1、航空航天材料,一、定义 二、服役环境 三、要求 四、航天材料 五、发展方向 六、结语,目录,（1）运载火箭及导弹材料,（2） 航天飞行器材料,机体材料,发动机材料,机载设备材料,（3）航天功能材料,航天：飞行器在地球3050km以外大气层 的航行活动例如：火箭、卫星、飞船、空间站、航天飞机,航空：飞行器在地球50km以内大气层的航行活动(对流层和平流层)例如：飞机、飞艇、热气球、导弹等,定义,飞船是发展载人航天技术的先导工具，返回舱是载人飞船的核心部分。飞船在发射上升段有整流罩防护，返回舱主要是承受振动、噪声和过载等力学环境。飞船在轨道上飞行几天到几个月，受到太阳的直接照射和地球对太阳的反射辐
2、照以及地球的红外辐射，环境温度约为901251 。,使役环境,温度交变周期为95min左右。轨道飞行的低温和高低温交变环境，是防热结构的重要考虑因素。轨道的其它环境：高能粒子辐射、太阳紫外辐射和微陨石撞击等对防热材料的影响也不可忽视。,使役环境,航空航天材料处于极端苛刻的服役环境：超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀、射线辐照、原子氧、粒子云、陨石。 设计准则：静强度设计损伤容限设计 设计选材时的决定因素：寿命期成本、比强度、疲劳寿命、断裂韧性、储存期及可靠性、可维修性。 结构材料发展的关键：轻质高强和高温耐蚀 功能材料发展的关键：高性能，智能化,航空航天器对材料的要求,要求表现：,1.蒙皮
3、的最高温度可达1000以上,蒙皮：蒙于机体或翼面骨架外面构成所需气动外形的板件。,要求表现：,2.发动机的工作温度则高达2000。,发动机（Engine）是一种能够把其它形式的能转化为机械能的机器，包括如内燃机（汽油发动机等）、外燃机（斯特林发动机、蒸汽机等）、电动机等。,要求表现：,3.轻质高强可用比强度的概念来衡量: 克克计较各种材料比强度及其 与飞行器马赫数的关系如下图所示,为了满足高工作温度的要求，新型材料如金属间化合物、陶瓷、碳/碳及各种复合材料正在加速发展,要求表现：,4.航空航天材料的耐温性,对发动机的要求：,先进航空发动机的推重比达到1215，涡轮前燃气温度将达到1800210
4、0 ， 这就需要研究发展更新一代的高温材料，例如耐816 TiAl金属基复合材料； 耐温1093金属间化合物；耐1200-1400C的Nb-Si合金;耐1538 陶瓷材料 ；耐1800Ir基合金; 耐温1371隔热涂层等。,对设计和性能的要求：,当代飞机设计已经进入损伤容限设计时代，对产品的可靠性和耐久性提出了很高的要求，军机如此，民机尤甚。例如： （1）美国F15飞机设计寿命为4000h，而对新一代歼击机的定寿指标为8000h。 （2）民航机无裂纹寿命要求30000h，经济寿命要求在60000h以上，故障要求低于10-9。 （3）我国大运：3000060000h，大客更长,航空器发展对材料的
5、要求,航空飞行器的工作条件十分复杂，就飞机而言，军用飞机要求提高机动性、近距格斗和全天候作战的能力;民用飞机则要求安全性、可靠性、舒适性、经济性，相应地要求发展大推比和长寿命的发动机以及先进的火控电子设备和仪表系统；所以对航空材料的主要要求是耐高温、高比强、抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。,航空航天高技术产业特点,当代科技的高度密集 高度复杂的系统工程 科技发展的先导作用 军民结合 高可靠性和高风险度 产品的多样性和小批量 成本和价格高,运载火箭及导弹材料 航天飞行器材料 航天功能材料,航天材料,运载火箭及导弹材料,运载火箭及导弹材料,航天飞行器材料,大容量卫星和小卫星碳纤维复合材料；碳/环氧
6、复合材料面板铝蜂窝夹层结构；高强轻质铝合金。空间站太阳电池阵柔性材料；高可靠和长寿命密封材料、温控材料、原子氧防护材料、特殊规格铝合金和高强高模碳纤维复合材料。 载人飞船和航天飞机 高强轻质铝合金；防热材料,航空飞行器使用的材料,机体材料 发动机材料 机载设备材料,机体材料,趋势：大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、高模材料提高飞机的结构效率，降低飞机结构重量系数。 树脂基复合材料和钛合金用量增加 传统铝合金和钢材的用量减少,机体材料,飞机结构材料用量对比（结构重量百分数）,B787和A380：复合材料的用量超过50%,发动机材料,罗-罗公司对发动机材料趋势预测,发动机材料,以第四代歼击机
7、及其配套发动机需求为例,机载设备材料（眼、耳、脑、神经、血管等）,航天功能材料,微电子元器件材料 光电子元器件材料 信息材料（传输、存储和显示） 传感器敏感元件材料 隐身和智能材料,人造卫星上应用的典型功能材料： 光电转换材料；热电材料；传感材料；辐射屏蔽材料,主要航空航天材料,轻合金及超高强度钢 高温金属结构材料 先进聚合物基复合材料 先进金属基及无机非金属基复合材料 先进功能材料,轻合金及超高强度钢,1、铝合金：民用飞机主体材料；变形、铸造、粉末；Al合金：占B777机体结构重量的70 2、钛合金：、 、铸造、粉末Ti-6Al-4V（TC-4）：占F22机体总重量的36 3、镁合金：铸造、
8、变形、快速凝固粉末Mg-Li合金：可以比水轻 4、超高强度钢：最低屈服强度大于1380MPa；低、中、高合金化300M钢：主要承力件，如飞机起落架,高温金属结构材料,1、高温钛合金：使用温度上限600 , 如： Ti-1100 2、镍基高温合金: 强化机制(Ni3(Al、Ti)/ 3、金属间化合物：Al化物、Si化物 4、难熔金属及其合金：钼、钽、铌、钨、铼、铱,先进聚合物基复合材料,1、结构聚合物基复合材料 2、功能聚合物基复合材料电磁波（透波、吸波）；防热烧蚀（树脂基和弹性体基）；推进剂；多功能。,先进金属基及非金属基复合材料,1、先进金属基复合材料W/Cu；SiCP/Al 2、先进金属间
9、化合物基复合材料 3、先进陶瓷基复合材料 4、先进C/C复合材料,先进功能材料,微电子材料 光电子材料 信息材料（传输、存储和显示） 功能陶瓷与敏感材料 隐身材料 智能材料,高性能 高功能和多功能 复合化 智能化 低成本 高环境相容性 材料的计算设计和仿真模拟,发展方向,在现代材料科学与技术的发展历程中，航空材料一直扮演着先导和基础作用，机体材料的进步不仅推动飞行器本身的发展，而且带动了地面交通工具及空间飞行器的进步，发动机材料的发展则推动着动力产业和能源行业的推陈出新。,结 语,“一代材料，一代飞行器”是航空工业发展的生动写照，也是航空材料带动相关领域发展的真实描述。可以说，航空材料反映结构材料发展的前沿，航空材料代表了一个国家结构材料技术的最高水平 。,Thank you !,
