1.航空航天材料的服役環(huán)境

航空航天材料除了經(jīng)受高應力、慣性力外，航空飛行器還要經(jīng)受起飛和降落、發(fā)動機振動、轉(zhuǎn)動件的高速旋轉(zhuǎn)、機動飛行、突風等因素導致的沖擊載荷和交變載荷。發(fā)動機燃氣以及太陽輻照導致航空器處于高溫環(huán)境，隨著飛行速度提高，氣動加熱效應凸顯，產(chǎn)生“熱障”。此外，還要經(jīng)受交變溫度，在同溫層以亞音速飛行時，表面溫度會降到-50℃左右，極圈以內(nèi)地域的嚴冬環(huán)境溫度會低于-40℃，金屬構(gòu)件或橡膠輪胎容易產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。汽油、煤油等燃料和各種潤滑劑、液壓油，多數(shù)對金屬材料產(chǎn)生腐蝕作用、對非金屬材料產(chǎn)生溶脹作用，而太陽輻照、風雨侵蝕、地下潮濕環(huán)境長期儲存產(chǎn)生的霉菌會加速高分子材料的老化過程。

2.航空航天材料的選擇及應用
航空航天飛行器長期在大氣層或外層空間運行，在極端環(huán)境服役還要有極高可靠性和安全性、優(yōu)良的飛行性和機動性，除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足氣動需求、工藝性要求和使用維護要求外，更有賴于材料的優(yōu)異特性和功能。

01選材原則結(jié)構(gòu)件在服役中要承受各種形式的外力作用，要求材料在規(guī)定期限內(nèi)不超過允許的變形量和不破斷，而航空航天結(jié)構(gòu)還要盡量縮小結(jié)構(gòu)尺寸、降低重量，早期航空航天構(gòu)件采用靜強度設計，不考慮或很少考慮塑韌性，導致出現(xiàn)了災難性事故。

為了保證結(jié)構(gòu)安全并充分利用材料的性能，航空航天結(jié)構(gòu)件的設計由 “強度設計原則”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皳p傷容限設計原則”，并逐步過渡到“全壽命周期設計原則”，在設計階段就考慮到產(chǎn)品壽命歷程的所有環(huán)節(jié)，所有相關(guān)因素在產(chǎn)品設計階段就得到綜合規(guī)劃和優(yōu)化。要求材料不僅具有高的比強度、比剛度，還要有一定的斷裂韌性和沖擊韌性、抗疲勞性能、耐高溫性能、耐低溫性能、耐腐蝕性能、耐老化性能和抗霉菌性能，并有針對性地強化一些性能指標。此外，不同等級的載荷區(qū)采用不同的選材判據(jù)，根據(jù)部件的具體要求選擇與之匹配的材料，大載荷區(qū)采用強度判據(jù)，選用高強材料；中載荷區(qū)采用剛度判據(jù)，選用高彈性模量材料；輕載荷區(qū)主要考慮尺寸穩(wěn)定性，確保構(gòu)件尺寸大于***小臨界尺寸。

選擇和評價結(jié)構(gòu)材料時，要根據(jù)服役條件和應力狀態(tài)，選擇合適的力學性能 （拉伸、壓縮、沖擊、疲勞、低溫系列沖擊）測試方法，針對不同的斷裂方式（韌斷、脆斷、應力疲勞、應變疲勞、應力腐蝕、氫脆、中子輻照脆化等），綜合考慮材料強度與塑性、韌性的合理配合。承受拉伸載荷的構(gòu)件，表層及心部應力分布均勻，所選材料應具有均一組織和性能，大型構(gòu)件應有良好的淬透性。承受彎曲及扭轉(zhuǎn)載荷的構(gòu)件，表層及心部應力相差較大，可用淬透性較低的材料。承受交變載荷的構(gòu)件，疲勞極限、缺口敏感性為選材的重要考核指標。在腐蝕介質(zhì)中服役的構(gòu)件，抗腐蝕能力、氫脆敏感性、應力腐蝕開裂傾向、腐蝕疲勞強度等為選材的重要考核指標。高溫服役材料還要考慮組織穩(wěn)定性，低溫服役材料還要考慮低溫性能。

