航空航天材料的服役環境

航空航天材料除了經受高應力、慣性力外，航空飛行器還要經受起飛和降落、發動機振動、轉動件的高速旋轉、機動飛行、突風等因素導致的沖擊載荷和交變載荷。發動機燃氣以及太陽輻照導致航空器處于高溫環境，隨著飛行速度提高，氣動加熱效應凸顯，產生“熱障”。此外，還要經受交變溫度，在同溫層以亞音速飛行時，表面溫度會降到-50℃左右，極圈以內地域的嚴冬環境溫度會低于-40℃，金屬構件或橡膠輪胎容易產生脆化現象。汽油、煤油等燃料和各種潤滑劑、液壓油，多數對金屬材料產生腐蝕作用、對非金屬材料產生溶脹作用，而太陽輻照、風雨侵蝕、地下潮濕環境長期儲存產生的霉菌會加速高分子材料的老化過程。

航空航天材料的選擇及應用

航空航天飛行器長期在大氣層或外層空間運行，在極端環境服役還要有極高可靠性和安全性、優良的飛行性和機動性，除了優化結構滿足氣動需求、工藝性要求和使用維護要求外，更有賴于材料的優異特性和功能。

01 選材原則

結構件在服役中要承受各種形式的外力作用，要求材料在規定期限內不超過允許的變形量和不破斷，而航空航天結構還要盡量縮小結構尺寸、降低重量，早期航空航天構件采用靜強度設計，不考慮或很少考慮塑韌性，導致出現了災難性事故。

干線飛機主要結構部件

為了保證結構安全并充分利用材料的性能，航空航天結構件的設計由 “強度設計原則”轉變為“損傷容限設計原則”，并逐步過渡到“全壽命周期設計原則”，在設計階段就考慮到產品壽命歷程的所有環節，所有相關因素在產品設計階段就得到綜合規劃和優化。要求材料不僅具有高的比強度、比剛度，還要有一定的斷裂韌性和沖擊韌性、抗疲勞性能、耐高溫性能、耐低溫性能、耐腐蝕性能、耐老化性能和抗霉菌性能，并有針對性地強化一些性能指標。此外，不同等級的載荷區采用不同的選材判據，根據部件的具體要求選擇與之匹配的材料，大載荷區采用強度判據，選用高強材料；中載荷區采用剛度判據，選用高彈性模量材料；輕載荷區主要考慮尺寸穩定性，確保構件尺寸大于最小臨界尺寸。

選擇和評價結構材料時，要根據服役條件和應力狀態，選擇合適的力學性能 （拉伸、壓縮、沖擊、疲勞、低溫系列沖擊）測試方法，針對不同的斷裂方式（韌斷、脆斷、應力疲勞、應變疲勞、應力腐蝕、氫脆、中子輻照脆化等），綜合考慮材料強度與塑性、韌性的合理配合。承受拉伸載荷的構件，表層及心部應力分布均勻，所選材料應具有均一組織和性能，大型構件應有良好的淬透性。承受彎曲及扭轉載荷的構件，表層及心部應力相差較大，可用淬透性較低的材料。承受交變載荷的構件，疲勞極限、缺口敏感性為選材的重要考核指標。在腐蝕介質中服役的構件，抗腐蝕能力、氫脆敏感性、應力腐蝕開裂傾向、腐蝕疲勞強度等為選材的重要考核指標。高溫服役材料還要考慮組織穩定性，低溫服役材料還要考慮低溫性能。

減重對提高飛行器的安全性、增加有效載荷和續航距離、提高機動性能及射程、降低燃料或推進劑消耗和飛行成本具有實際意義，飛行器速度越快，減重意義越大。戰斗機重量減輕15%，則可縮短飛機滑跑距離15％，增加航程20%，提高有效載荷30%。對于導彈或運載火箭等短時間一次性使用的飛行器，要以最小體積和質量發揮等效功能，力求把材料性能發揮到極限程度，選取盡可能小的安全余量而達到絕對可靠的安全壽命。

