航空航天材料工程-1-绪论.ppt

1、L/O/G/O 航空航天材料工程航空航天材料工程AEROSPACE MATERIALS ENGINEERING一、绪论一、绪论2012-4- 严佳：严佳：，Tel（O）：）：84706692，办公室：综合实验一号楼办公室：综合实验一号楼411A 史国栋：史国栋：，Tel（O）：）：84706791，办公室：综合实验一号楼办公室：综合实验一号楼410A教师介绍教师介绍教师介绍教师介绍课程安排课程安排课程安排课程安排考核方法考核方法考核方法考核方法 9-12周：绪论、第周：绪论、第1、6-9、13-14章，严佳章，严佳13-16周：第周：第2-5、10-12章，史国栋章，史国栋 平时表现：占平时表

2、现：占40%，课堂表现、出勤率、课堂小考、，课堂表现、出勤率、课堂小考、作业等作业等期末集中周考试，闭卷期末集中周考试，闭卷内容提纲内容提纲材料的概念与分类材料的概念与分类1.1航空航天材料简史航空航天材料简史1.2材料的性能材料的性能材料的重要作用材料的重要作用举例：旧石器时代 距今约250万年新石器时代 距今1万年青铜时代 公元前3000年铁器时代 公元前1000年水泥、钢、塑料；合成纤维（如尼龙）取代自然纤维（如棉、麻，蚕丝）信息时代：20世纪50年代，基于硅的集成电路取代分立式晶体管 新材料时代：纳米材料、复合材料回顾历史，任何一个时代的变革，都是以新材料的产生为基础的，新材料总是：革

3、命性的改变人们的生活和文化的进程产生一种全新的工业航空飞行器航空飞行器航天飞行器航天飞行器要求要求要求要求：轻质高强：轻质高强：轻质高强：轻质高强：“克克计较克克计较克克计较克克计较”，对航天飞机来说，对航天飞机来说，对航天飞机来说，对航天飞机来说，每减重每减重每减重每减重1kg1kg的经济效益逾万美元。的经济效益逾万美元。的经济效益逾万美元。的经济效益逾万美元。高温耐蚀：发动机材料、再入过程、宇宙射高温耐蚀：发动机材料、再入过程、宇宙射高温耐蚀：发动机材料、再入过程、宇宙射高温耐蚀：发动机材料、再入过程、宇宙射线、低地球轨道上原子氧等线、低地球轨道上原子氧等线、低地球轨道上原子氧等线、低地球

4、轨道上原子氧等航空航天材料航空航天材料航空航天材料航空航天材料：泛指用于制造航空、航天飞行器的材料。泛指用于制造航空、航天飞行器的材料。泛指用于制造航空、航天飞行器的材料。泛指用于制造航空、航天飞行器的材料。重要作用重要作用重要作用重要作用：先导和基础作用。先导和基础作用。先导和基础作用。先导和基础作用。“一代材料，一代飞行一代材料，一代飞行一代材料，一代飞行一代材料，一代飞行器器器器”航空航天材料反映出材料发展的前沿，特航空航天材料反映出材料发展的前沿，特航空航天材料反映出材料发展的前沿，特航空航天材料反映出材料发展的前沿，特别是代表了一个国家结构材料技术的最高水别是代表了一个国家结构材料技

5、术的最高水别是代表了一个国家结构材料技术的最高水别是代表了一个国家结构材料技术的最高水平。平。平。平。大气层内大气层内航行航行如：飞机、如：飞机、飞艇、热飞艇、热气球等气球等大气层外大气层外航行航行如：人造如：人造卫星、宇卫星、宇宙飞船、宙飞船、空间站等空间站等1.1 材料的概念与分类材料的概念与分类1.1 材料的概念与分类材料的概念与分类复合材料复合材料金属材料金属材料铁合金材料铁合金材料铁合金材料铁合金材料 钢钢钢钢 铁铁铁铁非铁合金材料非铁合金材料非铁合金材料非铁合金材料 铝及其合金铝及其合金铝及其合金铝及其合金 铜及其合金铜及其合金铜及其合金铜及其合金 钛及其合金钛及其合金钛及其合金钛