減重對提高飛行器的安全性、增加有效載荷和續(xù)航距離、提高機動性能及射程、降低燃料或推進劑消耗和飛行成本具有實際意義，飛行器速度越快，減重意義越大。戰(zhàn)斗機重量減輕15%，則可縮短飛機滑跑距離15％，增加航程20%，提高有效載荷30%。對于導彈或運載火箭等短時間一次性使用的飛行器，要以***小體積和質(zhì)量發(fā)揮等效功能，力求把材料性能發(fā)揮到極限程度，選取盡可能小的安全余量而達到絕對可靠的安全壽命。

02主要航空航天材料

對于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，密度降低30％，比強度提高50％的作用還大。鋁合金、鈦合金、復合材料是主要的航空航天結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強度和比剛度，可提高飛行器的有效載荷、機動性、續(xù)航距離，同時降低飛行成本。

超高強度鋼（屈服強度＞1380MPa)在航空航天工程中的用量不會超過10%。對于超聲速殲擊機等現(xiàn)代飛行器，超高強度鋼用量穩(wěn)定在5％~10%，其抗拉強度在600~1850MPa，有時高達到1950MPa，斷裂韌性K_Ic=78~91MPa·m^1/2。在活性腐蝕介質(zhì)中使用的機身承力結(jié)構(gòu)件，一般要采用高強度耐蝕鋼，裝備氫燃料發(fā)動機的飛機要選用無碳耐蝕鋼作為在液氫和氫氣介質(zhì)中服役的構(gòu)件材料。

21世紀的飛行器機身結(jié)構(gòu)材料還是以鋁合金為主 ，包括2XXX系、7XXXX及鋁鋰合金。在鋁合金中加入鋰，可在提高強度的同時降低密度，實現(xiàn)提高構(gòu)件的比強度和比剛度的目標。鋁鋰合金已用于大型運輸機、戰(zhàn)斗機、戰(zhàn)略導彈、航天飛機、運載火箭，主要用于頭部殼體、承力構(gòu)件、液氫液氧儲箱、管道、有效載荷轉(zhuǎn)接器等，被譽為***發(fā)展前景的航空航天材料。第三代和正在發(fā)展的***鋁鋰合金不再片面追求低密度，有較好的綜合性能，在裂紋擴展速率、疲勞性能、腐蝕性能、彈性模量等與第三代鋁鋰合金相當?shù)臈l件下，***鋁鋰合金有更高的靜強度（尤其屈服強度）和更高的斷裂韌性。

鈦合金的比強度高于鋁合金，已應用于飛機框架、襟翼導軌和支架、發(fā)動機底座和起落架構(gòu)件等，還可用于排氣罩和隔火板等受熱部分。Ma>2.5的超聲速飛機表面溫度可達到200~350℃，可采用鈦合金作蒙皮。采用快速凝固／粉末冶金方法制備的高純度高致密度的鈦合金，有較好的熱穩(wěn)定性，在7℃的強度與室溫相同，開發(fā)的高強度高韌性的β型鈦合金已被NASA定為SiC/Ti復合材料的基體材料，用來制造飛機的機身和機翼壁板。鈦合金在航空器中的應用比例逐漸增加，在民航機身中的使用量將達20%，在軍機機身中的使用量將高達50%。

金屬基復合材料、高溫樹脂基復合材料、陶瓷基復合材料、碳／碳復合材料已在航空航天領域扮演越來越重要的角色。碳／碳復合材料綜合了碳的難熔性與碳纖維的高強度、高剛性，具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導性，在2500℃的高溫下仍具有相當高的強度和韌性，且密度只有高溫合金的1/4?；旌闲蛷秃喜牧系玫搅嗽絹碓蕉嗟年P(guān)注，如在碳纖維復合材料中添加玻璃纖維可以改善其沖擊性能，而玻璃纖維增強塑料中加人碳纖維可以增加其剛度。

此外，層狀復合材料在航空航天工程中的應用越來越廣泛，如 A380采用了3％的GLARE，為新型的層壓板。層壓板是通過壓力使兩種不同種類的材料層疊在一起的復合材料，通常由上面板、上膠合層、芯材、下膠合層、下面板構(gòu)成，其強度和剛度要高于單獨的面板材料或芯材，已應用于運輸機和戰(zhàn)斗機。GLARE層壓板是通過壓力（或熱壓罐）把多層薄鋁板和單向性玻璃纖維預浸料（浸漬環(huán)氧黏合劑）疊接熱壓而成的，如圖1所示。鋁板要經(jīng)過適當?shù)念A處理，使其更容易與纖維預浸料層粘在一起。表1為可商業(yè)化生產(chǎn)的GLARE層壓板類型，可根據(jù)需要制成不同厚度的板，纖維可以是2層、3層、4層等，纖維含量和方向符合表中規(guī)定即可，每類GLARE層壓板可以有不同形式，可根據(jù)具體需要進行調(diào)整。

