航空材料,航空装备发展的基础和先导

1、航空材料,航空装备发展的基础和先导打开文本图片集戴圣龙1966年生，江西南昌人，研究员，博士，博士生导师。 历任航材院铝镁合金及其工艺研究室主任、副院长、总工程师、中国 航空工业集团公司航空材料技术首席技术专家。共获得国防发明专利 10余项，著作译著5册，在国内外学术期刊上发表论文80余篇，并 荣获省、部级以上奖励20余项，为行业发展和技术突破做出重要成 就和突出贡献。航空装备发展的有力保证本刊记者（以下简称记）：自飞机诞生以来，航空材料都经历了 哪些阶段的变化？戴圣龙院长（以下简称戴）：根据设计飞机思想以及材料技术的 发展，航空材料的发展大致经历了 5个阶段：第一阶段是1903年一 1919

2、年，早期飞机的主要结构为木材，蒙皮为亚麻或棉布制成的帆 布；第二阶段是1920年一1949年，出现了以铝合金及钢为主的全金 属单翼飞机，采用安全寿命设计准则;第三阶段是1950年一1969年， 除铝、钢外，还采用了钛合金，使飞机先后突破声障及热障。这一阶 段的飞机设计准则从安全寿命转向破损安全；第四阶段是1970年一 21世纪，民航飞机仍以铝合金为主，钛合金及复合材料获得应用；在 军用飞机上铝、钛、复合材料获得广泛应用，采用损伤容限设计准则； 第五阶段是从21世纪初起，飞机对低成本、高可靠性、可维修性要 求日益苛刻，先进复合材料开始逐渐占据主导地位，铝、钛、钢等金 属材料用量虽然有所下降，但高

3、综合性能匹配、低成本、复合化、多 功能化的先进高性能铝、钛、钢材料逐渐替代传统金属材料成为应用 主体。记：在航空工业发展历程中，材料扮演着怎样的角色？发挥着哪 些重大的作用？戴：航空工业的发展历程是与材料科学的进步密切相关的。航空 材料既是研制生产先进航空武器装备的物质保障，又是推动航空武器 装备更新换代的技术先导。近年来伴随着飞机、发动机性能及结构效 率的不断提高，先进航空材料技术仅次于航空动力系统之后，已成为 保证航空装备发展的第二大厚骨键技术，也是实现飞机结构减重和长寿 命、发动机高推重比和效率的基础和先导技术。航空材料按其使用功能可分为结构材料和功能材料两大类。从第 二代到第四代战斗机

4、减重，50%70%的贡献来自于先进航空结构材料 及相关制备技术；提高先进航空发动机推重比，50%70%的贡献来自 于先进航空高温结构材料及相关制备技术。除航空结构材料外，功能 材料在先进航空武器装备的发展中同样具有重要的作用，如功能陶瓷 材料、信息显示和存储材料、隐身材料、智能材料、微电子和光电子 材料、传感器敏感元件材料等。总之，航空武器装备的发展要求使用 强度更高、更轻、更耐用、高功能及多功能、低成本、复合化的材料， 从而带动了航空材料的发展。而新材料的出现，又为飞机设计提供了 更广阔的选材空间和设计基础，促进了新一代飞机问世。“一代材料， 一代飞机”这句话就是对材料技术在飞机发展历程中所

5、起的先导性和 基础性作用的真实写照。记：航空武器装备发展对航空材料提出了哪些特殊要求？在不同 的时期这些要求有哪些差异？戴：航空材料作为发展航空武器装备的基础和先导技术，受航空 装备的载人要求、使用条件和环境的制约，除最关键的轻质高强和高 温耐蚀性能外，还需在高综合性能、低成本、高环境相容性、高功能 及多功能、复合化、智能化、材料的计算设计和模拟仿真等方面持续 改进。一个世纪以来，随着飞机性能的不断提高和飞机设计思想的演 变，航空武器装备对材料的特殊要求也逐渐发生变化。首先是飞机性能的提高对航空材料的要求。航空武器装备极力追 求低结构重量系数，这对于提高航空装备的性能和降低成本具有重要 的作用

6、。随着飞机速度的不断提高以及气动外形、结构形式不断改进， 除了设计思想和设计分析手段的不断进步外，发展低密度材料是飞机 设计提出的最直接要求，也是减轻飞机重量的主要措施。材料的其它 性能，如韧性、疲劳、耐腐蚀和环境热效应、易加工性和成本等也是 飞机设计中应考虑的重要因素。另外，飞机设计思想的演变也对航空材料提出了特殊要求。飞机 的结构设计思想经历了静强度设计、动强度设计、疲劳一安全寿命设 计、安全寿命/破损安全设计、损伤容限/耐久性设计和可靠性设计等 阶段。在早期的飞机静强度设计中，仅考虑到飞机的静强度和刚度要求， 这种静强度设计思想对选材和材料性能的要求集中体现在单纯追求 高强度和高模量上。

7、1954年，英国3架“彗星”飞机的坠毁，暴露了结 构疲劳问题的危险性，使人们认识到了金属材料的疲劳问题，飞机设 计因此开始提出了安全寿命要求，即在飞机使用寿命期内，不容许金 属材料出现疲劳裂纹。20世纪60年代，又由于在飞机上开始使用厚 大截面的结构，出现了机体结构的应力腐蚀问题，因此提出对机体材 料的需求除满足静强度、疲劳性能外，还需满足抗腐蚀性能。20世纪60年代末在美国空军按安全寿命设计的飞机中相继出现 了一些重大断裂事故，因此保证飞机在使用寿命期内的安全就更为重 要了。于是，在1977年美国空军颁布的规范MIL-A-008866A中增加 了损伤容限要求，即增加了破损-安全结构要求和低裂

8、纹扩展速率要 求。20世纪80年代末，飞机设计准则逐渐形成损伤容限设计和可靠 性设计，要求材料不再是仅仅追求高强度，而必须同时考虑到比强度、 疲劳性能、裂纹扩展性能、断裂韧度、耐腐蚀性、寿命期成本等诸多 方面，也就是要更重视材料的综合性能，从而对材料提出了更高、更 严格的要求。20世纪90年代以来，尽管飞机设计者总希望设计出最轻、效率 最高的飞机机体结构，但无论是民机还是军机的使用部门，降低成本 的呼声越来越高，并且强调军民结合和军民转化。材料的低成本要求 既包括原材料制备，也包括零件制备加工、检测评价和维修等全过程， 因此要求结合先进的结构设计、低成本制造和先进材料技术来实现， 对技术集成提出了更高要求。新技术促进航空装备发展记：除了作为传统的结构/承力部件发挥功能，现代材料有哪些 新的特点和趋势？戴：结构材料的功能是承受结构载荷和保持结构的形状不变，概 括起来说，对结构材料最主要的要求是：轻质、高韧、抗疲劳、低裂 纹扩展速率和抗腐蚀等。对复合材料还要求湿热性能。随着飞机技术 需求的不断提高，传统结构面临新的挑战，一些先进的结构，如复合 材料结构，自适应结构，智能结构，多功能结构，柔性结构等新形式 不断涌现，成为当前飞机结构的新亮点。伴随先进结构的发展，传统 的结构材料已从承力向多