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分類(lèi)

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根據(jù)材料的組成與結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，航空材料包括金屬材料、有機(jī)高分子材料（聚合物）、無(wú)機(jī)非金屬材料和復(fù)合材料四大類(lèi)。

金屬材料是以金屬元素為基的材料。金屬材料包括純金屬及其合金。合金是以某一金屬元素為基，添加一種以上金屬元素或非金屬元素（視性能要求而定），經(jīng)冶煉、加工而成的材料，如碳素鋼、低合金鋼和合金鋼、高溫合金、鈦合金、鋁合金、鎂合金等。純金屬很少直接應(yīng)用，因此金屬材料絕大多數(shù)是以合金的形式出現(xiàn)。

高分子材料又稱(chēng)聚合物或高聚物。一類(lèi)由一種或幾種分子或分子團(tuán)（結(jié)構(gòu)單元或單體）以共價(jià)鍵結(jié)合成具有多個(gè)重復(fù)單體單元的大分子，其相對(duì)分子質(zhì)量高達(dá)104-106。它們可以是天然產(chǎn)物如纖維、蛋白質(zhì)和天然橡膠等，也可以是用合成方法制得的，如合成橡膠、合成樹(shù)脂、合成纖維等非生物高聚物，聚合物的特點(diǎn)是種類(lèi)多、密度小（僅為鋼鐵的1/7~1/8),比強(qiáng)度大，電絕緣性、耐腐蝕性好，加工容易，可滿(mǎn)足多種特種用途的要求。卨分子材料包括塑料、纖維、橡膠、涂料、粘合劑等領(lǐng)域，可部分取代金屬、非金屬材料。 [3] 

無(wú)機(jī)非金屬材料包括除金屬材料、有機(jī)高分子材料以外的幾乎所有材料。這些材料主要有陶器、瓷器、磚、瓦、玻璃、水泥、耐火材料以及氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、金屬陶瓷、復(fù)合陶瓷等新型材料。無(wú)機(jī)非金屬材料來(lái)源豐富、成本低廉、應(yīng)用廣泛。無(wú)機(jī)非金屬材料具有許多優(yōu)良的性能，如耐高溫、高硬度、抗腐蝕，以及優(yōu)良的介電、壓電、光學(xué)、電磁性能及其功能轉(zhuǎn)換特性等；主要缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度低、韌性差。近年來(lái)，又出現(xiàn)了氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等許多具有特殊性能的新型材料。無(wú)機(jī)非金屬材料已成為多種結(jié)構(gòu)、信息及功能材料的主要來(lái)源，如耐高溫、抗腐蝕、耐磨損的氧化鋁（A1203)、氮化硅（Si3N4)、碳化硅（SiC)、氧化鋯增韌陶瓷；大量用作切削*的金屬陶瓷·，將電信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔⒌拟壦徜嚭透男缘匿嗏佀徙U；以及壓電陶瓷和PTC陶瓷等。 [3] 

復(fù)合材料是由兩種或多種材料組成的多相材料。一般指由一種或多種起增強(qiáng)作用的材料（增強(qiáng)體）與一種起粘結(jié)作用的材料（基體）結(jié)合制成的具有較高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料。增強(qiáng)體是指復(fù)合材料中借基體粘結(jié)，強(qiáng)度、模量遠(yuǎn)高于基體的組分。按形態(tài)有顆粒、纖維、片狀和體型四類(lèi)。目前在工業(yè)中采用的連續(xù)纖維增強(qiáng)體如玻璃纖維、碳纖維、石墨纖維、碳化硅纖維、硼纖維和高模量有機(jī)纖維等，主要作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。基體是指復(fù)合材料中粘結(jié)增強(qiáng)體的組分。一般分為金屬基體、聚合物基體和無(wú)機(jī)非金屬基體三大類(lèi)。金屬基體包括純金屬及其合金；聚合物基體包括樹(shù)脂、橡膠等；無(wú)機(jī)非金屬基體包括玻璃、陶瓷等?；w對(duì)增強(qiáng)體應(yīng)具有良好的粘結(jié)力和兼容性?；w和增強(qiáng)體之間的接觸面稱(chēng)為“界面"。由于基體對(duì)增強(qiáng)體的粘結(jié)作用，使界面發(fā)生力的傳播、裂紋的阻斷、能量的吸收和散射等效應(yīng)，從而使復(fù)合材料產(chǎn)生單一材料所不具備的某些優(yōu)異性能，例如碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的疲勞性能和斷裂韌度都遠(yuǎn)優(yōu)于碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂。 [3] 