GLRE層壓板的拼接技術(shù)解決了鋁板寬度有限的問題，如圖2所示，拼接時，同層鋁板間有一條窄縫，不同層鋁板間的接縫在不同位置，這些接縫可以通過纖維層和其他層鋁板連接起來，使得大型機身壁板或整體蒙皮制造成為可能，并具有出色的抗疲勞、抗腐蝕和阻燃性能，從而消除了鉚釘孔及由此引發(fā)的應力集中。為了確保載荷的安全傳遞，可在拼接處增加一個補強層，即增鋪一層金屬板或一層玻璃纖維預浸料。

蜂窩夾層復合材料由夾層和蒙皮（面板）復合而成，蒙皮可以是鋁、碳／環(huán)氧復合材料等，夾層形似蜂窩，是由金屬材料、玻璃纖維或復合材料制成的一系列六邊形、四邊形及其他形狀的孔格，在夾層的上下兩面再膠接（或釬焊）上較薄的面板。鋁蜂窩夾芯復合材料的芯材由鋁箔以不同方式膠接，通過拉伸而制成不同規(guī)格的蜂窩，芯材的性能主要通過鋁箔的厚度和孔格大小來控制，具有比強度和比剛度高、抗沖擊性能好、減振、透微波、可設計性強等優(yōu)點，與鉚接結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)效率可提高15%~30％。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料可用來制作各種壁板，用于翼面、艙面、艙蓋、地板、發(fā)動機護罩、消聲板、隔熱板、衛(wèi)星星體外殼、拋物面天線、火箭推進劑儲箱箱底等。但是，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復合材料在某些環(huán)境中易腐蝕，受沖擊時，蜂窩夾層會發(fā)生永久變形，使蜂窩夾層與蒙皮發(fā)生分離。

03航空航天用材分析下表2為美***機用結(jié)構(gòu)材料的百分比，總的變化趨勢是復合材料和鈦合金的用量逐漸增多，鋁合金的用量有所下降。

B787的復合材料占50%，A350的復合材料占52 % ,大量應用復合材料將成為航空航天領域的發(fā)展趨勢。復合材料減重效果好，耐損傷、抗腐蝕、耐久性好，適合機敏結(jié)構(gòu)，但是，復合材料成本很高，抗沖擊性能差，無塑性，技術(shù)難度增加，可維修性差、再生利用性差。因此，A320neo和B737MAX的復合材料用量并未比A320和B737增加。

載人飛船各艙段的結(jié)構(gòu)材料大多是鋁合金、鈦合金、復合材料，如航天飛機的軌道器大部分用鋁合金制造，支承主發(fā)動機的推力結(jié)構(gòu)用欽合金制造，中機身的部分主框采用以硼纖維增強鋁合金的金屬基復合材料，貨艙艙門采用特制紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，以石墨纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料作面板。導彈頭部、航天器再人艙外表面和火箭發(fā)動機內(nèi)表面，要采用燒蝕材料，在熱流作用下，燒蝕材料能發(fā)生分解、熔化、蒸發(fā)、升華、侵蝕等物理和化學變化，材料表面的質(zhì)量消耗帶走大量的熱，以達到阻止再人大氣層時的熱流傳人飛行器內(nèi)部、冷卻火箭發(fā)動機燃燒室和噴管的目的。為了保持艙內(nèi)有適宜的工作溫度，再人艙段要采取輻射防熱措施，外蒙皮為耐高溫的鎳基合金或鈹板，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為耐熱欽合金，外蒙皮與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間填以石英纖維、玻璃纖維復合陶瓷等有良好隔熱特性的材料。

隨著載人航天、探月及深空探測、高分辨率衛(wèi)星、高超速飛行器、重復使用運載器、空間機動飛行器等航天工程的實施和不斷發(fā)展，對材料提出了全新的、更加苛刻的要求，為航天新材料的發(fā)展提供了新的契機和動力，材料領域必須盡早在材料體系創(chuàng)新、關(guān)鍵原材料自主保障以及工程應用等方面取得重大突破。

來源：材易通    參考資料：《航空航天用先進材料》.李紅英，汪冰峰等