航天常用结构材料
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空间结构材料分类
1、空间结构用金属材料 2、纤维增强树脂基复合材料 3、颗粒增强金属基复合材料
4、纤维增强陶瓷基复合材料
5、结构功能材料
航天需求（轻质高强高模量、高尺寸稳定、抗空间射线辐照）
先进航天器对材料要求越来越高:
• • • • 轻量化、高强、高模量 高尺寸稳定、高导热 高耐磨、高阻尼 抗空间辐照
智能材料七 大功能 传感功能 反馈功能 信息识别与 积累功能 响应功能 自诊断能力 自修复能力 自适应能力
超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合 结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺寸上的结构有序设计， 可以突破某些表现自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。
结构功能材料
95～110 141 100～117 287 165～180 200 140
520（拉伸） 470（4J32） 892 243 ∕ 452（拉伸） 1543~2369 （0°拉伸）
14~16 0.5～2.0 8.4 11.3 16 14 0.57
>140 10～15 5～10 216 121 210 35
组织
纤维增强体+ 基体 +纤维/基体界面层 组成的复合体。
纤维
界面 基体
纤维增强陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料战略地位
C/SiC
-180℃
SiC/SiC
350℃
C/SiC
1650℃ 2000℃
C/C
2800℃
长寿命
(数百上千小时) 深空探测器
有限寿命
瞬百度文库寿命
(数十分钟至数小时) (数十秒至数分钟)
航空发动机
常用金属材料
铝合金
特点
铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑 性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性 和抗蚀性。
镁合金
钢 钛合金 铍及铍合金
密度小，相对比强度、比刚度高，具有很好的减重作用。
具有良好的综合力学性能，质量稳定，价格低廉。 密度低，比强度高，耐腐蚀性好，并具有超导、贮氢、 记忆等优点。 比重低，弹性模量高，各向异性小，具有良好的减振效 果。用于结构件，光学件
铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类。
金属基复合材料
液态法：
− 液态金属复合熔炼法， − 液态金属浸渍法 真空压力浸渍、挤压铸造、无压浸渗
固体法：粉末冶金
固态法：DRA的粉末冶金制备过程
液态模锻成型
性能要求： •低膨胀 •高尺寸稳定 •高刚性
纤维增强树脂基复合材料
空间结构-常用复合材料
复合材料特点：连续相的基体+增强体。不同材料取长补短，协同作用，产生原本单一材料本身 所没有的新性能。高比模量/比强度值、耐腐蚀、材料可设计性。 基体材料 − 金属和非金属两大类。 • 金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。 − 非金属基体主要有合成树脂、石墨、橡胶、陶瓷等。 增强材料 − 主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、石棉纤维、碳化硅纤维、晶须、金属丝和硬 质细粒等。 复合材料应用：卫星结构本体、太阳电池阵结构、天线结构、杆及支架结构
压电陶瓷具有把电能转变为机械能的 能力，是高精度、高速驱动器所必须的材 料，已应用在各种跟踪系统、自适应光学 系统、机器人微定位器等。
形状记忆合金在发生塑性变形 后，经过合适的热过程，能够回复 到变形前的形状，这种材料已应用 到航空航天装置中。 美国成功利用记忆合金将月球 天线体积缩小到原来的千分之一。
需求：具有一定刚度与形状保持的绝 缘材料。局部替代卫星多层包覆
防御系统平台表面，对敌方威胁进行实 时监视和预警，提高武器平台抵御破坏 的能力。
需求：卫星隐身材料，激光预警感应材料
• 轻量化光学部件——卫星通信、高能量激光传输和卫星观测反射镜及反 射镜支撑结构。