按使用功能，航空材料又可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類(lèi)。結(jié)構(gòu)材料以力學(xué)性能為主，功能材料以物理、化學(xué)性能為主。

航空材料既是研制生產(chǎn)航空產(chǎn)品的物質(zhì)保障，又是推動(dòng)航空產(chǎn)品史新?lián)Q代的技術(shù)基礎(chǔ)。主要的航空結(jié)構(gòu)材料包括結(jié)構(gòu)鋼與不銹鋼、高溫合金、輕金屬材料（含鋁及鋁合金、鈦及鈦合金）、聚合物基復(fù)合材料等。

飛機(jī)機(jī)體的主要結(jié)構(gòu)村料是結(jié)構(gòu)鋼、輕金屬材料和復(fù)合材料：為了提高飛機(jī)的結(jié)構(gòu)效率.降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)，高比強(qiáng)度和高比模來(lái)那個(gè)的輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模材料，正在獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。隨著飛機(jī)性能的提高，樹(shù)脂基復(fù)合材料和鈦合金用量增加，傳統(tǒng)鋁合金和鋼材用量減少。戰(zhàn)斗機(jī)以F-22為例，樹(shù)脂基復(fù)合材料的用量已達(dá)到整機(jī)結(jié)構(gòu)重量的24%,鈦合金用量達(dá)到整機(jī)結(jié)構(gòu)重量的41%;與此同時(shí)，鋁合金用量下降為只占整機(jī)結(jié)構(gòu)重量的15%，鋼的用量下降為只占整機(jī)結(jié)構(gòu)重量的5%。民機(jī)以B-777為例，樹(shù)脂基復(fù)合材料的用量已占整機(jī)結(jié)構(gòu)重量的11%,鈦合金用量已占到整機(jī)結(jié)構(gòu)重量的7%;與此同時(shí)，鋁合金用量下降為占整機(jī)結(jié)構(gòu)重量的70%,但仍是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)材料；鋼的用量下降為只占整機(jī)結(jié)構(gòu)重量的11%。 [3] 

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料是不銹鋼、高溫合金和鈦合金。在一臺(tái)*發(fā)動(dòng)機(jī)上，高溫合金和鈦合金的用量分別要占到發(fā)動(dòng)機(jī)總結(jié)構(gòu)重量的55%~65%和25%~40%,并對(duì)許多新型高溫材料提出了更高的要求，如新型高溫合金和高溫鈦合金、高溫樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬間化合物及其復(fù)合材料、熱障涂層材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基和碳/碳復(fù)合材料等。 [3] 

機(jī)載設(shè)備中的關(guān)鍵材料主要是各種微電子、光電子、傳感器等光、聲、電、磁、熱的高功能及多功能材料。

性能特點(diǎn)

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出于航空飛行及其安全性的考慮，航空材料應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

1．高比強(qiáng)度(A)和高比剛度(B)

航空材料的基本要求是：材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、剛度好。提高飛行器的比強(qiáng)度，就要降低其密度，減輕飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減輕飛行器本身結(jié)構(gòu)質(zhì)量又意味著增加運(yùn)載能力，提高機(jī)動(dòng)性能，加大飛行距離或射程，減少燃油或推進(jìn)劑的消耗。材料比剛度在航空系統(tǒng)中也是非常關(guān)鍵的參數(shù)，能影響某些部位的震動(dòng)性能，比如飛機(jī)機(jī)翼。

比強(qiáng)度和比剛度是衡量航空航天材料力學(xué)性能優(yōu)劣的重要參數(shù)：

式中，σ為材料強(qiáng)度，E為材料彈性模量，ρ為材料密度。飛行器除了受靜載荷的作用外還要經(jīng)受由于起飛和降落、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)件的高速旋轉(zhuǎn)、機(jī)動(dòng)飛行和突風(fēng)等因素產(chǎn)生的交變載荷，因此材料的疲勞性能也受到人們*的重視。 [1] 

