬里等。
（7）环氧固化物的耐热性一般为80～100℃。
环氧树脂的耐热品种可达200℃或更高。
环氧树脂通常用于一些工作温度较低的进气道和框架等。
这是由于其耐热性相对较低。
这种复合材料的另一个应用为环氧树脂点焊胶。
环氧树脂点焊胶是指（epoxyresinadhesive）一般是指以环氧树脂为主体所制得的胶粘剂,环氧树脂胶一般还应包括环氧树脂固化剂，否则这个胶就不会固化。
可粘接各种金属及合金，陶瓷、玻璃、木材、纸板、塑料、混凝土、石材、竹材等非金属材料，亦可进行金属与非金属材料间的粘接。
一些环氧树脂点焊胶的特性：
另一种被广泛应用于航空领域的复合材料是双马来酰亚胺。
双马来酰亚胺（简称BMI）是由聚酰亚胺树脂体系派生的另一类树脂体系，是以马来酰亚胺（MI）为活性端基的双官能团化合物，有与环氧树脂相近的流动性和可模塑性,可用与环氧树脂类同的一般方法进行加工成型,克服了环氧树脂耐热性相对较低的缺点，因此，近二十年来得到迅速发展和广泛应用。
双马来酰亚胺树脂（BMI）以其优异的耐热性、电绝缘性、透波性、耐辐射、阻燃性，良好的力学性能和尺寸稳定性，成型工艺类似于环氧树脂等特点，被广泛应用于航空、航天、机械、电子等工业领域中，先进复合材料的树脂基体、耐高温绝缘材料和胶粘剂等。
双马来酞亚胺的主要性能如下：
（1）耐热性
双马来酰亚胺由于含有苯环、酞亚胺杂环及交联密度较高而使其固化物具有优良的耐热性，一般大于250℃，使用温度范围为177~232℃左右。
脂肪族BMI中乙二胺是最稳定的，随着亚甲基数目的增多，起始热分解温度将下降。
芳香族BMI的分解温度一般都高于脂肪族BMI，其中2,4-二氨基苯类高于其他种类。
另外，分解温度与交联密度有着密切的关系，在一定范围内随着交联密度的增大而升高。
（2）溶解性
常用的BMI单体不能溶于普通有机溶剂（如丙酮、乙醇、氯仿）中，只能溶于二甲基甲酰胺（DMF）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）等强极性溶剂中。
这是由于BMI的分子极性以及结构的对称性所决定的，因此如何改善溶解性是BMI改性的一个重要内容。
（3）力学性能
BMI树脂的固化反应属于加成型聚合反应，成型过程中无低分子副产物放出，且容易控制。
固化物结构致密，缺陷少，因而BMI具有较高的强度和模量。
但是由于固化物的交联密度高、分子链刚性强而使MB1呈现出极大的脆性，它表现在抗冲击强度差、断裂伸长率小、断裂韧性较低（＜5J/m2）。
而韧性差正是阻碍BMI适应高技术要求、扩大新应用领域的重大障碍，所以如何提高韧性就成为决定BMI应用及发展的技术关键之一。
此外，BMI还具有优良的电性能、耐化学性能及耐辐射等性能。
分子式：
C21H14N2O4
分子量：
358.37
密度：
1.43g/cm3
熔点：
155~159℃
沸点：
584.9℃at760mmHg
闪点：
278.3℃
化学名称：
N,N′-4,4′-二苯甲烷双马来酰亚胺
别名：
BMI
分子式：
BMI作为制造耐热结构材料、H级或F级电气绝缘材料的一种比较理想的树脂基体，广泛用于航空、航天等工业领域。
同时还具有价格居中，而且它们的固化属于加成反应，而非缩合反应。
减少了有毒物质的挥发。
上述优势使得BMI成为军用飞机的重要选材。
这些复合材料主要用于雷达罩、进气道、机翼（含整体油箱等）、襟翼、副翼、垂尾、平尾、减速板及机身蒙皮等。
例如：
美国F－22隐形机的全部蒙皮以及大量的肋、梁及水平安
（上图为美国F－22飞机，下图为法国阵风战斗机）
定面等都选用了双马来酞亚胺，而环氧树脂则只用于一些工作温度较低的进气道和框架等。
法国的“阵风”战斗机机翼大部分部件和机身的一半都采用了碳纤维复合材料。
还有一些其他高性能树脂也在航空领域得到了应用。
这些高性能树脂通常具有优良的物理、力学、电学、热学、耐化学腐蚀等综合性能，其中尤以耐高温性能最重要。
它们的问世给复合提供了高性能的基体材料，促进了复合材料迅速地向高性能复合材料（AdvancedCompositeMate材料rials,ACM）的发展，从而促使宇航、航空、太空武器、等以更惊人的速度发展。
随着时代的进步，飞机种类越来越多，人们加大了对涂料的使用力度，其中最具有代表性的就是隐形机的发明。
隐形战斗机是指雷达一般探测不到得战斗机。
其原理是指战斗机机身通过结构或者涂料的技术，使得雷达反射面积尽量变小，尽量降低飞机被敌方雷达、红外辐射等探测系统发现和跟踪的可能性。
其中吸波涂料在飞机隐形功能上起到的作用仅次于飞机的外形结构。
从20世纪50年代起，美国开展了较为系统的飞机隐形技术的研究，经过20多年的发展，20世纪70年代开始研制隐形飞机，80年代装备部队并投入使用。
