先进材料在航空制造业中的应用与发展.docx

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先进材料在航空制造业中的应用与发展

摘要

航空材料泛指用于制造航空飞行器的材料。

一架军用飞机包括机体、发动机、几载电子和火力控制四大部分，一架民用客机包括机体、发动机、机载电子和机舱四大部分。

机体材料和发动机材料是航空材料中最重耍的结构材料，而电子信息材料是航空机载装置中最重要的功能性材料，但它一般不直接算作航空材料。

出于航室飞行及其安全性的考虑，航空结构材料的特点是轻质、高强、高可靠。

飞行器作白一个整体，还用到少量非结构性材料，如阻尼、减振、降噪、密封材料等。

近十几年来，为了适应国防建设和国民经济发展的需要，新一代飞行器的不断问世，并朝着高性能、轻重量、长寿命、高可靠、舒适性以及降低制造成本的方向发展，面对着新的技术要求，必然需要更加先进的材料来支持，这就对各国航空材料提出了严峻的要求。

为了研制高性能新型战机、大型军用运输机、特种军用飞机和武装直升机，各国政府和军方不断推出新的研究计划，投入巨额资金，开发先进材料及其专用设备，基本建立了飞机先进材料发展的基础。

计算机技术的不断发展，精益生产等许多新理念的诞生，使得飞机先进材料处于不断变革之中，传统技术不断精化，新材料、新结构加工、成形技术不断创新，集成的整体结构和数字化材料构筑了新一代飞机的主体框架。

随着现代科学技术的发展，航空制造业也发生了巨大的变化。

航空业近百年的发展史中，先进材料的创新与应用正引领着该领域的科技快速发展。

而要想制造出领先世界科技水平也拥有自主知识产权的中国大飞机，我们必须先了解并掌握最先进的材料，而对于我国的航空事业发展而言，形势更为严峻，“国产大飞机”项目更是时刻鞭策我们要努力快速的开发创新出更加先进的材料，以满足其发展需求。

通过分析与调研，文章就先进材料在航空制造业中的应用与发展作了进一步的研究与论证。

航空材料反映结构材料发展的前沿，航空材料代表了一个国家结构材料技术的最高水平。

关键词：

先进材料航空航天复合材料金属材料

第一章先进航空航天材料概述

1.1背景介绍...............................................1

1.2新型材料特点..........................................1

航空材料的研究与发展

1.机体材料.................................................3

2.发动机材料...............................................5

第二章新型材料在飞机制造领域的应用

2.1铝锂合金

新一代铝合金——A1-Li系合金.............................7

1．概述.....................................................7

2．A1-Li合金强韧化机制...................................7

3．AI-Li合金的热处理......................................8

4．AI-Li合金的应用........................................9

2.2复合材料

2.2.1概述...................................................9

2.2.2先进复合材料及应用...................................9

（1）纤维增强树脂基复合材料...............................9

（2）金属基复合材料........................................10

（3）陶瓷基复合材料........................................10

（4）碳－碳复材料...........................................10

（5）新型且先进的金属材料..................................10

第三章新型材料在航空领域的发展趋势

一、航空材料发展趋势

1.传统材料大有可为..........................................11

2.新型材料亟待应用..........................................12

3.新兴材料层出不穷..........................................12

4.材料标准化、通用化势在必行..............................12

5.低成本和可维修性成为趋势................................12

6.发展我国航空材料的建议.................................12

参考文献....................................................13

第一章先进航空航天材料概述

1.1背景介绍

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。

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。

1.2新型材料特点

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：

　　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。

优良的耐高低温性能

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[2oc]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[2oc]左右,极圈以内各地域的严冬会使机场环境温度下降到-40[2oc]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[2oc]）和液氢（沸点为-253[2oc]）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[55-1]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