2．優(yōu)良的耐高低溫性能

飛行器所經(jīng)受的高溫環(huán)境是由空氣動(dòng)力加熱、發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庖约疤罩刑?yáng)的輻照造成的。航空器長(zhǎng)時(shí)間在空氣中飛行，有的飛行速度高達(dá)3倍音速，所使用的高溫材料要具有良好的高溫持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、熱疲勞強(qiáng)度，在空氣和腐蝕介質(zhì)中要有高的抗氧化性能和抗熱腐蝕性能，并應(yīng)具有在高溫下*工作的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟冗_(dá)30000C以上，噴射速度可達(dá)十余個(gè)馬赫數(shù)，而且固體火箭燃?xì)庵羞€夾雜有固體粒，彈道頭部在進(jìn)入大氣層時(shí)速度高達(dá)20個(gè)馬赫數(shù)以上，溫度高達(dá)上萬(wàn)攝氏度，有時(shí)還會(huì)受到粒子云的侵蝕，因此在航空技術(shù)領(lǐng)域中所涉及的高溫環(huán)境往往同時(shí)包括高溫高速氣流和粒子的沖刷。在這種條件下需要利用材料所具有的熔解熱、蒸發(fā)熱、升華熱、分解熱、化合熱以及高溫黏性等物理性能來(lái)設(shè)計(jì)高溫耐燒蝕材料和發(fā)汗冷卻材料以滿(mǎn)足高溫環(huán)境的要求。太陽(yáng)輻照會(huì)造成在外層空間運(yùn)行的衛(wèi)星和飛船表面溫度的交變，一般采用溫控涂層和隔熱材料來(lái)解決。低溫環(huán)境的形成來(lái)自大自然和低溫推進(jìn)劑。飛機(jī)在同溫層以亞音速飛行時(shí)表面溫度會(huì)降到-50C左右，極圈以?xún)?nèi)各地域的嚴(yán)冬會(huì)使機(jī)場(chǎng)環(huán)境溫度下降到-40C以下，在這種環(huán)境下要求金屬構(gòu)件或橡膠輪胎不產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。液體火箭使用液氧（沸點(diǎn)為-183℃）和液氫（沸點(diǎn)為-253℃）作推進(jìn)劑，這為材料提出了更嚴(yán)峻的環(huán)境條件。部分金屬材料和絕大多數(shù)高分子材料在這種條件下都會(huì)變脆。通過(guò)發(fā)展或選擇合適的材料，如純鋁和鋁合金、鈦合金、低溫鋼、聚四氟乙烯、聚酰亞胺和全氟聚醚等，才能解決超低溫下結(jié)構(gòu)承受載荷的能力和密封等問(wèn)題。 [1] 

3．耐老化和耐腐蝕

各種介質(zhì)和大氣環(huán)境對(duì)材料的作用表現(xiàn)為腐蝕和老化。航空航天材料接觸的介質(zhì)是飛機(jī)用燃料（如汽油、煤油）、火箭用推進(jìn)劑（如濃、肼類(lèi)）和各種潤(rùn)滑劑、液壓油等。其中多數(shù)對(duì)金屬和非金屬材料都有強(qiáng)烈的腐蝕作用或溶脹作用。在大氣中受太陽(yáng)的輻照、風(fēng)雨的侵蝕以及地下潮濕環(huán)境中*貯存時(shí)產(chǎn)生的霉菌會(huì)加速高分子材料的老化過(guò)程。耐腐蝕性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料應(yīng)該具備的良好特性。 [1] 

4．適應(yīng)空間環(huán)境

空問(wèn)環(huán)境對(duì)材料的作用主要表現(xiàn)為高真空（1.33×10-oPa）和宇宙射線(xiàn)輻照的影響。金屬材料在高真空下互相接觸時(shí)，由于表面被高真空環(huán)境所凈化而加速了分子擴(kuò)散過(guò)程，出現(xiàn)“冷焊”現(xiàn)象；非金屬材料在高真空和宇宙射線(xiàn)輻照下會(huì)加速揮發(fā)和老化，有時(shí)這種現(xiàn)象會(huì)使光學(xué)鏡頭因揮發(fā)物沉積而被污染，密封結(jié)構(gòu)因老化而失效。航天材料一般是通過(guò)地面模擬試驗(yàn)來(lái)選擇和發(fā)展的，以求適應(yīng)于空間環(huán)境。 [1] 