空间低热膨胀，高稳定性光机构件
克服了树脂材料吸湿和真空放气等缺点
结构功能材料
结构功能材料
智能材料与超材料在空间有着广泛的应用前景
智能材料是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。 智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代 高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术发展，实现结构功能化、功能 多样化。
材料：SiC含量较高
尺寸：壁厚差别大 形状：复杂
+
摩擦磨损性能
复合材料磨损率
对偶磨损率(GR15 steel)
摩擦条件: 油润滑 / 压力: 300N / 滑动速度:30m/min
比铝青铜优异的耐磨性 与陶瓷等耐磨材料相比，对偶 损伤小
理想的耐磨材料
金属基复合材料
在“玉兔号”月球车移动机构上的应用
3D打印(3DP):是一种以数字模型文 件为基础，运用粉末状金属或塑料 等可粘合材料，通过逐层打印的方 式来构造物体的技术。
优势： 可加工高熔点、高硬度材料（高温合金、钛合金 等）,优于传统制造工艺
空间结构-常用金属材料
材料利用率很高，可实现复杂结构零件近似成型。
制造速度快，缩短周期。可直接生产大型复杂构 件。 制造异质材料（如功能梯度材料、复合材料等） 的最佳工艺。能实现单一零件中材料成分的连续 变化。 装备零部件快速修复。
•优良的耐高低温性能
•轻质、高模量、高强度 •适应空间环境
•高寿命和安全可靠性
空间结构-常用金属材料
• 空间常用金属结构材料：铝合金、镁合金、钢、钛合金、铍及铍合金。 • 金属材料的特点：强度高、弹性模量高、稳定性好、加工工艺性能好、材料规格齐全。 • 通常用于本体结构、支撑结构、压力容器、各种连接件和机构零件。
结构材料是宇航制造的 重要物质基础，随着航 天领域的不断发展，对 空间结构材料的要求也 不断提高。 具体要求为：
镁锂合金LA141 镁MB5 铝LY12CZ 低组分硅铝(15%含量)
硼铝复合材料 殷钢 钛合金（ZTC4） 铍 俄铍铝ABM-40-3 美铍铝AlBeMet162 碳纤维
2.77 8.05 4.43 1.85 2.2 2.1 1.56
第16页
纤维增强陶瓷基复合材料
（典型：C-SiC）
纤维增强陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是一种兼有金属材料、陶瓷材料和碳材料性能优点的热结构/ 功能一体化新型材料，克服了传统金属材料密度高,陶瓷材料脆性大和可靠性差、 碳材料抗氧化性差和强度低等缺点，具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗 氧化、抗烧蚀，对裂纹不敏感，不发生灾难性毁损等特点。同时，陶瓷基复合材 料具有优良的超低温性能和抗辐照性能。 陶瓷基复合材料的特性决定了其能够满足航空航天器高速度、高精度、高搭 载和长寿命对于结构材料的需求。 采用化学气相渗透沉积工艺（CVI），可制作各种轻型高强度，低膨胀，耐高 温抗氧化构件。
需求：记忆合金展开，解锁机构
需求：高性能叠层式压电陶瓷(带应变反馈)。
结构功能材料
航空航天器蒙皮中植入能探测激光、
核辐射等多种传感器，形成智能蒙皮，
可用于对敌方威胁进行监视和预警。 美国正在为未来的弹道导弹监视和
预警卫星研究在复合材料蒙皮中植入智
能传感器。这种智能蒙皮将安装在天基 NASA的科学家已经在实 验一种由聚合物所制成的柔性 气凝胶，作为太空飞船在穿过 大气层时的绝缘材料。
固体火箭发动机
遥感卫星
核能电站
燃气电站 刹车制动系统
液体火箭发动机
冲压发动机 空天飞行器热防护系统
覆盖的使用温度宽，应用领域广，军用不可替代、民用市场广阔。
纤维增强陶瓷基复合材料
• CMC材料空间应用主要包括：
• 推进系统——液体火箭和固体火箭发动机，以及卫星动力系统；头锥、 前缘、机身襟翼、舱体结构 • 热防护系统——可重复使用飞行器（空天飞行器超高速飞行器）的长寿 命TPS和热结构构件； • 热端部件——航空与火箭发动机燃烧室内衬、火焰筒、喷口导流叶片、 涡轮导向叶片、涡轮外环及尾喷管相关构件；飞机刹车盘
• 各层纤维方向呈不同角度，通常称为多向纤维复合材料。
碳纤维多向铺层方式
颗粒增强金属基复合材料
（典型：铝基SiC）
