航空航天材料课件.ppt

1、航空航天材料航空航天材料北航材料学院北航材料学院 2011航空航天的简单定义航空航天的简单定义航天：飞行器在地球航天：飞行器在地球3050km以外以外大气层大气层 的航行活动的航行活动 火箭、卫星、飞船、空间站、航天飞机火箭、卫星、飞船、空间站、航天飞机航空：飞行器在地球航空：飞行器在地球50km以内以内大气层的航大气层的航 行活动行活动(对流层和平流层对流层和平流层)飞机、飞艇、热气球、导弹等飞机、飞艇、热气球、导弹等世界航空航天发展大事记世界航空航天发展大事记 1903年年12月月17日，第一架飞机，美国莱特兄弟；日，第一架飞机，美国莱特兄弟；1957年年10月月04日，第一颗人造卫星，苏

2、联；日，第一颗人造卫星，苏联；1961年年04月月12日，第一艘载人飞船，苏联日，第一艘载人飞船，苏联“联盟号联盟号”；1969年年07月月16日，第一次登月，美国日，第一次登月，美国“阿波罗阿波罗11”号飞船号飞船 1971年年04月月19日，第一艘空间站，苏联日，第一艘空间站，苏联“礼炮礼炮1号号”1981年年04月月12日，第一架航天飞机，美国日，第一架航天飞机，美国“哥伦比亚号哥伦比亚号”2004年年01月月04日，第一次火星着陆，美国日，第一次火星着陆，美国“勇气号勇气号”2011年，年，“发现者发现者”号航天飞机退役，昂贵，不能飞到火星号航天飞机退役，昂贵，不能飞到火星 2015年

3、，美国航天局计划访问太阳年，美国航天局计划访问太阳 20XX年，航天飞机的潜在替代者中，最引人注目的是美国空年，航天飞机的潜在替代者中，最引人注目的是美国空军的军的X-37计划计划 中国航空航天发展大事记中国航空航天发展大事记 1909年年9月月21日，冯如在奥克兰试飞第一架日，冯如在奥克兰试飞第一架 1912年年8月月25日，冯如在广州燕塘飞行表演中不幸失事牺牲，日，冯如在广州燕塘飞行表演中不幸失事牺牲，被尊为被尊为“中国首创飞行大家中国首创飞行大家”。1954年年7月，第一架飞机，活塞式初级教练机月，第一架飞机，活塞式初级教练机 1970年年4月月24日，第一颗人造卫星，东方红一号日，第一

4、颗人造卫星，东方红一号 2003年年10月月15日，第一艘载人飞船，神州五号日，第一艘载人飞船，神州五号 2005年年10月，载人飞船，神州六号，两位宇航员月，载人飞船，神州六号，两位宇航员 2008年年9月月25日日21时时10分，载人飞船，神州七号，三位宇航员，分，载人飞船，神州七号，三位宇航员，太空行走，太空行走，2008年绕月卫星嫦娥一号年绕月卫星嫦娥一号;2012 年探月软着陆年探月软着陆 2011年年9月月29日，天宫一号空间站升空。日，天宫一号空间站升空。20XX年年X月月X日，第一次火星着陆，多种航天计划日，第一次火星着陆，多种航天计划（载人登月）（载人登月）中国航空航天发展大

5、事记中国航空航天发展大事记天宫一号（天宫一号（Tiangong-1）是）是中国第一个中国第一个目标飞行器目标飞行器，于，于2011年年9月月29日日21时时16分分3秒秒在在酒泉卫星发射中心酒泉卫星发射中心发射，飞发射，飞行器全长行器全长10.4米，最大直径米，最大直径3.35米，由实验舱和资源舱构米，由实验舱和资源舱构成。成。它的发射标志着它的发射标志着中国中国迈入中迈入中国航天国航天“三步走三步走”战略的第二战略的第二步第二阶段。步第二阶段。按照计划，按照计划，神舟八号神舟八号、神舟神舟九号九号、神舟十号神舟十号飞船将在两年飞船将在两年内依次与天宫一号完成无人或内依次与天宫一号完成无人或有

