2016 年春季学期研究生课程考核
考核科目:航天材料与工艺可靠性技术学生所在院（系）:机电工程学院
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考核结果阅卷人
航空航天材料发展现状与展望
一、航空航天材料的地位和作用
1.1 高性能材料是发展高性能飞行器的基础保障
自莱特兄弟制造的人类第一架飞机“飞行者一号”问世以来，航空技术取得了大跨越的发展，以战斗机为代表的军用飞机现已发展到第5 代，其最大飞行速度达4倍声速。在此过程中，航空材料的发展所经历的阶段如表1所示。可以看到，材料的进步对飞机的升级换代起到关键的支撑作用。
表 1 飞机机体材料发展阶段
发展阶段年代机体材料
第 1 阶段1903—1919 木、布结构
第 2 阶段1920—1949 铝、钢结构
第 3 阶段1950—1969 铝、钛、钢结构
第 4 阶段1970—21 世纪初铝、钛、钢、复合材料结构（以铝为主）第 5 阶段21 世纪初至今复合材料、铝、钛、钢结构（以复合材料为主）
发动机是飞机的“心脏”，其性能的优劣制约发动机是飞机的“心脏”，其性能的优劣制约着飞机的能力，而发动机性能的提高又与所使用的耐高温结构材料密切相关。随着飞机航程的加长和速度的提高，要求发动机推力、推重比（发动机推力与重量之比）越来越大，这就意味着发动机的压力比、进口温度、燃烧室温度以及转速都须极大地提高。根据美国先进战斗歼击机研究计划和综合高性能发动机技术研究计划，发动机推重比要达到20，而其油耗比要比目前再降低50%。众所周知，推重比的提高取决于发动机涡轮前进口温度的提高：对于推重比在15～20以上的发动机，其涡轮前进口温度最高达2227～2470℃。高性能航空发动机对材料的性能提出了更高要求，除高比强度、高比模量外，对耐高温性能需求更为突出。由此可见，航空发动机性能的提高有赖于高性能材料的突破。
1.2 轻质高强度结构材料对降低结构重量和提高经济效益贡献显著
轻质、高强度是航空航天结构材料永远追求的目标。碳纤维复合材料是20世纪60年代出现的新型轻质高强度结构材料，其比强度和比模量是目前所有航空航天材料中最高的。有数据表明：碳纤维复合材料的比强度和比刚度超出钢与铝合金的5～6倍。复合材料在飞行器上的应用日益扩大，质量占比在不断增加。材料具有较高的比强度和比刚度，就意味着同样质量的材料具有更大的承受有效载荷的能力，即可增加运载能力。结构重量的减少意味着可多带燃油或其他有效载荷，不仅可以增加飞行距离，而且可以提高单位结构重量的效费比。飞行器的结构重量每减1磅所获得的直接经济效益见表2。
表 2 飞行器结构减重的直接经济效益
机种减重经济效益/(万美元·磅-1)
小型民机50
直升机300
战斗机400
商用运输机800
超声速运输机3000
航天飞机30000
1.3 材料的可靠性事关飞行安全
飞行器是多系统集成体，所涉及的零部件达数十万计，元器件达数百万计，要用到上千种材料。飞行器要在各种状态和各种极端环境条件下飞行，如何确保其飞行安全至关重要。除设计、制造、使用和维护维修要有极其严格的质量控制要求外，材料的可靠性显得尤为关键。飞行史上的许多事故教训表明，材料失效是导致飞行事故的重要原因之一：大到一个结构件的断裂，小到一个铆钉或密封圈的失效，都可能导致飞行事故。因此，加强材料的可靠性评价研究对于提高飞行安全性有不可忽视的意义。
二、航空航天材料的分类
航空航天材料既是研制生产航空航天产品的物质保障，又是推动航空航天产品更新换代的技术基础。从材料本身的性质划分，航空航天材料分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和先进复合材料4大类；按使用功能，又可分为结构材料和功能材料2大类。对于结构材料而言，最关键的要求是质轻高强和高温耐蚀；功能材料则包括微电子和光电子材料、传感器敏感元材料、功能陶瓷材料、光纤材料、信息显示与存储材料、隐身材料以及智能材料。