02 主要航空航天材料

對于減輕結構質量，密度降低30％，比強度提高50％的作用還大。鋁合金、鈦合金、復合材料是主要的航空航天結構材料，具有較高的比強度和比剛度，可提高飛行器的有效載荷、機動性、續航距離，同時降低飛行成本。

超高強度鋼（屈服強度＞1380MPa)在航空航天工程中的用量不會超過10%。對于超聲速殲擊機等現代飛行器，超高強度鋼用量穩定在5％~10%，其抗拉強度在600~1850MPa，有時高達到1950MPa，斷裂韌性KIc=78~91MPa·m1/2。在活性腐蝕介質中使用的機身承力結構件，一般要采用高強度耐蝕鋼，裝備氫燃料發動機的飛機要選用無碳耐蝕鋼作為在液氫和氫氣介質中服役的構件材料。

21世紀的飛行器機身結構材料還是以鋁合金為主 ，包括2XXX系、7XXXX及鋁鋰合金。在鋁合金中加入鋰，可在提高強度的同時降低密度，實現提高構件的比強度和比剛度的目標。鋁鋰合金已用于大型運輸機、戰斗機、戰略導彈、航天飛機、運載火箭，主要用于頭部殼體、承力構件、液氫液氧儲箱、管道、有效載荷轉接器等，被譽為極具發展前景的航空航天材料。第三代和正在發展的第四代鋁鋰合金不再片面追求低密度，有較好的綜合性能，在裂紋擴展速率、疲勞性能、腐蝕性能、彈性模量等與第三代鋁鋰合金相當的條件下，第四代鋁鋰合金有更高的靜強度（尤其屈服強度）和更高的斷裂韌性。

鈦合金的比強度高于鋁合金，已應用于飛機框架、襟翼導軌和支架、發動機底座和起落架構件等，還可用于排氣罩和隔火板等受熱部分。Ma>2.5的超聲速飛機表面溫度可達到200~350℃，可采用鈦合金作蒙皮。采用快速凝固／粉末冶金方法制備的高純度高致密度的鈦合金，有較好的熱穩定性，在700℃的強度與室溫相同，開發的高強度高韌性的β型鈦合金已被NASA定為SiC/Ti復合材料的基體材料，用來制造飛機的機身和機翼壁板。鈦合金在航空器中的應用比例逐漸增加，在民航機身中的使用量將達20%，在軍機機身中的使用量將高達50%。

金屬基復合材料、高溫樹脂基復合材料、陶瓷基復合材料、碳／碳復合材料已在航空航天領域扮演越來越重要的角色。碳／碳復合材料綜合了碳的難熔性與碳纖維的高強度、高剛性，具有優越的熱穩定性和極好的熱傳導性，在2500℃的高溫下仍具有相當高的強度和韌性，且密度只有高溫合金的1/4。混合型復合材料得到了越來越多的關注，如在碳纖維復合材料中添加玻璃纖維可以改善其沖擊性能，而玻璃纖維增強塑料中加人碳纖維可以增加其剛度。

此外，層狀復合材料在航空航天工程中的應用越來越廣泛，如 A380采用了3％的GLARE，為新型的層壓板。層壓板是通過壓力使兩種不同種類的材料層疊在一起的復合材料，通常由上面板、上膠合層、芯材、下膠合層、下面板構成，其強度和剛度要高于單獨的面板材料或芯材，已應用于運輸機和戰斗機。GLARE層壓板是通過壓力（或熱壓罐）把多層薄鋁板和單向性玻璃纖維預浸料（浸漬環氧黏合劑）疊接熱壓而成的，如圖1所示。鋁板要經過適當的預處理，使其更容易與纖維預浸料層粘在一起。表1為可商業化生產的GLARE層壓板類型，可根據需要制成不同厚度的板，纖維可以是2層、3層、4層等，纖維含量和方向符合表中規定即可，每類GLARE層壓板可以有不同形式，可根據具體需要進行調整。

