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飛行器及其動(dòng)力裝置、附件、儀表所用的各類材料,是航空航天工程技術(shù)發(fā)展的決定性因素之一。航空航天材料科學(xué)是材料科學(xué)中富有開(kāi)拓性的一個(gè)分支。飛行器的設(shè)計(jì)不斷地向材料科學(xué)提出新的課題,推動(dòng)航空航天材料科學(xué)向前發(fā)展;各種新材料的出現(xiàn)也給飛行器的設(shè)計(jì)提供新的可能性,極大地促進(jìn)了航空航天技術(shù)的發(fā)展。

航空航天材料的進(jìn)展取決于下列3個(gè)因素:
①材料科學(xué)理論的新發(fā)現(xiàn):例如,鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化理論導(dǎo)致硬鋁合金的發(fā)展;高分子材料剛性分子鏈的定向排列理論導(dǎo)致高強(qiáng)度、高模量芳綸有機(jī)纖維的發(fā)展。
②材料加工工藝的進(jìn)展:例如,古老的鑄、鍛技術(shù)已發(fā)展成為定向凝固技術(shù)、精密鍛壓技術(shù),從而使高性能的葉片材料得到實(shí)際應(yīng)用;復(fù)合材料增強(qiáng)纖維鋪層設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的發(fā)展,使它在不同的受力方向上具有最優(yōu)特性,從而使復(fù)合材料具有"可設(shè)計(jì)性",并為它的應(yīng)用開(kāi)拓了廣闊的前景;熱等靜壓技術(shù)、超細(xì)粉末制造技術(shù)等新型工藝技術(shù)的成就創(chuàng)造出具有嶄新性能的一代新型航空航天材料和制件,如熱等靜壓的粉末冶金渦輪盤、高效能陶瓷制件等。
③材料性能測(cè)試與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步:現(xiàn)代電子光學(xué)儀器已經(jīng)可以觀察到材料的分子結(jié)構(gòu);材料機(jī)械性能的測(cè)試裝置已經(jīng)可以模擬飛行器的載荷譜,而且無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也有了飛速的進(jìn)步。材料性能測(cè)試與無(wú)損檢測(cè)技術(shù)正在提供越來(lái)越多的、更為精細(xì)的信息,為飛行器的設(shè)計(jì)提供更接近于實(shí)際使用條件的材料性能數(shù)據(jù),為生產(chǎn)提供保證產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)手段。

一種新型航空航天材料只有在這三個(gè)方面都已經(jīng)發(fā)展到成熟階段,才有可能應(yīng)用于飛行器上。因此,世界各國(guó)都把航空航天材料放在優(yōu)先發(fā)展的地位。中國(guó)在50年代就創(chuàng)建了北京航空材料研究所和北京航天材料工藝研究所,從事航空航天材料的應(yīng)用研究。

18世紀(jì)60年代發(fā)生的歐洲工業(yè)革命使紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、機(jī)器制造工業(yè)得到很大的發(fā)展,從而結(jié)束了人類只能利用自然材料向天空挑戰(zhàn)的時(shí)代。1903年美國(guó)萊特兄弟制造出第一架裝有活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī),當(dāng)時(shí)使用的材料有木材(占47%),鋼(占35%)和布(占18%),飛機(jī)的飛行速度只有16公里/時(shí)。1906年德國(guó)冶金學(xué)家發(fā)明了可以時(shí)效強(qiáng)化的硬鋁,使制造全金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)成為可能。40年代出現(xiàn)的全金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)的承載能力已大大增加,飛行速度超過(guò)了600公里/時(shí)。在合金強(qiáng)化理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一系列高溫合金使得噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的性能得以不斷提高。50年代鈦合金的研制成功和應(yīng)用對(duì)克服機(jī)翼蒙皮的"熱障"問(wèn)題起了重大作用,飛機(jī)的性能大幅度提高,最大飛行速度達(dá)到了3倍音速。40年代初期出現(xiàn)的德國(guó) V-2火箭只使用了一般的航空材料。50年代以后,材料燒蝕防熱理論的出現(xiàn)以及燒蝕材料的研制成功,解決了彈道導(dǎo)彈彈頭的再入防熱問(wèn)題。60年代以來(lái),航空航天材料性能的不斷提高,一些飛行器部件使用了更先進(jìn)的復(fù)合材料,如碳纖維或硼纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等,以減輕結(jié)構(gòu)重量。返回型航天器和航天飛機(jī)在再入大氣層時(shí)會(huì)遇到比彈道導(dǎo)彈彈頭再入時(shí)間長(zhǎng)得多的空氣動(dòng)力加熱過(guò)程,但加熱速度較慢,熱流較小。采用抗氧化性能更好的碳-碳復(fù)合材料、陶瓷隔熱瓦等特殊材料可以解決防熱問(wèn)題。