5．壽命和安全

為了減輕飛行器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，選取盡可能小的安全余量而達(dá)到可靠的安全壽命，被認(rèn)為是飛行器設(shè)計(jì)的奮斗目標(biāo)。對(duì)于導(dǎo)或運(yùn)載火箭等短時(shí)間一次使用的飛行器，人們力求把材料性能發(fā)揮到極限程度。為了充分利用材料強(qiáng)度并保證安全，對(duì)于金屬材料已經(jīng)使用“損傷容限設(shè)計(jì)原則”。這就要求材料不但具有高的比強(qiáng)度，而且還要有高的斷裂韌性。在模擬使用的條件下測(cè)定出材料的裂紋起始?jí)勖土鸭y的擴(kuò)展速率等數(shù)據(jù)，并計(jì)算出允許的裂紋長(zhǎng)度和相應(yīng)的壽命，以此作為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用的重要依據(jù)。對(duì)于有機(jī)非金屬材料則要求進(jìn)行自然老化和人工加速老化試驗(yàn)，確定其壽命的保險(xiǎn)期。復(fù)合材料的破損模式、壽命和安全也是一項(xiàng)重要的研究課題。 [1] 

特殊性

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航空材料是研制生產(chǎn)航空產(chǎn)品的物質(zhì)保障，與航空技術(shù)關(guān)系極為密切，具有以下特殊性。

1．輕質(zhì)高強(qiáng)、高溫耐蝕

航空產(chǎn)品特殊的工作環(huán)境對(duì)航空材料提出“輕質(zhì)高強(qiáng)、高溫耐蝕”的特殊要求。航空工業(yè)有一句口號(hào)叫做“為每一克減重而奮斗”，反映了減重對(duì)于航空產(chǎn)品的重大經(jīng)濟(jì)意義。而且材料減重對(duì)飛機(jī)減重的貢獻(xiàn)也越來(lái)越大，所以輕質(zhì)高強(qiáng)是航空材料必須滿(mǎn)足的首要性能要求。“高溫耐蝕”的“高溫”是指航空材料要能耐受較高的工作溫度。對(duì)于機(jī)身材料，氣動(dòng)力加熱效應(yīng)使機(jī)身表面溫度升高，需要結(jié)構(gòu)材料具有好的高溫強(qiáng)度；對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)材料，要求渦輪盤(pán)和渦輪葉片材料要有好的高溫強(qiáng)度和耐高溫腐蝕性能。“耐蝕”是指航空材料要有優(yōu)良的抗腐蝕，主要是指抗應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞的能力。 [1] 

2．高的質(zhì)量要求

航空器是技術(shù)密集、高集成度的復(fù)雜產(chǎn)品，只有采用質(zhì)地優(yōu)良的航空材料才能制造出安全可靠、性能優(yōu)良的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)。航空產(chǎn)品的多樣性和小批量生產(chǎn)，導(dǎo)致了航空材料研制和生產(chǎn)上的多品種、多規(guī)格、小批量、技術(shù)質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。 [1] 

3．低成本航空材料

新型號(hào)的*飛機(jī)價(jià)格不斷攀升，航空技術(shù)*的國(guó)家和地區(qū)都先后對(duì)航空產(chǎn)品提出了“買(mǎi)得起”的要求。而材料在航空產(chǎn)品的成本和價(jià)格構(gòu)成中占有相當(dāng)份額，所以科學(xué)地選材和努力發(fā)展低成本材料技術(shù)是航空材料發(fā)展的重要方向。 [1] 

未來(lái)發(fā)展方向

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1. 高性能

高性能是指輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量、高韌性、耐高溫、耐低溫，抗氧化、耐腐蝕等。材料的高性性能對(duì)減輕飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量和提高結(jié)構(gòu)效率、提高服役可靠性及延長(zhǎng)使用壽命極為重要，是航空航天材料研究不斷追求的目標(biāo)。