圖1 GLARE層壓板示意圖

表1 可商業化生產的GLARE層壓板類型

GLARE層壓板的拼接技術解決了鋁板寬度有限的問題，如圖2所示，拼接時，同層鋁板間有一條窄縫，不同層鋁板間的接縫在不同位置，這些接縫可以通過纖維層和其他層鋁板連接起來，使得大型機身壁板或整體蒙皮制造成為可能，并具有出色的抗疲勞、抗腐蝕和阻燃性能，從而消除了鉚釘孔及由此引發的應力集中。為了確保載荷的安全傳遞，可在拼接處增加一個補強層，即增鋪一層金屬板或一層玻璃纖維預浸料。

圖2 GLARE層壓板拼接示意圖

蜂窩夾層復合材料由夾層和蒙皮（面板）復合而成，蒙皮可以是鋁、碳／環氧復合材料等，夾層形似蜂窩，是由金屬材料、玻璃纖維或復合材料制成的一系列六邊形、四邊形及其他形狀的孔格，在夾層的上下兩面再膠接（或釬焊）上較薄的面板。鋁蜂窩夾芯復合材料的芯材由鋁箔以不同方式膠接，通過拉伸而制成不同規格的蜂窩，芯材的性能主要通過鋁箔的厚度和孔格大小來控制，具有比強度和比剛度高、抗沖擊性能好、減振、透微波、可設計性強等優點，與鉚接結構相比，結構效率可提高15%~30％。蜂窩夾層結構材料可用來制作各種壁板，用于翼面、艙面、艙蓋、地板、發動機護罩、消聲板、隔熱板、衛星星體外殼、拋物面天線、火箭推進劑儲箱箱底等。但是，蜂窩夾層結構復合材料在某些環境中易腐蝕，受沖擊時，蜂窩夾層會發生永久變形，使蜂窩夾層與蒙皮發生分離。

03 航空航天用材分析

下表2為美國軍機用結構材料的百分比，總的變化趨勢是復合材料和鈦合金的用量逐漸增多，鋁合金的用量有所下降。

表2 美國軍機用結構材料的百分比

下表3為典型干線飛機用材比例，B787的復合材料占50%，A350的復合材料占52 % ,大量應用復合材料將成為航空航天領域的發展趨勢。復合材料減重效果好，耐損傷、抗腐蝕、耐久性好，適合機敏結構，但是，復合材料成本很高，抗沖擊性能差，無塑性，技術難度增加，可維修性差、再生利用性差。因此，A320neo和B737MAX的復合材料用量并未比A320和B737增加。

表3 典型干線飛機用材比例(%)

載人飛船各艙段的結構材料大多是鋁合金、鈦合金、復合材料，如航天飛機的軌道器大部分用鋁合金制造，支承主發動機的推力結構用欽合金制造，中機身的部分主框采用以硼纖維增強鋁合金的金屬基復合材料，貨艙艙門采用特制紙蜂窩夾層結構，以石墨纖維增強環氧樹脂復合材料作面板。導彈頭部、航天器再人艙外表面和火箭發動機內表面，要采用燒蝕材料，在熱流作用下，燒蝕材料能發生分解、熔化、蒸發、升華、侵蝕等物理和化學變化，材料表面的質量消耗帶走大量的熱，以達到阻止再人大氣層時的熱流傳人飛行器內部、冷卻火箭發動機燃燒室和噴管的目的。為了保持艙內有適宜的工作溫度，再人艙段要采取輻射防熱措施，外蒙皮為耐高溫的鎳基合金或鈹板，內部結構為耐熱欽合金，外蒙皮與內部結構之間填以石英纖維、玻璃纖維復合陶瓷等有良好隔熱特性的材料。

隨著載人航天、探月及深空探測、高分辨率衛星、高超速飛行器、重復使用運載器、空間機動飛行器等航天工程的實施和不斷發展，對材料提出了全新的、更加苛刻的要求，為航天新材料的發展提供了新的契機和動力，材料領域必須盡早在材料體系創新、關鍵原材料自主保障以及工程應用等方面取得重大突破。

參考資料：《航空航天用先進材料》.李紅英，汪冰峰等