材料概论第8章 航空航天材料09.5.26

湖南人文科技学院化学与材料科学系
神舟七号飞船返回舱成功降落在内蒙古中部预定区域
航空航天高科技发展—— 先进复合材料与航空航天
雷达隐身材料能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射雷达 波，从而达到隐身的目的。
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采用隐身技术，使敌方的探测、制导、侦察系统失去功效 ，从而尽可能地隐蔽自己，掌握战场的主动权。抢先发现并消 灭敌人，已成为现代武器防护的重要发展方向。隐身技术的最 有效手段是采用隐身材料。
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飞船返回舱返回最大技术难点之一就是飞船的降温，必
须给飞船穿上一件“隔热衣”。 当返回舱在距离地面80公里 －40公里的高度以数千米每秒的速度穿越稠密大气层时，返 回舱表面温度会达到1000-2000℃，如果不采取有效的防热降 温措施，整个返回舱将会像陨石一样被烧为灰烬。这时必须 给飞船穿上一层“防热衣”，使飞船内部的温度控制在航天 员可以忍受的40摄氏度以下。
近年来，国外在提高与改进传统隐身材料的 同时，正致力于多种新材料的探索。晶须材料、 纳米材料、陶瓷材料、手性材料、导电高分子材 料等逐步应用到雷达波和红外隐身材料，使涂层 更加薄型化、轻量化。
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隐形“斗篷” 湖南人文科技学院化学与材料科学系
原理：改变折射率
报告说，物理学家此前已经证实，如果阻止光在一个物体 表面发生反射，人眼就无法看到这个物体。在此基础上，沙拉 伊夫首次提出使物体在可见光范围内完全隐形的理论支持，并 准备将其应用于研发“隐身斗篷”。他解释说，任何物质都有 各自的折射率。折射率决定光从一种介质进入另一种介质时的 弯曲程度。例如，把木棍插入一杯水中，从杯子外面看到的木 棍呈弯曲状。
✓ 4、智能化（intellectualization） 材料智能化可以大大增 加航空航天飞行器的敏捷性、安全性和可靠性。
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✓ 5、低成本（low cost） 航空航天材料的低成本是一个重 要发展趋势。材料的低成本目标包括原材料、制备加工、监 测评价和维修等全过程。
✓ 6、高环境相容性（high environment compatible） 航空 航天飞行器所用的材料及其制备、加工和回收，必须具有高 度的环境相容性，无污染，易回收。
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理论上可行
虽然已经找到理论支持，但真正研制出“隐身斗篷” 次改变一种波长范围内的可见光的方向，而不能同时改变全部 范围内的可见光。
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隐身材料系列视频
烧蚀防热材料
一种固体防热材料，主要用于导弹头部、航天器返回舱外 表面和火箭发动机内表面。这种材料在热流作用下能发生分解 、熔化、蒸发、升华、侵蚀等物理和化学变化，借材料表面的 质量消耗带走大量的热，以达到阻止载入大气层时的热流传入 飞行器内部并冷却火箭发动机燃烧室和喷管的目的。
光电子元器件材料 航天功能材料 信息传输、存储、显示元器件材料
传感器敏感元件材料
隐身和智能结构材料
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二、航空航天材料的要求
➢ 1）高的比强度和比刚度 ➢ 2）优良的耐高低温性能 ➢ 3）耐老化和耐腐蚀 ➢ 4）适应空间环境
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三、航空航天材料的发展方向
隐身材料是实现武器隐身的物质基础。武器装备如飞机、 舰船、导弹等使用隐身材料后，可大大减小自身的信号特征， 提高生存能力。
隐身材料按频谱可分为声、雷达、红外、可见光、激光隐 身材料，按材料用途可分为隐身涂层材料和隐身结构材料。
声隐身材料包括消声材料，隔声材料，吸声材料及消声、隔 声、吸声的复合体。
国外隐身技术与材料的研究始于第二次世界大战期间，起 源在德国，发展在美国并扩展到英、法、俄罗斯等先进国家。 目前，美国在隐身技术和材料研究方面处于领先水平。在航空 领域，许多国家都已成功地将隐身技术应用于飞机的隐身；在 常规兵器方面，美国对坦克、导弹的隐身也已开展了不少工作 ，并陆续用于装备。
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✓ 7、材料的计算设计和模拟仿真（numeration design and simulation of materials） 航空航天技术日新月异地发展，飞 行器关键零部件的工况和环境条件更加苛刻，为适应材料科 学的创新，发展了材料的计算设计和数值模拟技术。
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隐身材料
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烧蚀材料的分类