低膨胀 尺寸稳定
高强 高模 耐磨 耐热
增强体
固溶 强化
时效 强化 相变 强化
阻尼 减振 抗辐射 中子吸收
金属
形变 强化
细晶 强化
复合化 赋予金属新性能及功能！
金属基复合材料
金属基复合材料的特点：高比强度、高比刚度、良好的高温性能、低热膨胀系数、良好 的尺寸稳定性、优异的导电导热性。 • 铝基复合材料:性能优异/价低/工艺相容性好/用途广 • 镁基复合材料:轻质/比强度高，用于特殊结构件 • 钛基复合材料:轻质/高强/耐高温，发动机部件 • 金属陶瓷(Ni/Fe):硬度/强度高/耐高温，耐磨部件/工模具 其中以非连续增强铝基复合材料(DRA)最为应用广泛 • 高比强度、高比模量。适中的断裂韧性。 • 低热膨胀、高导热。 • 尺寸稳定性好，各向同性 • 耐磨、耐疲劳。
• • • 由上面板、下面板和多孔蜂窝 夹芯组成。 承受轴压、侧压、弯曲时能发 挥较高的材料性能，可阻止结 构失稳， 起结构隔离和隔热作用。
铝蜂窝夹层结构板(卫星结构)
空间结构-常用复合材料
纤维增强树脂基复合材料 − 常用的树脂为环氧树脂和不饱和聚酯树脂。树脂基体以热固性树脂为 主。 − 纤维材料有玻璃纤维，芳纶纤维和碳纤维。 − 主要成型工艺有接触成型、缠绕成型、真空成型及层压和模压成型等。 碳纤维增强树脂基复合材料在空间结构广泛应用，具有如下优点： − 高比强度（抗拉强度与材料表观密度之）和比模量, ，耐疲劳 − 导热、导电性能良好 − 热膨胀系数小。 − 易于整体成型，根据性能要求，设计编织与热固化成型工艺 − 密度小，重量轻，可比常规金属结构减重30%左右。 碳纤维复合材料一般以叠合制成多层板使用，通常有两种复合形式 • 每层的纤维方向相同排列，为单向纤维复合材料。
某些关键结构和机构：
钢、钛：重，导热差 铝合金：刚性差，不耐磨
聚合物复合材料：不耐辐射，老化
先进树脂基、金属基、陶瓷基复合材料！
空间结构材料
材料 ρ密度 （g/cm3） 1.35 1.8 2.8 2.75 E弹性模量 （GPa） 43 45 68～72 95～98 强度 （MPa） 160(拉伸) 255（拉伸） 390~441 500 热膨胀系数α （10-6/℃） ∕ 23 21.6 17~18 热导系数（W/m·℃） 80 134 159 >140
1、空间结构用金属材料 2、纤维增强树脂基复合材料 3、颗粒增强金属基复合材料
4、纤维增强陶瓷基复合材料
5、结构功能材料
航天需求（轻质高强高模量、高尺寸稳定、抗空间射线辐照）
先进航天器对材料要求越来越高:
• • • • 轻量化、高强、高模量 高尺寸稳定、高导热 高耐磨、高阻尼 抗空间辐照
智能材料七 大功能 传感功能 反馈功能 信息识别与 积累功能 响应功能 自诊断能力 自修复能力 自适应能力
超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合 结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺寸上的结构有序设计， 可以突破某些表现自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。
结构功能材料
95～110 141 100～117 287 165～180 200 140
520（拉伸） 470（4J32） 892 243 ∕ 452（拉伸） 1543~2369 （0°拉伸）
14~16 0.5～2.0 8.4 11.3 16 14 0.57
>140 10～15 5～10 216 121 210 35
组织
纤维增强体+ 基体 +纤维/基体界面层 组成的复合体。
纤维
界面 基体
纤维增强陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料战略地位
C/SiC
-180℃
SiC/SiC
350℃
C/SiC
1650℃ 2000℃
C/C
2800℃
长寿命
(数百上千小时) 深空探测器
有限寿命
瞬百度文库寿命
(数十分钟至数小时) (数十秒至数分钟)
航空发动机
常用金属材料
铝合金
特点
铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑 性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性 和抗蚀性。
镁合金