6、人交会对接任务，并建立中有人交会对接任务，并建立中国首个国首个空间实验室空间实验室。天宫一号（左）和神八对接模拟图航空器的发展对材料的要求航空器的发展对材料的要求蒙皮的最高温度可达蒙皮的最高温度可达10001000以上以上航空器的发展对材料的要求航空器的发展对材料的要求发动机的工作温度则高达发动机的工作温度则高达20002000。航空器的发展对材料的要求航空器的发展对材料的要求轻质高强可用比强度的概念来衡量轻质高强可用比强度的概念来衡量:克克计较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各种材料比强度及其与飞行器马赫数的关系如下图所示为了满足高工作温度的要求，新型材料如金属间化合

7、物、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、碳陶瓷、碳/碳及各种复合材料正在加速发展碳及各种复合材料正在加速发展航空器的发展对材料的要求航空器的发展对材料的要求航空航天航空航天材料的耐材料的耐温性温性TitaniumNickelSteelAluminiumComposites航空器的发展对材料的要求航空器的发展对材料的要求未来先进航空发动机求未来先进航空发动机求先进航空发动机的推重比达到先进航空发动机的推重比达到121215 5，涡轮前燃气温度将达到，涡轮前燃气温度将达到180018002100 2100，这就需要研究发展更新一代的高温材料，例如耐这就需要研究发展更新一代的高温

8、材料，例如耐816 TiAl816 TiAl金属基复合材料；金属基复合材料；耐温耐温10931093金属间化合物；耐金属间化合物；耐1200-1400C1200-1400C的的Nb-SiNb-Si合金合金;耐耐1538 1538 陶瓷材料陶瓷材料；耐；耐1800Ir1800Ir基合金基合金;耐温耐温13711371隔热涂层等。隔热涂层等。航空器发展的设计和性能要求航空器发展的设计和性能要求 当代飞机设计已经进入损伤容限设计时代，对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。如美国机如此，民机尤甚。如美

9、国F15F15飞机设计寿命飞机设计寿命为为4000h4000h，而对新一代歼击机的定寿指标为，而对新一代歼击机的定寿指标为8000h8000h。民航机无裂纹寿命要求。民航机无裂纹寿命要求30000h30000h，经济，经济寿命要求在寿命要求在60000h60000h以上，故障要求低于以上，故障要求低于1010-9-9。我国大运：我国大运：300003000060000h60000h，大客更长，大客更长航空器发展对材料的要求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、近距格斗和全言，军用飞机要求提高机动性、近距格

10、斗和全天候作战的能力天候作战的能力;民用飞机则要求安全性、可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；和仪表系统；所以对航空材料的主要要求是耐高温、高比强、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。抗疲劳、耐腐蚀、长寿命和低成本。航天器发展对材料的要求航天器发展对材料的要求航天器，包括：火箭、卫星、飞船、航航天器，包括：火箭、卫星、飞船、航天飞机和空间站。天飞机和空间站。与飞机工作条件显著不同，这里讲的火与飞机

11、工作条件显著不同，这里讲的火箭是指发射卫星、飞船、航天飞机到指箭是指发射卫星、飞船、航天飞机到指定空间轨道的运载工具。定空间轨道的运载工具。航天飞机航天飞机返回舱返回舱航天器的特殊使役环境航天器的特殊使役环境飞船是发展载人航天技术的先导工具，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。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太阳的直接照射和地

12、球对太阳的反射辐照以及地球的红外辐射，环境温度约为照以及地球的红外辐射，环境温度约为901251 。温度交变周期为温度交变周期为95min左右。轨道飞行的左右。轨道飞行的低温和高低温交变环境，是防热结构的低温和高低温交变环境，是防热结构的重要考虑因素。重要考虑因素。轨道的其它环境：高能粒子辐射、太阳轨道的其它环境：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紫外辐射和微陨石撞击等对防热材料的影响也不可忽视。影响也不可忽视。航天器的特殊使役环境航天器的特殊使役环境航天器的特殊使役环境航天器的特殊使役环境 返回舱在返回舱在100km左右高度再入大气层速左右高度再入大气层速度约为度约为770

