航空航天材料的发展.doc

航空航天材料的发展 贾儒 数学试验班21 2120603006 前一阵子电影地心引力上映后，引起很大反响，大家多为电影中的特效所震撼，也为宇航员在孤立无援状态下最终重返地球的精神所折服，而我对于在遥远天空中的飞行器更加感兴趣，是它承载了人类的梦想，让飞天，让飞向宇宙成为现实。航空材料与航空技术的关系极为密切，航空航天技术的发展必然离不开与其相对应的航空航天材料的发展，航空航天材料在航空产品发展中具有极其重要的地位和作用：航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，又是推动航空产品更新换代的技术基础。我的介绍大致分为三个部分，一是飞机从开始到现在的发展过程的简单介绍以及相对应材料选取的改变和技术工艺上的进步；二是介绍影响航空航天材料发展的因素；三是对目前高技术含量的航空航天材料进行介绍。首先，我们来对飞行器的发展历史来做一个介绍。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，为人类飞向天空提供了可能。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。这是人类的第一架飞机，可以看出材料很粗糙，在现在的我们看来几乎是无法理解，但也正是它成为了具有划时代意义的发明。1906年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，当时新材料的出现，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。这时已经提现了好的材料在发明制造中所展现的优势是如此明显。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。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。飞行器发展到80年代已成为机械加电子的高度一体化的产品。它要求使用品种繁多的、具有先进性能的结构材料和具有电、光、热和磁等多种性能的功能材料。前者是对于飞机的各部分，而对于火箭，也可以说是另一领域，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。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。（此处为引用）人们对于飞机材料探索的时间远长于火箭飞行器之类，观察其发展过程更显丰富。通过以上对航空航天材料发展过程的了解我们可以发现，航空航天材料的进展大致取决于下列3个因素。一是对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，也就是前面说的1906年德国科学家的发现；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。二是材料加工工艺的进展：这也是显而易见的，仅仅有理论，而没有技术的支持是不会有任何前进的。简单来说就是发现了新材料要有相应的应用技术。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。三是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。中国也不落后，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。尽管如此，我们国家在某些技术领域还是落后于航天强国，仍需更进一步的努力和发展。 在对现今航空航天材料作介绍之前，我们还需要了解的是它们需要具有哪些性质，也就是什么样的材料类型适合作为航空航天材料。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。总的来说，航空航天材料所需的性质大致如下：一是具有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。因此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。同时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。二是优良的耐高温性质。就是说指航空材料要能耐受较高的工作温度。对机身材料，气动力加热效应使表面温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对发动机材料，要求涡轮盘和涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。三是耐老化耐腐蚀。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。所以耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能也是航空航天材料应该具备的良好特性。四是寿命长以及安全性高。这更是显而易见的因素之一，作为载人技术的支撑材料，安全因素是必须考虑在内的。同时要注意的是，在不断减少飞机质量的同时，更加不能忽视因质量减少而导致安全性减小现象的产生。五是成本要低。新型号的先进飞机价格不断攀升，各航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出了“买得起”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额，所以科学地选材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向。同时很多民航飞机，作为普通民众所要使用的交通工具，努力降低成本也是实现“以人为本”的一项要求。最后，就是对现今航空航天材料的介绍了。航空航天材料按材料的使用对象不同可分为飞机材料、航空发动机材料、火箭和导弹材料和航天器材料等。按材料的化学成分不同可分为金属与合金材料：铝合金、镁合金、钛合金、钢、高温合金、粉末冶金合金等；有机非金属材料（高分子材料）：透明材料、胶粘剂、橡胶及密封剂、涂料、工程塑料等;无机非金属材料：玻璃、陶瓷等；复合材料: 聚合物基复合材料、金属基复合材料、无机非金属基复合材料、碳/碳复合材料等。 按使用功能可分为：结构材料和功能材料。谈及具体的材料，我挑选了四个具有代表性的来简单介绍。1，铝合金。铝合金因其技术成熟、成本低、使用经验丰富等优势，在相当长的时期内，仍将是亚音速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。2，结构钢。一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的备选材料。3，钛合金。钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合金的较贵的价格和较差的工艺性，是影响使用的很大因素。4，先进复合材料。由于先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点，在未来高性能的飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越重要的地位，甚至完全有可能出现全复合材料结构的飞机。我们知道飞机由很多个部分组成，其核心部分是发动机，所以有必要了解发动机材料的发展及现状。目前，就航空发动机的材料而言，金属材料的使用温度已接近其极限，不可能满足下世纪航空发动机的设计要求。因此，发动机的设计师已开始转变传统的选材观念，不再以金属材料作为设计的基础，而是转向或接近新材料。从目前国外应用现状及发展前景来看，下个世纪航空发动机的材料将以非金属材料为主体。非金属这个技术概念范围很广泛，我们所说的发动机用非金属材料主要是指复合材料。 这里的复合材料主要有：陶瓷基复合材料，金属间化合物以及碳碳复合材料。航空发动机作为飞机的核心部件是航空发展必不可缺的一部分，而我国发动机的发展远落后于欧美等发达国家