航空航天材料发展现状及前景全面解析

2018-11-09 03:12

航空航天材料发展现状及前景全面解析

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进入21 世纪,航空航天已展现出更加广阔的发展前景,高水平或超高水平的航空航天活动更加频繁,其作用将远远超出科学技术领域本身,对政治、经济、军事以至人类社会生活都会产生更广泛和更深远的影响。应该指出,航空航天事业所取得的巨大成就,与航空航天材料技术的发展和突破是分不开的。材料是现代高新技术和产业的基础与先导,很大程度上是高新技术取得突破的前提条件。例如20 世纪60 年代高纯硅半导体材料的突破,使人类进入信息化时代。航空航天材料的发展对航空航天技术起到强有力的支撑和保障作用;反过来,航空航天技术的发展需求又极大地引领和促进航空航天材料的发展。21 世纪以来,航空航天事业的发展进入新的 阶段,将会推动航空航天材料朝着质量更高、品类更新、功能更强和更具经济实效的方向发展。

1 航空航天材料的地位和作用

航空航天材料泛指用于制造航空航天飞行器的材料。一架现代飞行器要用到所有的4 大类材料,即金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。

按使用范围,航空航天材料可分为结构材料与功能材料。结构材料主要用于制造飞行器各种结构部件,如飞机的机体、航天器的承力筒、发动机壳体等,其作用主要是承受各种载荷,包括由自重造成的静态载荷和飞行中产生的各种动态载荷。功能材料主要是指在光、声、电、磁、热等方面具有特殊功能的材料,如飞行器测控系统所涉及的电子信息材料(包括用于微电子、光电子和传感器件的功能材料),又如现代飞行器隐身技术用的透波和吸波材料,航天飞机表面的热防护材料等。结构材料总的发展趋势是轻质化、高强度、高模量、耐高温、低成本;而功能材料则朝着高性能、多功能、多品种、多规格的方向发展。出于现代高性能飞行器发展的需要,结构-功能一体化和智能化也是重要的材料发展方向。航空航天领域关键技术的突破都离不开航空航天材料的支撑,航空航天材料的地位与作用可归纳如下。

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。

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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[3]。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。

图 1 是世界著名发动机公司罗尔斯-罗伊斯(Rolls-Royce)公司对航空发动机材料发展情况作出的统计和预估,其中2010 年前后为当时的预估数据。

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由图 1 可以看出:传统的铝合金及结构钢在发动机中的用量会进一步减少,而镍基高温合金、钛合金等材料的使用在20 世纪末达到高峰期,到21 世纪初也有所降低;代之而起的将是一些新型高温结构材料,如金属间化合物(Ti3Al、Nb3Al等)、陶瓷基/金属基复合材料(CMC、MMC)。金属硅化物的熔点很高(高于2000 ℃),其在1600 ℃下具有很好的热稳定性、防氧化性以及良好的力学性能,近年来已成为高温材料研究的新热点,有代表性的产品如硅化镍(Nb5Si3)、硅化钛(Ti5Si3)、硅化锆(Zr5Si3)等。

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。

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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。

1.4 航空航天材料引领材料技术发展

航空航天材料性能和质量要求极端严格,产品制造技术复杂,成本居高不下,这些都严重制约着材料应用和发展。由于飞行器要在各种极端环境条件下飞行,其材料所涉及的技术问题非常复杂,是材料领域争相研究的重点和热点。航空航天材料及其制备技术的突破,无疑对现代材料技术有着极强的引领和促进作用。如航空发动机对高温结构材料的需求强烈地推动高温合金、金属间化合物、陶瓷基和金属基复合材料、碳-碳复合材料以及金属陶瓷的迅速发展:首先应用于飞机结构的碳纤维增强复合材料,现已迅速推广到其他领域。飞行器的轻质化推动了复合材料的发展,使材料复合化成为新材料的重要发展趋势之一。

2 航空航天结构材料

航空航天结构材料主要有铝合金、钛合金、纤维复合材料和高温结构材料。

2.1 铝合金

近100 年来,铝合金在航空航天器机体结构材料的应用一直长盛不衰。铝合金具有轻质、易加工、抗腐蚀的优点,其比强度高过很多合金钢,成为理想的结构材料。

作者:江北之窗 来源:江北之窗

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