美国研制的最早一款真正意义上的隐形战斗机F-117，机身表面包覆了红外与微波隐形材料，其对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，可以逃避雷达的监视。
1991年的海湾战争中美国的隐形
（首架隐形战机F－117）
战斗机F－117出动1000多架次而无一受损，在国际上引起了极大的反响。
目前世界各国都很重视对隐形飞机的研究。
隐形材料堪称隐形飞机的一大法宝。
F－117A只少量采用了复合材料，基本上是金属半硬壳式结构，因此机身。
机翼和尾翼均涂覆了铁氧体吸波材料，
隐形材料按其功能又可分为雷达吸波涂料、红外吸波涂料、可见光吸波涂料、激光吸波涂料、声纳吸波涂料、多功能吸波涂料和高温吸波涂料。
雷达吸波涂料是目前吸波涂料的主要应用种类。
雷达吸波涂料就是对雷达波具有低反射的涂料。
其作用方式有两种：
一是涂料吸收雷达波，转换为热能；
二是当涂层厚度等于雷达波长的1／4时，通过谐振作用减少雷达波的反射。
目前，应用于飞机的雷达吸波涂料比较多，如铁氧体吸波涂料，其价格低廉，吸波能力强，应用广泛；
羰基铁吸波涂料吸收能力强，应用方便，但面密度大；
陶瓷吸波涂料密度低，吸波性能好；
放射性同位素吸波涂料，涂层薄且轻，具有吸收频带宽、耐用性好、能承受高速空气动力等优点；
导电高分子吸波涂料涂层薄且易维护，吸收频带宽。
近年来，纳米吸波涂料成为吸波涂料新的亮点，其机械性能好，面密度低，是高效的宽频带吸波涂料，可以覆盖电磁波、微波和红外，并能增强腐蚀防护能力，耐候性好，涂装性能优异。
另外手征吸波涂料是近几年来吸波涂料领域研究的热点，与一般吸波涂料相比，具有吸波频率高、吸收频带宽的优点，并可以通过调节旋波参量来改善吸波特性，在提高吸波性能、扩展吸波带方面具有很大潜能。
红外吸波涂料是指用于减弱武器系统红外特征的信号以达到隐形技术要求的特殊功能涂料。
红外吸波涂料的主体树脂是单组分橡胶树脂，其与过氯乙烯涂料、环氧铁红底漆、聚氨酯涂料具有良好的配套性。
可见光吸波涂料又称视频隐形技术，可以弥补雷达隐形和红外隐形的不足。
它针对人的目视、照相、摄像等观测手段，通过降低飞机目标与背景之间的亮度、色度和运动的对比特征，达到降低目标被发现的概率。
近年来纳米材料成为了材料界的新宠，纳米吸波复合材料正被作为新一代隐身材料加以研制，由于纳米材料的结构尺寸在纳米数量级，物质的量子尺寸效应和表面效应等方面对材料性能有重要影响。
隐身材料按其吸波机制可分为电损耗型与磁损耗型。
电损耗型隐身材料包括SiC粉末、SiC纤维、金属短纤维、钛酸钡陶瓷体、导电高聚物以及导电石墨粉等；
磁损耗型隐身材料包括铁氧体粉、羟基铁粉、超细金属粉或纳米相材料等。
纳米吸波复合材料按其材料成型工艺和承载能力可分为涂敷型和结构型2种。
前者指涂料、胶膜一类的材料，后者指功能与结构一体化的纤维增强树脂基复合材料。
敷型纳米吸波复合材料通常是吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波复合涂层。
将这种涂层涂敷于目标表面即可制成涂敷型纳米吸波复合材料，目前研究较多的多层涂敷型吸波材料是由电损耗和磁损耗材料复合而成的2层和3层吸波涂层。
为应对不同雷达的不同工作方式，现在的隐身飞机已经开始有选择地用纳米吸波材料，即将纳米粉体均匀分散到飞机表面涂料当中，以增强吸收雷达电磁波的效率。
一些发达国家正在进行主动抵消技术的研究，即利用吸波材料先吸收大部分雷达波剩下少量的反射波再利用主翼梁动抵消技术将其全部抵消，这样雷达就会完全失去作用。
结构型纳米吸波复合材料是将吸收剂分散在由特种纤维（如石英纤维、玻璃纤维等）增强的结构复合材料中所形成的结构复合材料，它具有承载和吸收雷达波的双重功能。
第五章明天的幻想
到目前为止，树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和金属间化合物已经成为构成飞机的主流材料。
在今后的用量也将不断加大。
伴随着科技的发展，智能结构将是今后飞机发展的一大趋势、因此智能材料成为当前研究的新热点。
飞机上采用的智能结构是由各种智能材料制成的传感元件、处理元件和驱动元件组成的，而这三个组成部分相当于人的神经、大脑和肌肉。
一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。
（1）基体材料 基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。
一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。
其次也
升级会员 