1、航空航天材料航空航天材料 一、定义一、定义二、服役环境二、服役环境三、要求三、要求四、航天材料四、航天材料五、发展方向五、发展方向六、结语六、结语 （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 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（3）航天功能材料）航天功能材料航天：航天：飞行器在地球飞行器在地球3050km以外以外大气层大气层 的航行活动的航行活动 例如：例如：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：航空：飞行器在地球飞行器在地球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
2、对流层和平流层) 例如：例如：飞机、飞艇、热气球、导弹等飞机、飞艇、热气球、导弹等 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。返回舱是载人飞船的核心部分。飞船在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
3、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低温和高低温交变环境，是防热结构的环境，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、超低温、高真空、高应力、强腐蚀、射线辐照、原子超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀、射线辐照、原子氧、粒子云、陨石。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
4、设计选材时的决定因素：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、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。可维修性。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要求表现：要求表现：1.1.蒙皮的最高温度可达蒙皮的最高温度可达10001000以上以上蒙皮：蒙于机蒙皮：蒙于机体或翼面骨架体或翼面骨架外面构成所需外面构成所需气动外形的板气动外形的板件。件。 要求表现：要求表现：2.2.发动机的工
5、作温度则高达发动机的工作温度则高达20002000。发动机（发动机（Engine）是一种能够把其是一种能够把其它形式的能转化它形式的能转化为机械能的机器，为机械能的机器，包括如内燃机包括如内燃机（汽油发动机（汽油发动机等）、外燃机等）、外燃机（斯特林发动机、（斯特林发动机、蒸汽机等）、电蒸汽机等）、电动机等。动机等。 要求表现：要求表现：3.轻质高强轻质高强可用可用比强度比强度的概念来的概念来衡量衡量:克克计较各种材料比强度及其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物、陶瓷、碳/碳及各种复合
6、材料正在加速发展要求表现：要求表现：4.航空航天材料的耐航空航天材料的耐温性温性对发动机的要求：对发动机的要求：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1800
7、Ir1800Ir基合金基合金; ; 耐温耐温13711371隔热涂层等。隔热涂层等。对设计和性能的要求：对设计和性能的要求： 当代飞机设计已经进入当代飞机设计已经进入损伤容限设计损伤容限设计时代，对产品的时代，对产品的可靠性和耐久性可靠性和耐久性提出了很高的要求，军机如此，民机提出了很高的要求，军机如此，民机尤甚。尤甚。 例如：例如：（1 1）美国美国F15F15飞机设计寿命为飞机设计寿命为4000h4000h，而对新一代歼击机而对新一代歼击机的定寿指标为的定寿指标为8000h8000h。（2 2）民航机无裂纹寿命要求）民航机无裂纹寿命要求30000h30000h，经济寿命要求在经济寿命要求在
8、60000h60000h以上，故障要求低于以上，故障要求低于1010-9-9。（3 3）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，就飞机而言，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、近距格斗和全天候军用飞机要求提高机动性、近距格斗和全天候作战的能力作战的能力; ;民用飞机则要求安全性、可靠性、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寿命的发动
9、机以及先进的火控电子设备和仪表系统；系统； 所以对航空材料的主要要求是所以对航空材料的主要要求是耐高温、高比强、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. 成本和价格高成本和价格高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
10、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
11、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；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
12、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
13、材料铝合金铝合金结构钢结构钢F1419692413917F151972272366F18197813124917F11719832510205F2219894124115B7471969418113B77719947117011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
14、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
15、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、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
16、、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、
17、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
18、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：占合金：占B777B777机体结构重量的机体结构重量的70702、钛合金：、钛合金：、 、铸造、粉末铸造、粉末 Ti-6Al-4VTi-6Al-4V（TC-
19、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：
20、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；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
21、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 在现代材料科学与技术的发展历程中，航在现代材料科学与技术的发展历程中
22、，航空材料一直扮演着先导和基础作用，机体空材料一直扮演着先导和基础作用，机体材料的进步不仅推动飞行器本身的发展，材料的进步不仅推动飞行器本身的发展，而且带动了地面交通工具及空间飞行器的而且带动了地面交通工具及空间飞行器的进步，发动机材料的发展则推动着动力产进步，发动机材料的发展则推动着动力产业和能源行业的推陈出新。业和能源行业的推陈出新。结结 语语 “ “一代材料，一代飞行器一代材料，一代飞行器”是航空工业发是航空工业发展的生动写照，也是航空材料带动相关领展的生动写照，也是航空材料带动相关领域发展的真实描述。可以说，航空材料反域发展的真实描述。可以说，航空材料反映结构材料发展的前沿，航空材料代表了映结构材料发展的前沿，航空材料代表了一个国家结构材料技术的最高水平一个国家结构材料技术的最高水平 。Thank you !