烧蚀材料按基体材料分为： 树脂基烧蚀防热材料：酚醛树脂 弹性体基烧蚀防热材料：各种橡胶及其共混物
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烧蚀材料按烧蚀机理分为升华型、熔化型和碳化 型三类。
聚四氟乙烯(泰氟隆)、石墨、碳-碳复合材料属于升华型烧 蚀材料。其中的碳-碳复合材料是用碳（石墨）纤维或织物为增 强材料，用沉积碳或浸渍碳为基体制成的复合材料。碳在高温 下升华，吸收热量，而且碳还是一种辐射系数较高的材料，因 而有很好的抗烧蚀性能。
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烧蚀材料按密度分为高密度和低密度两种。 高密度烧蚀材料的密度一般大于1.0克／厘米3。各种纤维 增强塑料、碳 -碳复合材料和石墨都属于高密度烧蚀材料。 低密度烧蚀材料是指以轻质填料作为填充剂、以纤维作增强 材料和以酚醛树脂、环氧树脂或硅橡胶作基体的复合材料。这 类材料的密度一般可以根据使用要求进行调整，变化范围在0.2 ～0.9克/厘米3之间。将低密度烧蚀材料作填充剂，填充在玻璃 钢蜂窝内形成复合结构，能够改进碳层的性能。
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飞船返回时怎样“退烧”？
飞船返回再入大气层进入距地面80公里至40公里的稠密大气层时， 返回舱表面温度将高达上千摄氏度。专家介绍，为飞船“退烧”的 措施主要有3种：
“冰块式退烧”———吸热。吸热是采用导热性能好、熔点高 和热容量大的钛合金等金属材料，吸收大量气动热量。 这种方法防 热能力有限，只适用于加热量很小的部分。
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石英和玻璃类材料属于熔化型烧蚀材料，它的主要成分是二 氧化硅，例如高硅氧玻璃内含二氧化硅96％～99％。二氧化 硅在高温下有很高的粘度,熔融的液态膜具有抵抗高速气流冲 刷的能力，并能在吸收气动热后熔化和蒸发。
纤维增强酚醛塑料属于碳化型烧蚀材料。它是以纤维或布为增 强材料，以浸渍酚醛树脂为基体制成的复合材料。选用酚醛树 脂作基体是因为它具有抗烧蚀、碳层强度高、碳含量高和工艺 性能好等优点。
✓ 1、高性能（轻质、高强、高模、高韧、耐高温、耐低温 、 抗氧化、耐腐蚀）
✓ 2、高功能及多功能（high function and multi-function） 如飞机的雷达火控设备和隐身结构、火箭导弹的制导和测控 等。
✓ 3、复合化（combination） 复合材料可以明显减轻结构 重量和提高结构效率。国外卫星、战略导弹及固体火箭发动 机的关键结构材料几乎已经复合材料化。
➢航空航天飞行器所用材料按材料的化学成分不同可分为 金属与合金材料、有机非金属材料、无机非金属材料和复 合材料。按其使用功能分为结构材料和功能材料两大类。
飞机机体材料(aeroframe materials)
航空结构材料
发动机材料(aeroengine materials)
航
空
材
主要为机载设备材料，其关键
料
材料主要是各种微电子、光电
航空功能材料 子、传感器等光、声、电、磁
、热的高功能及多功能材料。
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火箭及导弹材料（rocket and
航天结构材料 missile materials）
航天飞行器材料（space vehicle
materials）
航
天
微电子元器件材料
材 料
航天器是指在空间飞行的飞行器，如人造地球卫星、 载人飞船、空间探测器、航天飞机等。它们在运载火 箭的推动下获得必要的速度进入太空，然后在引力作 用下完成轨道运动。
火箭是以火箭发动机为动力的飞行器，可以在大气层 内，也可以在大气层外飞行。 导弹是装有战斗部的可控制的火箭，有主要在大气层 外飞行的弹道导弹和装有翼面在大气层内飞行的地空 导弹、巡航导弹等。
“酒精式退烧”———像发烧时擦酒精一样，用辐射散热的方 法将热量散去。用具有辐射性能的钛合金及陶瓷等复合材料，将热 量辐射散发出去。这种方法只适用于最大热流不超过每平方米100 卡的情况。
“釜底抽薪式退烧”———烧蚀。就是用一些高分子材料做飞 船的蒙皮，有意识地让它在高温加热时烧掉，将热量带走，从而达 到保存主要结构的目的。如玻璃钢。烧蚀防热是广泛用于载人飞船 再入大气层时降温的一种方法，目前，随着技术的发展，烧蚀材料 的种类很多。
第8章 航空航天材料
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背景：航天方面 航天飞机
神州号
杨利伟（神五）
聂海胜、费俊龙（神六）
神七航天员出舱 （翟志刚 、刘伯明、景海鹏 ）
2008年9月28日，神七航天员出舱
背景：航空方面 每秒3.2公里，10倍音速
一、航空航天材料的种类
➢航空 指飞行器在地球大气层的航行活动。 ➢航天 指飞行器在大气层外宇宙空间的航行活动。
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飞行器(flight vehicle)是指在大气层内或大气 层外空间（太空）飞行的器械。
飞行器
我国自行研制的神舟六号飞行器
飞行器分为3类：航空器、航天器、火箭和导弹。
航空器是指在大气层内飞行的飞行器，如气球、滑翔 机、飞艇、飞机、直升机等。它们靠空气的静浮力或 空气相对运动产生的空气动力升空飞行。