航空材料发展史.docx
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航空材料发展史
航空材料发展史
第一章远古的梦
人类有史以来就向往着能够自由飞行。
古老的神话故事诉说着人类早年的飞行梦，直至1900年10月的一个傍晚，当威尔伯.莱特趴在易碎的滑翔机骨架上，迎着海风飘了起来，直至1903年12月17日，“飞行者一号”试飞成功。
人类从此开始了征服蓝天的旅程。
100多年间，航空领域迅速发展，各式的飞机层出不穷。
人类对飞机性能要求越来越高，早期的木质‘飞行者一号’早已经进入了历史的博物馆。
（1903年12月17日莱特兄弟驾驶他们制造的飞行器员进行首次持续的、有动力的、可操纵的飞行）
最早的飞机机翼是木质骨架帆布蒙皮,其根本是由于材质轻盈。
这样才足以达到升力大于重力而飞行的最基本要求。
由于材料过于轻便，导致天气因素对于飞行影响较大，天空中总是存在风的，这就使得实现飞机飞行的关键在于如何调节飞机前后左右各个方向的受力平衡，特别是飞机的重心和升力受力点之间的关系。
如何解决平衡和操纵问题就成了阻碍人类飞行的第一个难题。
尽管莱特兄弟的‘飞行者一号’被一阵狂风掀飞遭到严重损坏，但是这已经促进了航空商业事业的萌发和未来的发展。
第二章战争的催化
之后德国人和法国人注意到了飞机在军事上的重要作用，第一次世界大战初期，飞机首先用于战场上空指引炮兵射击、侦察和轰炸,飞机逐渐发展为装备有手枪、手榴弹而后发展成为机枪、炸弹而颇具攻击性得战场杀手。
这就是歼击机的鼻祖。
限于当时技术的影响，飞机的材料仍然局限于木质和帆布。
之后硬铝的出现给机体结构带来巨大的变化。
1910～1925年开始用钢管代替木材作机身骨架，用铝作蒙皮，制造全金属结构的飞机。
金属结构飞机提高了结构强度，改善了气动外形，使飞机性能得到了提高。
飞机的时代已经开始了。
第一次世界大战结束后，各国都没有停止对全金属结构的战斗机的探索，在二战中，飞机得到了更加广泛的使用。
人们此时更加致力于寻找材料可以使飞机的行动更加敏捷。
40年代全金属结构飞机的时速已超过600公里。
洛克希德P-38，击落山本五十六的功臣
然而，在飞机不断提速过程中，如何冷却发动机和机身地严丝合缝，成为当时的首要难题。
当时发动机主要由铝合金、镁合金、高强度钢和不锈钢等制造，由于战争影响，民用航空飞机始终发展缓慢。
在两次世界大战之间各国逐渐发展了全金属结构的战斗机，重要的是不锈钢骨架铝合金蒙皮的结构，并且出现了翼盒的设计。
当然二战期间由于金属缺乏各国都采用过木质结构的飞机，但是不锈钢骨架铝合金蒙皮的全金属飞机已经成为主流。
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，具有优良的导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。
适合用于承载大重量的中等结构材料中。
铝合金示例。
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°C
屈服强度（25°C
硬度500kg力10mm球
延伸率（1/16in）厚度
5052-H112
175
195
60
12
5083-H112
180
211
65
14
6061-T651
310
276
95
12
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）
2024-T351
500-635
30
5052-H112
607-650
35
5083-H112
570-640
29
6061-T651
580-650
43
7050-T7451
490-630
41
7075-T651
475-635
33
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的F-15高性能战斗机仅使用%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%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～mm，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=（）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
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