材料概论第8章--航空航天材料09.5.26

第8章航空航天材料,湖南人文科技学院化学与材料科学系,航天飞机,背景：航天方面,神州号,杨利伟（神五）,聂海胜、费俊龙（神六）,神七航天员出舱（翟志刚、刘伯明、景海鹏）,2008年9月28日，神七航天员出舱,每秒3.2公里，10倍音速,背景：航空方面,一、航空航天材料的种类,湖南人文科技学院化学与材料科学系,航空指飞行器在地球大气层的航行活动。航天指飞行器在大气层外宇宙空间的航行活动。,飞行器(flightvehicle)是指在大气层内或大气层外空间（太空）飞行的器械。,我国自行研制的神舟六号飞行器,飞行器,飞行器分为3类：航空器、航天器、火箭和导弹。航空器是指在大气层内飞行的飞行器，如气球、滑翔机、飞艇、飞机、直升机等。它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。航天器是指在空间飞行的飞行器，如人造地球卫星、载人飞船、空间探测器、航天飞机等。它们在运载火箭的推动下获得必要的速度进入太空，然后在引力作用下完成轨道运动。火箭是以火箭发动机为动力的飞行器，可以在大气层内，也可以在大气层外飞行。导弹是装有战斗部的可控制的火箭，有主要在大气层外飞行的弹道导弹和装有翼面在大气层内飞行的地空导弹、巡航导弹等。,航空航天飞行器所用材料按材料的化学成分不同可分为金属与合金材料、有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料。按其使用功能分为结构材料和功能材料两大类。,航空材料,航空结构材料,航空功能材料,飞机机体材料(aeroframematerials),发动机材料(aeroenginematerials),主要为机载设备材料，其关键材料主要是各种微电子、光电子、传感器等光、声、电、磁、热的高功能及多功能材料。,湖南人文科技学院化学与材料科学系,航天材料,航天结构材料,航天功能材料,火箭及导弹材料（rocketandmissilematerials）,航天飞行器材料（spacevehiclematerials）,微电子元器件材料光电子元器件材料信息传输、存储、显示元器件材料传感器敏感元件材料隐身和智能结构材料,湖南人文科技学院化学与材料科学系,二、航空航天材料的要求,1）高的比强度和比刚度2）优良的耐高低温性能3）耐老化和耐腐蚀4）适应空间环境,湖南人文科技学院化学与材料科学系,三、航空航天材料的发展方向,1、高性能（轻质、高强、高模、高韧、耐高温、耐低温、抗氧化、耐腐蚀）2、高功能及多功能（highfunctionandmulti-function）如飞机的雷达火控设备和隐身结构、火箭导弹的制导和测控等。3、复合化（combination）复合材料可以明显减轻结构重量和提高结构效率。国外卫星、战略导弹及固体火箭发动机的关键结构材料几乎已经复合材料化。4、智能化（intellectualization）材料智能化可以大大增加航空航天飞行器的敏捷性、安全性和可靠性。,湖南人文科技学院化学与材料科学系,5、低成本（lowcost）航空航天材料的低成本是一个重要发展趋势。材料的低成本目标包括原材料、制备加工、监测评价和维修等全过程。6、高环境相容性（highenvironmentcompatible）航空航天飞行器所用的材料及其制备、加工和回收，必须具有高度的环境相容性，无污染，易回收。7、材料的计算设计和模拟仿真（numerationdesignandsimulationofmaterials）航空航天技术日新月异地发展，飞行器关键零部件的工况和环境条件更加苛刻，为适应材料科学的创新，发展了材料的计算设计和数值模拟技术。,湖南人文科技学院化学与材料科学系,隐身材料,隐身材料是实现武器隐身的物质基础。武器装备如飞机、舰船、导弹等使用隐身材料后，可大大减小自身的信号特征，提高生存能力。,隐身材料按频谱可分为声、雷达、红外、可见光、激光隐身材料，按材料用途可分为隐身涂层材料和隐身结构材料。声隐身材料包括消声材料，隔声材料，吸声材料及消声、隔声、吸声的复合体。雷达隐身材料能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射雷达波，从而达到隐身的目的。,湖南人文科技学院化学与材料科学系,采用隐身技术，使敌方的探测、制导、侦察系统失去功效，从而尽可能地隐蔽自己，掌握战场的主动权。