对于航空材料来说，包括3大类材料，飞机机体材料、发动机材料、机载设备材料。而航天材料则包括运载火箭箭体材料、火箭发动机材料、航天飞行器材料、航天功能材料等。具体到材料的层面，航空航天材料涉及范围较广，包括铝合金、钛合金、镁合金等轻合金，超高强度钢，高温钛合金、镍基高温合金、金属间化合物（钛铝系、铌铝系、钼硅系）、难熔金属及其合金等高温金属结构材料，玻璃纤维、碳纤维、芳酰胺纤维、芳杂环纤维、超高分子量聚乙烯纤维等复合材料增强体材料，环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、热固性聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂、聚芳基乙炔树脂等复合材料基体材料，先进金属基及无机非金属基复合材料，先进金属间化合物基复合材料，先进陶瓷材料，先进碳/碳复合材料以及先进功能材料。
三、航空航天材料简介
1.铝合金
飞机机身结构材料应用构成比例预测表明，21世纪初期占主导地位的材料是铝合金。开发航空航天技术用铝合金时首先要解决的课题，是如何在保证高使用可靠性及良好工艺性的前提下减轻结构质量。目前急待解决的问题是开发具有良好焊接性能的高强铝合金，并将其用于制造整体焊接结构。
提高飞行器有效载荷的方法是提高强度或降低密度（不降低强度）。用锂对铝进行合金化，可降低合金密度，提高弹性模量。已经用带卷轧制法生产出了铝锂（Al-Li）合金板材，其中包括厚度小于0.5mm的薄板。使用铝基层状复合材料可大幅度提高飞机蒙皮的可靠性、使用寿命及有效载荷，这种复合材料的特点
是裂纹扩展速度特别低（仅为传统材料的1/20～1/10)，强度（提高50%～100%）和断裂韧性高，而密度较小（减轻10%～15%），将其作为机身蒙皮材料，以及作为修理作业用的裂纹铆钉材料是很有前途的。
2.高强钢
在现代飞机结构中，钢材用量稳定在5%～10%的水平，而在某些飞机上，例如超音速歼击机上，钢材是一种特定用途的材料。高强钢通常使用在要求有高刚度、高比强度、高疲劳寿命，以及具有良好中温强度、耐腐蚀性和一系列其他参数的结构件中。无论是在半成品生产中，还是在复杂结构件的制造中，尤其是在以焊接作为最终工序的焊接结构件生产中，钢材都是不可替代的材料。
长期以来，飞机制造业使用最多的钢材，是强度水平为1600～1850MPa、断裂韧性约为77.5 ～91MPa/m2的中合金化高强钢。目前，在保持同样断裂韧性指标的条件下，已将钢材的最低强度水平提高到了1950MPa，还开发出了新型经济合金化的高抗裂性、高强度焊接结构钢。高强钢的发展方向为进一步完善冶金生产工艺、选择最佳的化学成分及热处理规范、开发强度性能水平为2100～2200MPa的高可靠性结构钢。在活性腐蚀介质作用下使用的机身承力结构件，特别是在全天候条件下使用的承力结构件上，广泛使用高强度耐蚀钢，这种钢的强度水平与中合金结构钢相近，可靠性参数（断裂韧性、抗腐蚀开裂强度等）大大超过中合金结构钢。
高强钢的优点是：可采用不同的焊接方法实施焊接，焊接承力结构件时，焊后不必进行热处理，无论是在热状态，还是在冷状态，均具有良好的可冲压性等。最有希望适用高强钢的材料，是马氏体类型的低碳弥散强化耐腐蚀钢和过渡类型的奥氏体——马氏体钢，研究表明，在保持高可靠性和良好工艺性的条件下，是能够大幅度提高高强度耐腐蚀钢强度水平的。低温技术装备是高强度耐蚀钢的一个特殊应用领域及发展方向。装备氢燃料发动机的飞机具有良好的发展前景，应该把在液氢和氢气介质中工作的无碳耐腐蚀钢作为研究方向。
3.高强钛合金
提高钛合金在机身零件中使用比例的潜力是相当巨大的。据预测，钛合金在客机机身中的使用比例将达到20%，而在军机机身中的应用比例将提高到50%。其前提是要保证：钛合金有更高的强度及可靠性；进一步提高使用温度；具备高的工艺性能及良好的可焊接性；能生产各种半成品；改进结构形式，开发新的设计方案，尽可能多地在结构中使用成熟的合金与工艺。
采用高强钛合金可减轻结构质量，同时提高结构的重量效率、可靠性及工艺性。计划开发兼备高强度（1350MPa）与高工艺性的板材合金，这种合金的强度将是工业纯铁强度的4倍，而工艺特性则与工业纯钛相近；还将研制并使用具有更高热强性、热稳定性和使用寿命的“近α型”热强钛合金。
4.热强钛合金
钛合金的发展方向之一，是研制具有较高热强性，特别是具有高稳定性和长寿命的“近α型”热强钛合金。第6代航空发动机将使用以固溶强化和金属间化合物综合强化的热强钛合金板材。以钛铝化合物为基的合金，是未来的研究方向。“γ”合金在700～900℃温度下的比热强性超过钢材及热强合金，但塑性较差。
开发热强钛合金的新方向，是采用金属间化合物强化的以β固溶体为基的合