分類飛行器發(fā)展到80年代已成為機(jī)械加電子的高度一體化的產(chǎn)品。它要求使用品種繁多的、具有先進(jìn)性能的結(jié)構(gòu)材料和具有電、光、熱和磁等多種性能的功能材料。航空航天材料按材料的使用對(duì)象不同可分為飛機(jī)材料、航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料、火箭和導(dǎo)彈材料和航天器材料等;按材料的化學(xué)成分不同可分為金屬與合金材料、有機(jī)非金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料和復(fù)合材料。

材料應(yīng)具備的條件用航空航天材料制造的許多零件往往需要在超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)力、強(qiáng)腐蝕等極端條件下工作,有的則受到重量和容納空間的限制,需要以最小的體積和質(zhì)量發(fā)揮在通常情況下等效的功能,有的需要在大氣層中或外層空間長(zhǎng)期運(yùn)行,不可能停機(jī)檢查或更換零件,因而要有極高的可靠性和質(zhì)量保證。不同的工作環(huán)境要求航空航天材料具有不同的特性。

高的比強(qiáng)度和比剛度對(duì)飛行器材料的基本要求是:材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、剛度好。減輕飛行器本身的結(jié)構(gòu)重量就意味著增加運(yùn)載能力,提高機(jī)動(dòng)性能,加大飛行距離或射程,減少燃油或推進(jìn)劑的消耗。比強(qiáng)度和比剛度是衡量航空航天材料力學(xué)性能優(yōu)劣的重要參數(shù):

比強(qiáng)度=σ/ρ

比剛度=E/ρ

式中σ為材料的強(qiáng)度,E為材料的彈性模量,ρ為材料的比重。

飛行器除了受靜載荷的作用外還要經(jīng)受由于起飛和降落、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)件的高速旋轉(zhuǎn)、機(jī)動(dòng)飛行和突風(fēng)等因素產(chǎn)生的交變載荷,因此材料的疲勞性能也受到人們極大的重視。

飛行器所經(jīng)受的高溫環(huán)境是空氣動(dòng)力加熱、發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庖约疤�空中太�?yáng)的輻照造成的。航空器要長(zhǎng)時(shí)間在空氣中飛行,有的飛行速度高達(dá)3倍音速,所使用的高溫材料要具有良好的高溫持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、熱疲勞強(qiáng)度,在空氣和腐蝕介質(zhì)中要有高的抗氧化性能和抗熱腐蝕性能,并應(yīng)具有在高溫下長(zhǎng)期工作的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性�；鸺�發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)3000°C以上,噴射速度可達(dá)十余個(gè)馬赫數(shù),而且固體火箭燃?xì)庵羞�夾雜有固體粒子,彈道導(dǎo)彈頭部在再入大氣層時(shí)速度高達(dá)20個(gè)馬赫數(shù)以上,溫度高達(dá)上萬(wàn)攝氏度,有時(shí)還會(huì)受到粒子云的侵蝕,因此在航天技術(shù)領(lǐng)域中所涉及的高溫環(huán)境往往同時(shí)包括高溫高速氣流和粒子的沖刷。在這種條件下需要利用材料所具有的熔解熱、蒸發(fā)熱、升華熱、分解熱、化合熱以及高溫粘性等物理性能來(lái)設(shè)計(jì)高溫耐燒蝕材料和發(fā)汗冷卻材料以滿足高溫環(huán)境的要求。太陽(yáng)輻照會(huì)造成在外層空間運(yùn)行的衛(wèi)星和飛船表面溫度的交變,一般采用溫控涂層和隔熱材料來(lái)解決。低溫環(huán)境的形成來(lái)自大自然和低溫推進(jìn)劑。飛機(jī)在同溫層以亞音速飛行時(shí)表面溫度會(huì)降到-50°C左右,極圈以內(nèi)各地域的嚴(yán)冬會(huì)使機(jī)場(chǎng)環(huán)境溫度下降到-40°C以下。 在這種環(huán)境下要求金屬構(gòu)件或橡膠輪胎不產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。液體火箭使用液氧(沸點(diǎn)為-183°C)和液氫(沸點(diǎn)為-253°C)作推進(jìn)劑,這為材料提出了更嚴(yán)峻的環(huán)境條件。部分金屬材料和絕大多數(shù)高分子材料在這種條件下都會(huì)變脆。通過(guò)發(fā)展或選擇合適的材料,如純鋁和鋁合金、鈦合金、低溫鋼、聚四氟乙烯、聚酰亞胺和全氟聚醚等,才能解決超低溫下結(jié)構(gòu)承受載荷的能力和密封等問(wèn)題。