抢先发现并消灭敌人，已成为现代武器防护的重要发展方向。隐身技术的最有效手段是采用隐身材料。国外隐身技术与材料的研究始于第二次世界大战期间，起源在德国，发展在美国并扩展到英、法、俄罗斯等先进国家。目前，美国在隐身技术和材料研究方面处于领先水平。在航空领域，许多国家都已成功地将隐身技术应用于飞机的隐身；在常规兵器方面，美国对坦克、导弹的隐身也已开展了不少工作，并陆续用于装备。,湖南人文科技学院化学与材料科学系,近年来，国外在提高与改进传统隐身材料的同时，正致力于多种新材料的探索。晶须材料、纳米材料、陶瓷材料、手性材料、导电高分子材料等逐步应用到雷达波和红外隐身材料，使涂层更加薄型化、轻量化。,湖南人文科技学院化学与材料科学系,隐形“斗篷”,湖南人文科技学院化学与材料科学系,报告说，物理学家此前已经证实，如果阻止光在一个物体表面发生反射，人眼就无法看到这个物体。在此基础上，沙拉伊夫首次提出使物体在可见光范围内完全隐形的理论支持，并准备将其应用于研发“隐身斗篷”。他解释说，任何物质都有各自的折射率。折射率决定光从一种介质进入另一种介质时的弯曲程度。例如，把木棍插入一杯水中，从杯子外面看到的木棍呈弯曲状。,原理：改变折射率,湖南人文科技学院化学与材料科学系,虽然已经找到理论支持，但真正研制出“隐身斗篷”并非易事，因为在技术上还面临一个巨大挑战，即当前技术只能一次改变一种波长范围内的可见光的方向，而不能同时改变全部范围内的可见光。,理论上可行,湖南人文科技学院化学与材料科学系,隐身材料系列视频,烧蚀防热材料,一种固体防热材料，主要用于导弹头部、航天器返回舱外表面和火箭发动机内表面。这种材料在热流作用下能发生分解、熔化、蒸发、升华、侵蚀等物理和化学变化，借材料表面的质量消耗带走大量的热，以达到阻止载入大气层时的热流传入飞行器内部并冷却火箭发动机燃烧室和喷管的目的。,湖南人文科技学院化学与材料科学系,烧蚀材料的分类,烧蚀材料按基体材料分为：,树脂基烧蚀防热材料：酚醛树脂,弹性体基烧蚀防热材料：各种橡胶及其共混物,湖南人文科技学院化学与材料科学系,烧蚀材料按烧蚀机理分为升华型、熔化型和碳化型三类。,聚四氟乙烯(泰氟隆)、石墨、碳-碳复合材料属于升华型烧蚀材料。其中的碳-碳复合材料是用碳（石墨）纤维或织物为增强材料，用沉积碳或浸渍碳为基体制成的复合材料。碳在高温下升华，吸收热量，而且碳还是一种辐射系数较高的材料，因而有很好的抗烧蚀性能。,湖南人文科技学院化学与材料科学系,石英和玻璃类材料属于熔化型烧蚀材料，它的主要成分是二氧化硅，例如高硅氧玻璃内含二氧化硅9699。二氧化硅在高温下有很高的粘度,熔融的液态膜具有抵抗高速气流冲刷的能力，并能在吸收气动热后熔化和蒸发。,纤维增强酚醛塑料属于碳化型烧蚀材料。它是以纤维或布为增强材料，以浸渍酚醛树脂为基体制成的复合材料。选用酚醛树脂作基体是因为它具有抗烧蚀、碳层强度高、碳含量高和工艺性能好等优点。,湖南人文科技学院化学与材料科学系,烧蚀材料按密度分为高密度和低密度两种。,高密度烧蚀材料的密度一般大于1.0克厘米3。各种纤维增强塑料、碳-碳复合材料和石墨都属于高密度烧蚀材料。,低密度烧蚀材料是指以轻质填料作为填充剂、以纤维作增强材料和以酚醛树脂、环氧树脂或硅橡胶作基体的复合材料。这类材料的密度一般可以根据使用要求进行调整，变化范围在0.20.9克/厘米3之间。将低密度烧蚀材料作填充剂，填充在玻璃钢蜂窝内形成复合结构，能够改进碳层的性能。,湖南人文科技学院化学与材料科学系,飞船返回舱返回最大技术难点之一就是飞船的降温，必须给飞船穿上一件“隔热衣”。当返回舱在距离地面80公里40公里的高度以数千米每秒的速度穿越稠密大气层时，返回舱表面温度会达到1000-2000，如果不采取有效的防热降温措施，整个返回舱将会像陨石一样被烧为灰烬。这时必须给飞船穿上一层“防热衣”，使飞船内部的温度控制在航天员可以忍受的40摄氏度以下。,湖南人文科技学院化学与材料科学系,飞船返回再入大气层进入距地面80公里至40公里的稠密大气层时，返回舱表面温度将高达上千摄氏度。专家介绍，为飞船“退烧”的措施主要有3种：“冰块式退烧”吸热。吸热是采用导热性能好、熔点高和热容量大的钛合金等金属材料，吸收大量气动热量。这种方法防热能力有限，只适用于加热量很小的部分。“酒精式退烧”像发烧时擦酒精一样，用辐射散热的方法将热量散去。用具有辐射性能的钛合金及陶瓷等复合材料，将热量辐射散发出去。这种方法只适用于最大热流不超过每平方米100卡的情况。“釜