航空航天材料要点
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
?大容量卫星和小卫星 碳纤维复合材料；碳 /环氧复合材料面板铝蜂
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
的航行活动
例如：火箭、卫星、飞船、空间站、航天飞机
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 照以及地球的红外辐射，环境温度约为 －90－＋1251 ℃ 。
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
3、需要大量各类钛合金 4、材料抗氧化能力要求更
高 5、密封、隔热、润滑、轴
承要求更高
重点发展材料技术
单晶材料；粉末材料； 金属基复合材料；高 温高分子材料及其复 合材料；高温、高强 钛合金；金属间化合 物基材料；高温无机 材料；高温密封、润 滑、隔热材料；超高 温结构复合材料（陶 瓷、C/C ）及高熔点 金属合金；高温材料 损伤容限数据测试及 方法研究；无损检测 技术。
1
39
17
F15
1972
27
2
36
6
F18
1978
13
12
49
17
F117
1983
25
10
20
5
F22
1989
41
24
11
5
B747
1969
4
1
81
13
B777
1994
7
11
70
11
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
推比10级发动机特点
航空航天高技术产业特点
1. 当代科技的高度密集 2. 高度复杂的系统工程 3. 科技发展的先导作用 4. 军民结合 5. 高可靠性和高风险度 6. 产品的多样性和小批量 7. 成本和价格高
1. 运载火箭及导弹材料 2. 航天飞行器材料 3. 航天功能材料
运载火箭及导弹材料
应用部位
材料
箭体结构
1、高强轻质铝合金 2、高性能碳/环氧复合 3、碳/双马来酰亚胺复合材料 4、碳/聚酰亚胺复合材料
要求表现：
4.航空航天材料的耐 温性
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
对发动机的要求：
先进航空发动机的推重比达到12~15，涡轮前燃气温度将达到1800~2100℃ ， 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1800℃Ir基合金; 耐温1371℃隔热涂层等。
? 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
要求表现：
1.蒙皮的最高温度可达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
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 ）
飞机型号 设计年代 钛合金 复合材料 铝合金 结构钢
F14
1969
24
航空器发展对材料的要求
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
（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
航天：飞行器在地球30~50km 以外大气层
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：30000~60000h，大客更长
推进剂 1、高强可焊铝锂合金 贮箱 2、高性来自百度文库碳/环氧复合材料
1、先进复合材料（如C/C）
战略导弹 2、高强轻质铝合金 弹头 3、抗辐射、隐身、多功能诱饵
材料
技术要求 实现弹体结构 轻质化，减轻 结构质量
比常规铝合金 减重
实现弹头小型 化、轻质化、 高性能、全天 候、强突防
运载火箭及导弹材料
航天飞行器材料
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。
航空航天器对材料的要求
? 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。
1、主要特征参数： 压气机出口温度: 635OC 高压涡轮进口温度: 1715OC 加力燃烧室温度: 1777OC 压气机总增压比：25
2、寿命要求： 冷端部件：4000h 热端部件：2000h
3、采用推力矢量喷管
对材料要求
1、某些部件必须采用轻 质超高温材料
2、大量采用高温、轻质、 高比强/高比模材料
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
的航行活动
例如：火箭、卫星、飞船、空间站、航天飞机
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 照以及地球的红外辐射，环境温度约为 －90－＋1251 ℃ 。
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
3、需要大量各类钛合金 4、材料抗氧化能力要求更
高 5、密封、隔热、润滑、轴
承要求更高
重点发展材料技术
单晶材料；粉末材料； 金属基复合材料；高 温高分子材料及其复 合材料；高温、高强 钛合金；金属间化合 物基材料；高温无机 材料；高温密封、润 滑、隔热材料；超高 温结构复合材料（陶 瓷、C/C ）及高熔点 金属合金；高温材料 损伤容限数据测试及 方法研究；无损检测 技术。
1
39
17
F15
1972
27
2
36
6
F18
1978
13
12
49
17
F117
1983
25
10
20
5
F22
1989
41
24
11
5
B747
1969
4
1
81
13
B777
1994
7
11
70
11
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
推比10级发动机特点
航空航天高技术产业特点
1. 当代科技的高度密集 2. 高度复杂的系统工程 3. 科技发展的先导作用 4. 军民结合 5. 高可靠性和高风险度 6. 产品的多样性和小批量 7. 成本和价格高
1. 运载火箭及导弹材料 2. 航天飞行器材料 3. 航天功能材料
运载火箭及导弹材料
应用部位
材料
箭体结构
1、高强轻质铝合金 2、高性能碳/环氧复合 3、碳/双马来酰亚胺复合材料 4、碳/聚酰亚胺复合材料
要求表现：
4.航空航天材料的耐 温性
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
对发动机的要求：
先进航空发动机的推重比达到12~15，涡轮前燃气温度将达到1800~2100℃ ， 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1800℃Ir基合金; 耐温1371℃隔热涂层等。
? 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
要求表现：
1.蒙皮的最高温度可达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
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 ）
飞机型号 设计年代 钛合金 复合材料 铝合金 结构钢
F14
1969
24
航空器发展对材料的要求
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
（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
航天：飞行器在地球30~50km 以外大气层
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：30000~60000h，大客更长
推进剂 1、高强可焊铝锂合金 贮箱 2、高性来自百度文库碳/环氧复合材料
1、先进复合材料（如C/C）
战略导弹 2、高强轻质铝合金 弹头 3、抗辐射、隐身、多功能诱饵
材料
技术要求 实现弹体结构 轻质化，减轻 结构质量
比常规铝合金 减重
实现弹头小型 化、轻质化、 高性能、全天 候、强突防
运载火箭及导弹材料
航天飞行器材料
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。
航空航天器对材料的要求
? 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。
1、主要特征参数： 压气机出口温度: 635OC 高压涡轮进口温度: 1715OC 加力燃烧室温度: 1777OC 压气机总增压比：25
2、寿命要求： 冷端部件：4000h 热端部件：2000h
3、采用推力矢量喷管
对材料要求
1、某些部件必须采用轻 质超高温材料
2、大量采用高温、轻质、 高比强/高比模材料