各種介質(zhì)和大氣環(huán)境對(duì)材料的作用表現(xiàn)為腐蝕和老化。航空航天材料接觸的介質(zhì)是飛機(jī)用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推進(jìn)劑(如濃硝酸、四氧化二氮、肼類)和各種潤(rùn)滑劑、液壓油等。其中多數(shù)對(duì)金屬和非金屬材料都有強(qiáng)烈的腐蝕作用或溶脹作用。在大氣中受太陽(yáng)的輻照、風(fēng)雨的侵蝕、地下潮濕環(huán)境中長(zhǎng)期貯存時(shí)產(chǎn)生的霉菌會(huì)加速高分子材料的老化過(guò)程。耐腐蝕性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料應(yīng)該具備的良好特性。

空間環(huán)境對(duì)材料的作用主要表現(xiàn)為高真空(1.33×10帕)和宇宙射線輻照的影響。金屬材料在高真空下互相接觸時(shí),由于表面被高真空環(huán)境所凈化而加速了分子擴(kuò)散過(guò)程,出現(xiàn)"冷焊"現(xiàn)象;非金屬材料在高真空和宇宙射線輻照下會(huì)加速揮發(fā)和老化,有時(shí)這種現(xiàn)象會(huì)使光學(xué)鏡頭因揮發(fā)物沉積而被污染,密封結(jié)構(gòu)因老化而失效。航天材料一般是通過(guò)地面模擬試驗(yàn)來(lái)選擇和發(fā)展的,以求適應(yīng)于空間環(huán)境。

為了減輕飛行器的結(jié)構(gòu)重量,選取盡可能小的安全余量而達(dá)到絕對(duì)可靠的安全壽命,被認(rèn)為是飛行器設(shè)計(jì)的奮斗目標(biāo)。對(duì)于導(dǎo)彈或運(yùn)載火箭等短時(shí)間一次使用的飛行器,人們力求把材料性能發(fā)揮到極限程度。為了充分利用材料強(qiáng)度并保證安全,對(duì)于金屬材料已經(jīng)使用"損傷容限設(shè)計(jì)原則"。這就要求材料不但具有高的比強(qiáng)度,而且還要有高的斷裂韌性。在模擬使用的條件下測(cè)定出材料的裂紋起始?jí)勖�和裂紋的擴(kuò)展速率等數(shù)據(jù),并計(jì)算出允許的裂紋長(zhǎng)度和相應(yīng)的壽命,以此作為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用的重要依據(jù)。對(duì)于有機(jī)非金屬材料則要求進(jìn)行自然老化和人工加速老化試驗(yàn),確定其壽命的保險(xiǎn)期。復(fù)合材料的破損模式、壽命和安全也是一項(xiàng)重要的研究課題。