13、0ms、经历气动加热和气动、经历气动加热和气动力环境，返回舱各部位的热流大小，反力环境，返回舱各部位的热流大小，反映舱体表面温度的高低，如拐角温度映舱体表面温度的高低，如拐角温度12001800，钝头球面：，钝头球面：10001200 ，侧壁迎风面：，侧壁迎风面：410950 、侧壁背、侧壁背风面：低于风面：低于400。飞船返回舱舱体温度情况飞船返回舱舱体温度情况飞船返回舱回收图飞船返回舱回收图2003年2月1日，灾难再度降临，载有7名宇航员的哥伦比亚号航天飞机在结束了为期16天的太空任务之后，返回地球，着陆前16分钟，该机突然从雷达屏幕消失。整起事故的原因是航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料受损

14、脱落，击中航天飞机左翼前缘，造成机翼烧毁。勇气号火星探测车勇气号火星探测车20040103登陆，设计寿命登陆，设计寿命3个月；个月；2009年年4月停下脚步月停下脚步成为静止平台。目前已经失去联系。成为静止平台。目前已经失去联系。能源材料决定了使用寿命能源材料决定了使用寿命航空航天材料处于极端苛刻的服役环境：航空航天材料处于极端苛刻的服役环境：超高温、超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀、射线辐照、超低温、高真空、高应力、强腐蚀、射线辐照、原子氧、粒子云、陨石。原子氧、粒子云、陨石。设计准则设计准则：静强度设计：静强度设计损伤容限设计损伤容限设计设计选材时的决定因素：设计选材时的决定因素：寿

15、命期成本、比强度、寿命期成本、比强度、疲劳寿命、断裂韧性、储存期及可靠性、可维修疲劳寿命、断裂韧性、储存期及可靠性、可维修性。性。结构材料发展的关键结构材料发展的关键：轻质高强和高温耐蚀：轻质高强和高温耐蚀功能材料发展的关键功能材料发展的关键：高性能，智能化：高性能，智能化航空航天器对材料的要求航空航天器对材料的要求航空航天高技术产业特点航空航天高技术产业特点1.当代科技的高度密集当代科技的高度密集2.高度复杂的系统工程高度复杂的系统工程3.科技发展的先导作用科技发展的先导作用4.军民结合军民结合5.高可靠性和高风险度高可靠性和高风险度6.产品的多样性和小批量产品的多样性和小批量7.成本和价格

16、高成本和价格高航空飞行器使用的材料航空飞行器使用的材料 机体材料机体材料 发动机材料发动机材料 机载设备材料机载设备材料机体材料机体材料 趋势：大量采用高比强度和高比模量的趋势：大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、高模材料轻质、高强、高模材料提高飞机的提高飞机的结构效率，降低飞机结构重量系数。结构效率，降低飞机结构重量系数。J 树脂基复合材料和钛合金用量增加树脂基复合材料和钛合金用量增加L 传统铝合金和钢材的用量减少传统铝合金和钢材的用量减少机体材料机体材料飞机型号飞机型号设计年代设计年代钛合金钛合金复合材料复合材料铝合金铝合金结构钢结构钢F1419692413917F1519722723

17、66F18197813124917F11719832510205F2219894124115B7471969418113B77719947117011飞机结构材料用量对比（结构重量百分数）B787和和A380：复合材料的用量超过：复合材料的用量超过50%发动机材料发动机材料罗罗-罗公司对发动机材料趋势预测罗公司对发动机材料趋势预测推比推比10级发动机特点级发动机特点对材料要求对材料要求重点发展材料技术重点发展材料技术1、主要特征参数：、主要特征参数：压气机出口温度压气机出口温度:635OC 高压涡轮进口温度高压涡轮进口温度:1715OC 加力燃烧室温度加力燃烧室温度:1777OC 压气机总增压

