航天常用结构材料

E弹性模量 （GPa）
43 45 68～72 95～98
95～110 141
100～117 287
165～180 200
140
强度 （MPa） 160(拉伸) 255（拉伸） 390~441
500
热膨胀系数α （10-6/℃）
热导系பைடு நூலகம்（W/m·℃）
∕
80
23
134
21.6
159
17~18
>140
520（拉伸） 470（4J32）
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。
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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
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！ 2
空间结构材料
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：
•优良的耐高低温性能
•轻质、高模量、高强度
•适应空间环境
增强体
阻尼 减振
抗辐射 中子吸收
复合化 赋予金属新性能及功能！
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金属基复合材料
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
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。
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纤维增强树脂基复合材料
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空间结构-常用复合材料
复所合没材有料的特新点性：能连。续高相比的模基量体/比+强增度强值体、。耐不腐同蚀材、料材取料长可补设短计，性协。同作用，产生原本单一材料本身 基体材料
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
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
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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。
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空间结构-常用金属材料
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
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。
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
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航天需求（轻质高强高模量、高尺寸稳定、抗空间射线辐照）
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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
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• 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)
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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。
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常用金属材料
铝合金
镁合金 钢 钛合金 铍及铍合金
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。 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
•高寿命和安全可靠性
材料
镁锂合金LA141 镁MB5
铝LY12CZ 低组分硅铝(15%含量)
ρ密度 （g/cm3）
1.35 1.8 2.8 2.75
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
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固态法：DRA的粉末冶金制备过程
− 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
• 每层的纤维方向相同排列，为单向纤维复合材料。
• 各层纤维方向呈不同角度，通常称为多向纤维复合材料。
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碳纤维多向铺层方式
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颗粒增强金属基复合材料
（典型：铝基SiC）
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固溶 强化
相变 强化
时效
金属
细晶 强化
强化
形变
强化
低膨胀 尺寸稳定
高强 高模
耐磨 耐热