钢 钛合金 铍及铍合金
密度小，相对比强度、比刚度高，具有很好的减重作用。
具有良好的综合力学性能，质量稳定，价格低廉。 密度低，比强度高，耐腐蚀性好，并具有超导、贮氢、 记忆等优点。 比重低，弹性模量高，各向异性小，具有良好的减振效 果。用于结构件，光学件
铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类。
金属基复合材料
液态法：
− 液态金属复合熔炼法， − 液态金属浸渍法 真空压力浸渍、挤压铸造、无压浸渗
固体法：粉末冶金
固态法：DRA的粉末冶金制备过程
液态模锻成型
性能要求： •低膨胀 •高尺寸稳定 •高刚性
纤维增强树脂基复合材料
空间结构-常用复合材料
复合材料特点：连续相的基体+增强体。不同材料取长补短，协同作用，产生原本单一材料本身 所没有的新性能。高比模量/比强度值、耐腐蚀、材料可设计性。 基体材料 − 金属和非金属两大类。 • 金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。 − 非金属基体主要有合成树脂、石墨、橡胶、陶瓷等。 增强材料 − 主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、石棉纤维、碳化硅纤维、晶须、金属丝和硬 质细粒等。 复合材料应用：卫星结构本体、太阳电池阵结构、天线结构、杆及支架结构
压电陶瓷具有把电能转变为机械能的 能力，是高精度、高速驱动器所必须的材 料，已应用在各种跟踪系统、自适应光学 系统、机器人微定位器等。
形状记忆合金在发生塑性变形 后，经过合适的热过程，能够回复 到变形前的形状，这种材料已应用 到航空航天装置中。 美国成功利用记忆合金将月球 天线体积缩小到原来的千分之一。
需求：具有一定刚度与形状保持的绝 缘材料。局部替代卫星多层包覆
防御系统平台表面，对敌方威胁进行实 时监视和预警，提高武器平台抵御破坏 的能力。
需求：卫星隐身材料，激光预警感应材料
• 轻量化光学部件——卫星通信、高能量激光传输和卫星观测反射镜及反 射镜支撑结构。
空间低热膨胀，高稳定性光机构件
克服了树脂材料吸湿和真空放气等缺点
结构功能材料
结构功能材料
智能材料与超材料在空间有着广泛的应用前景
智能材料是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。 智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代 高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术发展，实现结构功能化、功能 多样化。
材料：SiC含量较高
尺寸：壁厚差别大 形状：复杂
+
摩擦磨损性能
复合材料磨损率
对偶磨损率(GR15 steel)
摩擦条件: 油润滑 / 压力: 300N / 滑动速度:30m/min
比铝青铜优异的耐磨性 与陶瓷等耐磨材料相比，对偶 损伤小
理想的耐磨材料
金属基复合材料
在“玉兔号”月球车移动机构上的应用
3D打印(3DP):是一种以数字模型文 件为基础，运用粉末状金属或塑料 等可粘合材料，通过逐层打印的方 式来构造物体的技术。
优势： 可加工高熔点、高硬度材料（高温合金、钛合金 等）,优于传统制造工艺
空间结构-常用金属材料
材料利用率很高，可实现复杂结构零件近似成型。
制造速度快，缩短周期。可直接生产大型复杂构 件。 制造异质材料（如功能梯度材料、复合材料等） 的最佳工艺。能实现单一零件中材料成分的连续 变化。 装备零部件快速修复。
•优良的耐高低温性能
•轻质、高模量、高强度 •适应空间环境
•高寿命和安全可靠性
空间结构-常用金属材料
• 空间常用金属结构材料：铝合金、镁合金、钢、钛合金、铍及铍合金。 • 金属材料的特点：强度高、弹性模量高、稳定性好、加工工艺性能好、材料规格齐全。 • 通常用于本体结构、支撑结构、压力容器、各种连接件和机构零件。
结构材料是宇航制造的 重要物质基础，随着航 天领域的不断发展，对 空间结构材料的要求也 不断提高。 具体要求为：
镁锂合金LA141 镁MB5 铝LY12CZ 低组分硅铝(15%含量)
硼铝复合材料 殷钢 钛合金（ZTC4） 铍 俄铍铝ABM-40-3 美铍铝AlBeMet162 碳纤维
2.77 8.05 4.43 1.85 2.2 2.1 1.56