18、比：压气机总增压比：252、寿命要求：、寿命要求：冷端部件：冷端部件：4000h 热端部件：热端部件：2000h3、采用推力矢量喷管、采用推力矢量喷管1、某些部件必须采用轻、某些部件必须采用轻 质超高温材料质超高温材料2、大量采用高温、轻质、大量采用高温、轻质、高比强高比强/高比模材料高比模材料3、需要大量各类钛合金、需要大量各类钛合金4、材料抗氧化能力要求更、材料抗氧化能力要求更 高高5、密封、隔热、润滑、轴、密封、隔热、润滑、轴 承要求更高承要求更高单晶材料；粉末材料；单晶材料；粉末材料；金属基复合材料；高金属基复合材料；高温高分子材料及其复温高分子材料及其复合材料；高温、高强合材料；高温

19、、高强钛合金；金属间化合钛合金；金属间化合物基材料；高温无机物基材料；高温无机材料；高温密封、润材料；高温密封、润滑、隔热材料；超高滑、隔热材料；超高温结构复合材料（陶温结构复合材料（陶瓷、瓷、C/C）及高熔点）及高熔点金属合金；金属合金；高温材料高温材料损伤容限数据测试及损伤容限数据测试及方法研究；无损检测方法研究；无损检测技术。技术。发动机材料发动机材料特点特点对材料要求对材料要求重点发展材料重点发展材料1、超视距攻击能力、超视距攻击能力2、近距格斗能力、近距格斗能力3、精确性高、精确性高4、灵敏反应、灵敏反应5、抗干扰能力强、抗干扰能力强1、缺陷密度极低、缺陷密度极低2、针对不同用途、针

20、对不同用途对其物理性能（光、对其物理性能（光、声、电、磁、热）声、电、磁、热）要求高要求高3、加工、成形、加工、成形、联结、涂覆技术不联结、涂覆技术不能对材料物理性能能对材料物理性能和装备功能产生有和装备功能产生有害影响。害影响。1、高灵敏度红外探测材料、高灵敏度红外探测材料2、高透过率红外头罩材料、高透过率红外头罩材料3、电磁致伸缩陶瓷材料、电磁致伸缩陶瓷材料4、激光倍频材料、激光倍频材料5、高强度激光材料、高强度激光材料6、双脉冲点火发动机舱隔、双脉冲点火发动机舱隔 板材料板材料7、双模制导头罩材料、双模制导头罩材料8、零膨胀微晶玻璃、零膨胀微晶玻璃9、极高反射率镀膜材料及、极高反射率镀膜

21、材料及 技术技术以第四代歼击机及其配套发动机需求为例以第四代歼击机及其配套发动机需求为例机载设备材料机载设备材料（眼、耳、脑、神经、血管等）（眼、耳、脑、神经、血管等）航天材料航天材料1.运载火箭及导弹材料运载火箭及导弹材料2.航天飞行器材料航天飞行器材料3.航天功能材料航天功能材料运载火箭及导弹材料运载火箭及导弹材料应用部位应用部位材料材料技术要求技术要求箭体结构箭体结构1、高强轻质铝合金、高强轻质铝合金2、高性能碳、高性能碳/环氧复合环氧复合3、碳、碳/双马来酰亚胺复合材料双马来酰亚胺复合材料4、碳、碳/聚酰亚胺复合材料聚酰亚胺复合材料实现弹体结构实现弹体结构轻质化，减轻轻质化，减轻结构质

22、量结构质量推进剂推进剂贮箱贮箱1、高强可焊铝锂合金、高强可焊铝锂合金2、高性能碳、高性能碳/环氧复合材料环氧复合材料比常规铝合金比常规铝合金减重减重战略导弹战略导弹弹头弹头1、先进复合材料（如、先进复合材料（如C/C）2、高强轻质铝合金、高强轻质铝合金3、抗辐射、隐身、多功能诱饵、抗辐射、隐身、多功能诱饵 材料材料实现弹头小型实现弹头小型化、轻质化、化、轻质化、高性能、全天高性能、全天候、强突防候、强突防运载火箭及导弹材料运载火箭及导弹材料航天飞行器材料航天飞行器材料大容量卫星和小卫星大容量卫星和小卫星 碳纤维复合材料；碳碳纤维复合材料；碳/环氧复合材料面板铝蜂环氧复合材料面板铝蜂窝夹层结构；