2. 高功能及多功能

材料在光、電、聲、熱、磁方面的特殊功能是支撐某些關(guān)鍵技術(shù)以提高飛行器機(jī)動(dòng)性能和突防能力的重要保證。如以紅外材料為基礎(chǔ)的光電成像夜視技術(shù)能增強(qiáng)坦克、裝甲車(chē)、飛機(jī)、軍艦及步兵的夜戰(zhàn)能力，紅外成像制導(dǎo)技術(shù)可大大提高導(dǎo)的率和抗*力，以新型固體激光材料為基礎(chǔ)的激光測(cè)距和火控系統(tǒng)等可使靈活*能力大大加強(qiáng)。 [1] 

3. 復(fù)合化

復(fù)合化已成為新材料的屯要發(fā)展趨勢(shì)之一。業(yè)內(nèi)專(zhuān)家指出，航空復(fù)合材料未來(lái)20~30年將迎來(lái)新的發(fā)展時(shí)期，甚至引發(fā)航空產(chǎn)業(yè)鏈的革命性變革，包括設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)知識(shí)的更新，航空產(chǎn)品供應(yīng)鏈的戰(zhàn)略性改變，新型復(fù)合材料技術(shù)不斷出現(xiàn)（如混雜復(fù)合技術(shù)、源于自然界中珍珠貝殼結(jié)構(gòu)后發(fā)的仿生復(fù)合技術(shù)），以及對(duì)航空維修業(yè)提出*的挑戰(zhàn)。復(fù)合材料可以明顯減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和提高結(jié)構(gòu)效率。國(guó)外衛(wèi)星、戰(zhàn)略導(dǎo)及固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料幾乎已經(jīng)復(fù)合材料化。 [1] 

4. 智能化

智能化是航空航天材料重要發(fā)展趨勢(shì)之一。智能復(fù)合材料將復(fù)合材料技術(shù)與現(xiàn)代傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)和功能驅(qū)動(dòng)技術(shù)集成于一體，將感知單元（傳感器）、信息處理單元（微處理器）與執(zhí)行單元（功能驅(qū)動(dòng)器）聯(lián)成一個(gè)回路，通過(guò)埋置在復(fù)合材料內(nèi)部不同部位的傳感器感知內(nèi)外環(huán)境和受力狀態(tài)的變化，并將感知到的變化信息通過(guò)微處理器進(jìn)行處理并做出判斷，向功能驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令信號(hào)；而功能驅(qū)動(dòng)器可根據(jù)指令信號(hào)的性質(zhì)和大小進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，使構(gòu)件適應(yīng)有關(guān)變化。整個(gè)過(guò)程*自動(dòng)化，從而實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)、自診斷、自調(diào)節(jié)、自恢復(fù)、自保護(hù)等多種特殊功能。智能復(fù)合材料是傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與材料科學(xué)交叉融合的產(chǎn)物，存在許多領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，例如飛機(jī)的智能蒙皮與自適應(yīng)機(jī)翼就是由智能復(fù)合材料構(gòu)成的一種的智能結(jié)構(gòu)。 [1] 

5. 低成本

航空航天村料從過(guò)去中純追求高性能發(fā)展到今天綜合考慮性能與價(jià)格的平衡，低成本化貫穿材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)評(píng)價(jià)以及維護(hù)維修等全過(guò)程。對(duì)碳纖維復(fù)合材料而言，其制造成本在整個(gè)成本中占有相當(dāng)大的比例；因此，對(duì)其低成本制造技術(shù)應(yīng)投入足夠關(guān)注。各種低成本制造技術(shù)發(fā)展很快，尤其是以樹(shù)脂傳遞成型(RTM)為代表的液體成型技術(shù)和以大型復(fù)雜構(gòu)件的共固化/共膠接為代表的整體化成型技術(shù)等均得到了很大的發(fā)展。航空航天材料的低成本是一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。材料的低成本目標(biāo)包括原材料、制備加工、監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)和維修等全過(guò)程。 [1] 

6．高環(huán)境相容性

航空航天飛行器所用的材料及其制備、加工和回收，必須具有高度的環(huán)境相容性，無(wú)污染，易回收。

7．材料的計(jì)算設(shè)計(jì)和模擬仿真

航空航天技術(shù)日新月異地發(fā)展，飛行器關(guān)鍵零部件的工況和環(huán)境條件更加苛刻，為適應(yīng)材料科學(xué)的創(chuàng)新，發(fā)展了材料的計(jì)算設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬技術(shù)。