6、及其合金 镁及其合金镁及其合金镁及其合金镁及其合金 镍及其合金镍及其合金镍及其合金镍及其合金非金属材料非金属材料有机聚合物有机聚合物有机聚合物有机聚合物 纤维纤维纤维纤维 橡胶橡胶橡胶橡胶 塑料塑料塑料塑料无机材料无机材料无机材料无机材料 水泥水泥水泥水泥 玻璃玻璃玻璃玻璃 陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷树脂基树脂基树脂基树脂基 颗粒增强颗粒增强颗粒增强颗粒增强 纤维增强纤维增强纤维增强纤维增强 晶须增强晶须增强晶须增强晶须增强 编织结构增强编织结构增强编织结构增强编织结构增强金属金属金属金属基复基复基复基复合材合材合材合材料料料料工程材料工程材料陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷基复基复基复基复合材合材合材合材料料料料按组

7、织成分分类按组织成分分类用于机械或建筑工程用于机械或建筑工程经人工提炼或制造，非经人工提炼或制造，非自然直接提供自然直接提供固体材料固体材料1.1 材料的概念与分类材料的概念与分类工程材料工程材料按使用功能分类按使用功能分类功能材料功能材料结构材料结构材料用于制造实现运动和用于制造实现运动和传递动力的零件传递动力的零件性能指标：力学性能性能指标：力学性能（强度、硬度、刚度、塑强度、硬度、刚度、塑性、韧性、疲劳强度、耐性、韧性、疲劳强度、耐磨强度等磨强度等）包括金属、高分子、包括金属、高分子、复合材料等复合材料等 利用物理特性及其对外利用物理特性及其对外部环境的响应实现信息处部环境的响应实现信息

8、处理和能量转换理和能量转换性能指标：声、光、电、性能指标：声、光、电、磁、热等物理性能磁、热等物理性能隐身、减振、隔热、信息、隐身、减振、隔热、信息、电子材料电子材料1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空孔明灯和热气球：纸、漆布（亚麻）1903年12月17日，莱特兄弟制造出世界上第一架动力飞机“飞行者1号”。这是一架用轻质木料为骨架、帆布为蒙皮的双翼机。其中木材占47,钢占35，布占18,飞机的飞行速度只有16公里/时。铝合金时代铝合金时代：铝合金、镁合金 1906年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝硬铝，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

9、大大增加，飞行速度超过了600公里/时。高温合金时代高温合金时代：钛基高温合金、镍基高温合金 在合金强化理论的基础上发展起来的一系列高温合金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。SR-71“黑鸟”（Black Bird），美国空军高空高速侦察机。机身采用低重量、高强度的钛合金作为结构材料 最大飞行高度：30000米最大速度：3.5马赫1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空先进复合材料时代（现阶段）先进复合材料时代（现阶段）：聚合物基、陶瓷基、金属基、金属

10、间化物基复合材料复合材料代替铝，可实现复合材料代替铝，可实现20-40%的减重。的减重。复合材料的用量及其性能水平已成为飞行器先进性的重要标志之一。复合材料的用量及其性能水平已成为飞行器先进性的重要标志之一。-1959年，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维在日本问世 -60年代中期生产出碳纤维复合材料 -70年代初碳纤维增强复合材料被首先应用于军机1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空飞机型号设计年代钛合金（%）复合材料（%）铝合金（%）钢（%）F1419692413917F18197813124917F2219894124115B21

11、9882650196军用飞机结构材料用量对比（整机重量百分比）1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空三代战机：F-14：平尾等受力小的部分，复合材料用量1%F-18：机翼等部位，复合材料用量12%F14战斗机F18战斗机1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空四代战机：机翼、机身、垂尾、平尾、进气道、起落架等大面积使用复合材料，F-22：24%，钛合金41%F-35：35%1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空其他军机：B-2隐形轰炸机：50%Tiger虎式武装直升机：45%1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空我国的歼-10：三代半战机，