第16页
纤维增强陶瓷基复合材料
（典型：C-SiC）
纤维增强陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是一种兼有金属材料、陶瓷材料和碳材料性能优点的热结构/ 功能一体化新型材料，克服了传统金属材料密度高,陶瓷材料脆性大和可靠性差、 碳材料抗氧化性差和强度低等缺点，具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗 氧化、抗烧蚀，对裂纹不敏感，不发生灾难性毁损等特点。同时，陶瓷基复合材 料具有优良的超低温性能和抗辐照性能。 陶瓷基复合材料的特性决定了其能够满足航空航天器高速度、高精度、高搭 载和长寿命对于结构材料的需求。 采用化学气相渗透沉积工艺（CVI），可制作各种轻型高强度，低膨胀，耐高 温抗氧化构件。
需求：记忆合金展开，解锁机构
需求：高性能叠层式压电陶瓷(带应变反馈)。
结构功能材料
航空航天器蒙皮中植入能探测激光、
核辐射等多种传感器，形成智能蒙皮，
可用于对敌方威胁进行监视和预警。 美国正在为未来的弹道导弹监视和
预警卫星研究在复合材料蒙皮中植入智
能传感器。这种智能蒙皮将安装在天基 NASA的科学家已经在实 验一种由聚合物所制成的柔性 气凝胶，作为太空飞船在穿过 大气层时的绝缘材料。
固体火箭发动机
遥感卫星
核能电站
燃气电站 刹车制动系统
液体火箭发动机
冲压发动机 空天飞行器热防护系统
覆盖的使用温度宽，应用领域广，军用不可替代、民用市场广阔。
纤维增强陶瓷基复合材料
• CMC材料空间应用主要包括：
• 推进系统——液体火箭和固体火箭发动机，以及卫星动力系统；头锥、 前缘、机身襟翼、舱体结构 • 热防护系统——可重复使用飞行器（空天飞行器超高速飞行器）的长寿 命TPS和热结构构件； • 热端部件——航空与火箭发动机燃烧室内衬、火焰筒、喷口导流叶片、 涡轮导向叶片、涡轮外环及尾喷管相关构件；飞机刹车盘
• 各层纤维方向呈不同角度，通常称为多向纤维复合材料。
碳纤维多向铺层方式
颗粒增强金属基复合材料
（典型：铝基SiC）
低膨胀 尺寸稳定
高强 高模 耐磨 耐热
增强体
固溶 强化
时效 强化 相变 强化
阻尼 减振 抗辐射 中子吸收
金属
形变 强化
细晶 强化
复合化 赋予金属新性能及功能！
金属基复合材料
金属基复合材料的特点：高比强度、高比刚度、良好的高温性能、低热膨胀系数、良好 的尺寸稳定性、优异的导电导热性。 • 铝基复合材料:性能优异/价低/工艺相容性好/用途广 • 镁基复合材料:轻质/比强度高，用于特殊结构件 • 钛基复合材料:轻质/高强/耐高温，发动机部件 • 金属陶瓷(Ni/Fe):硬度/强度高/耐高温，耐磨部件/工模具 其中以非连续增强铝基复合材料(DRA)最为应用广泛 • 高比强度、高比模量。适中的断裂韧性。 • 低热膨胀、高导热。 • 尺寸稳定性好，各向同性 • 耐磨、耐疲劳。
• • • 由上面板、下面板和多孔蜂窝 夹芯组成。 承受轴压、侧压、弯曲时能发 挥较高的材料性能，可阻止结 构失稳， 起结构隔离和隔热作用。
铝蜂窝夹层结构板(卫星结构)
空间结构-常用复合材料
纤维增强树脂基复合材料 − 常用的树脂为环氧树脂和不饱和聚酯树脂。树脂基体以热固性树脂为 主。 − 纤维材料有玻璃纤维，芳纶纤维和碳纤维。 − 主要成型工艺有接触成型、缠绕成型、真空成型及层压和模压成型等。 碳纤维增强树脂基复合材料在空间结构广泛应用，具有如下优点： − 高比强度（抗拉强度与材料表观密度之）和比模量, ，耐疲劳 − 导热、导电性能良好 − 热膨胀系数小。 − 易于整体成型，根据性能要求，设计编织与热固化成型工艺 − 密度小，重量轻，可比常规金属结构减重30%左右。 碳纤维复合材料一般以叠合制成多层板使用，通常有两种复合形式 • 每层的纤维方向相同排列，为单向纤维复合材料。
某些关键结构和机构：
钢、钛：重，导热差 铝合金：刚性差，不耐磨
聚合物复合材料：不耐辐射，老化
先进树脂基、金属基、陶瓷基复合材料！
空间结构材料
材料 ρ密度 （g/cm3） 1.35 1.8 2.8 2.75 E弹性模量 （GPa） 43 45 68～72 95～98 强度 （MPa） 160(拉伸) 255（拉伸） 390~441 500 热膨胀系数α （10-6/℃） ∕ 23 21.6 17~18 热导系数（W/m·℃） 80 134 159 >140