23、高强轻质铝合金。窝夹层结构；高强轻质铝合金。空间站空间站 太阳电池阵柔性材料；高可靠和长寿命密封材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。合金和高强高模碳纤维复合材料。载人飞船和航天飞机载人飞船和航天飞机 高强轻质铝合金；防热材料高强轻质铝合金；防热材料 航天功能材料航天功能材料1.微电子元器件材料微电子元器件材料2.光电子元器件材料光电子元器件材料3.信息材料（传输、存储和显示）信息材料（传输、存储和显示）4.传感器敏感元件材料传感器敏感元件材料5.隐身和智能材料隐身和智能材料 人造

24、卫星上应用的典型功能材料：人造卫星上应用的典型功能材料：光电转换材料；热电材料；传感材料；辐射屏蔽材料光电转换材料；热电材料；传感材料；辐射屏蔽材料主要航空航天材料主要航空航天材料一一轻合金及超高强度钢轻合金及超高强度钢二二高温金属结构材料高温金属结构材料三三先进聚合物基复合材料先进聚合物基复合材料四四先进金属基及无机非金属基复合材料先进金属基及无机非金属基复合材料五五先进功能材料先进功能材料轻合金及超高强度钢轻合金及超高强度钢1、铝合金：民用飞机主体材料；变形、铸造、粉末；、铝合金：民用飞机主体材料；变形、铸造、粉末；AlAl合金：合金：占占B777B777机体结构重量的机体结构重量的707

25、02、钛合金：、钛合金：、铸造、粉末、铸造、粉末 Ti-6Al-4VTi-6Al-4V（TC-4TC-4）：占）：占F22F22机体总重量的机体总重量的36363、镁合金：铸造、变形、快速凝固粉末、镁合金：铸造、变形、快速凝固粉末 Mg-LiMg-Li合金：可以比水轻合金：可以比水轻4、超高强度钢：最低屈服强度大于、超高强度钢：最低屈服强度大于1380MPa；低、中、；低、中、高合金化高合金化 300M300M钢：主要承力件，如飞机起落架钢：主要承力件，如飞机起落架高温金属结构材料高温金属结构材料1、高温钛合金：、高温钛合金：使用温度上限使用温度上限600,如：如：Ti-11002、镍基高温合

26、金、镍基高温合金:强化机制强化机制(Ni3(Al、Ti)/3、金属间化合物、金属间化合物：Al化物、化物、Si化物化物4、难熔金属及其合金、难熔金属及其合金：钼、钽、铌、钨、铼、铱钼、钽、铌、钨、铼、铱先进聚合物基复合材料先进聚合物基复合材料1 1、结构聚合物基复合材料、结构聚合物基复合材料2 2、功能聚合物基复合材料、功能聚合物基复合材料 电磁波（透波、吸波）；电磁波（透波、吸波）；防热烧蚀（树脂基和弹性体基）；防热烧蚀（树脂基和弹性体基）；推进剂；推进剂；多功能。多功能。先进金属基及非金属基复合材料先进金属基及非金属基复合材料1 1、先进金属基复合材料、先进金属基复合材料 W/CuW/Cu

27、；SiCSiCP P/Al/Al2 2、先进金属间化合物基复合材料、先进金属间化合物基复合材料3 3、先进陶瓷基复合材料、先进陶瓷基复合材料4 4、先进、先进C/CC/C复合材料复合材料先进功能材料先进功能材料1.微电子材料微电子材料2.光电子材料光电子材料3.信息材料（传输、存储和显示）信息材料（传输、存储和显示）4.功能陶瓷与敏感材料功能陶瓷与敏感材料5.隐身材料隐身材料6.智能材料智能材料1.高性能高性能2.高功能和多功能高功能和多功能3.复合化复合化4.智能化智能化5.低成本低成本6.高环境相容性高环境相容性7.材料的计算设计和仿真模拟材料的计算设计和仿真模拟发展方向发展方向Thank you!