12、机翼为全金属，复合材料用量很少歼-10战斗机是我国第一架完全独立拥有自主知识产权的战斗机，2005年正式装备部队并在很短的时间内成建制、系统地形成了战斗力。大型客机：大型客机：铝合金（%）钢（%）钛合金（%）复合材料（%）B-747811341B-757781263B-767801423B-77770117101.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空A-380:25%，中心翼盒用复合材料5.3吨，实现减重1.5吨。B-787:50%，有史以来第一款在主体结构（机翼和机身）上采用先进复合材料的大型客机。A-350：40%波音与空客对决的关键：复合材料！波音与空客对决的关键：复合材料！

13、2008年6月2日，在四川省北川县擂鼓镇，一架前苏联米26直升机完成唐家山堰塞湖抢险设备向外吊运工作后离开。通用飞机：通用飞机：除从事定期客运、货运等公共航空运输飞机之外的其他民用航空活动的所有飞机的总称。赛斯纳 172超轻型喷气飞机Learjet 85：全碳纤维复合材料结构1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空总结总结：通过以上对航空材料发展历程的回顾，我们看到，无论是军机还是民机，钢和铝合金的用量都在日渐减少，而高高温温钛钛合合金金和先先进进复复合合材材料料是今后重点发展的航空材料。1.2 航空航天材料简史：航空航空航天材料简史：航空1.2 航空航天材料简史：航天航空航天材料

14、简史：航天航天与航空材料有什么相同点和不同点？应用背景应用背景：当航天飞行器（导弹、火箭、飞船等）以高超音速冲出大气和返回地面时，在气动加热下，其表面温度可达10003000 C。固体火箭发动机工作时，燃烧室压强可达200个大气压，产生2000 C的高温，燃气在喷喉处的流速达1马赫数。航天材料要求：不仅要轻质高强，还要耐高温耐腐蚀热防护是关键问题！热防护是关键问题！热防护材料发展热防护材料发展：20世纪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及航天器的再入防热问题。1969年7月20日人类首次登月，此后航天事业大发展！1.2 航空航天材料简史：航天航空航天

15、材料简史：航天天地往返运输系统的运载工具：载人飞船、航天飞机第一代航天飞机第一代航天飞机：垂直起飞，水平降落，部分多次重复使用，飞行次数100次。采用防热-结构分开设计的思想：冷结构+热防护系统第二代航天飞机第二代航天飞机：水平起飞，二级入轨，部分重复使用。部分热结构设计为主与冷结构+热防护系统相结合创新处：1.二级入轨：用超高音速飞机把二级飞行器用火箭发动机送入空间 轨道，飞机返回地面。2.热结构设计：把承力结构设计和热防护的隔热防热设计结合在一起。空天飞机空天飞机：水平起飞，一级入轨，完全重复使用 全机采用热结构设计1.2 航空航天材料简史：航天航空航天材料简史：航天应用部位材料适用范围备

16、注头锥帽，机翼前缘抗氧化碳/碳1260 C已实用机身，机翼下表面刚性陶瓷瓦650-1260 C已实用机身，机翼上表面柔性陶瓷隔热毡370-650 C已实用美国航天飞机热防护系统所用材料情况美国航天飞机热防护系统所用材料情况1.2 航空航天材料简史：航天航空航天材料简史：航天u美研制X-37高速飞行(2005年6月21日搭乘“白骑士”首次飞行 )无人驾驶，全机身复合材料，二级入轨，水平降落。若成功可在两小时内对地球任何地点进行打击1.2 航空航天材料简史：航天航空航天材料简史：航天uX-33飞行器TPSu美研制X-33无人驾驶、一级入轨。2001 年 3 月，由于存在诸多难以突破的技术难关，NASA 取消了已经耗资了 13 亿美元的 X-33 项目1.2 航空航天材料简史：航天航空航天材料简史：航天1.3 材料的性能材料的性能1.3.1 静载荷作用下材料的力学性能1.强度（1）弹性极限和弹性模量（2）屈服强度（3）抗拉强度2.塑性（1）延伸率（2）断面收缩率3.硬度（1）布氏硬度：适用于较软材料（2）洛氏硬度：适用于较硬材料飞行器选材与设计时，必须考虑材料的使用性能和工艺性能。1.3 材