[科普] 航空材料二三事兒

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航空材料發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

① 來自工業(yè)裝備的快速發(fā)展,；目前產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法止步于設(shè)計(jì)選材,，未來航空產(chǎn)品創(chuàng)新與協(xié)同設(shè)計(jì)，期望材料本身將納入產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程,。
② 航空全壽命數(shù)字化體系建設(shè)需要,；材料與工程數(shù)字化是航空裝備壽命數(shù)字化應(yīng)用的短板與瓶頸，通過建立航空工業(yè)材料與制造過程數(shù)字化系統(tǒng),，以期支撐性能仿真,，設(shè)計(jì)選材，全流程制造,，虛擬裝配,，故障預(yù)測，壽命預(yù)測,。
③ 工藝組織性能關(guān)系更復(fù)雜,；從材料的成分設(shè)計(jì)開始，材料的化學(xué)成分,，組織結(jié)構(gòu),，性能特質(zhì)到成型工藝，加工工藝,，最后成品,，其關(guān)系越發(fā)負(fù)責(zé)與耦合，相互之間互相影響,。

! L( y+ V. k2 w7 j8 \$ c! }影響航空航天材料的發(fā)展的三個關(guān)鍵的影響因素：

①材料科學(xué)理論的新發(fā)現(xiàn)：例如,，鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化理論導(dǎo)致硬鋁合金的發(fā)展；高分子材料剛性分子鏈的定向排列理論導(dǎo)致高強(qiáng)度,、高模量芳綸有機(jī)纖維的發(fā)展,。
- Z& H( E7 Z% o9 E5 F  y4 {$ i②材料加工工藝的進(jìn)展：例如，古老的鑄,、鍛技術(shù)已發(fā)展成為定向凝固技術(shù),、精密鍛壓技術(shù),，從而使高性能的葉片材料得到實(shí)際應(yīng)用；復(fù)合材料增強(qiáng)纖維鋪層設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的發(fā)展,，使它在不同的受力方向上具有最優(yōu)特性,，從而使復(fù)合材料具有“可設(shè)計(jì)性”，并為它的應(yīng)用開拓了廣闊的前景,；熱等靜壓技術(shù),、超細(xì)粉末制造技術(shù)等新型工藝技術(shù)的成就創(chuàng)造出具有嶄新性能的一代新型航空航天材料和制件，如熱等靜壓的粉末冶金渦輪盤,、高效能陶瓷制件等,。
& [# B6 e. n& d& z( l% @③材料性能測試與無損檢測技術(shù)的進(jìn)步：現(xiàn)代電子光學(xué)儀器已經(jīng)可以觀察到材料的分子結(jié)構(gòu)；材料機(jī)械性能的測試裝置已經(jīng)可以模擬飛行器的載荷譜,，而且無損檢測技術(shù)也有了飛速的進(jìn)步,。

1 R/ u$ O# d; P, o& \' o; [航空航天材料的服役環(huán)境：
超高溫、超低溫,、高真空,、高應(yīng)力、強(qiáng)腐蝕等極端條件,；有的則受到重量和容納空間的限制,，需要以最小的體積和質(zhì)量發(fā)揮在通常情況下等效的功能；有的需要在大氣層中或外層空間長期運(yùn)行,，不可能停機(jī)檢查或更換零件,，因而要有極高的可靠性和質(zhì)量保證。不同的工作環(huán)境要求航空航天材料具有不同的特性,。

航空航天材料的基本特性
高的比強(qiáng)度和比剛度,。材質(zhì)輕、強(qiáng)度高,、剛度好,。減輕飛行器本身的結(jié)構(gòu)重量就意味著增加運(yùn)載能力，提高機(jī)動性能,，加大飛行距離或射程,，減少燃油或推進(jìn)劑的消耗。所使用的高溫材料要具有良好的高溫持久強(qiáng)度,、蠕變強(qiáng)度,、熱疲勞強(qiáng)度，在空氣和腐蝕介質(zhì)中要有高的抗氧化性能和抗熱腐蝕性能,，并應(yīng)具有在高溫下長期工作的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,；耐腐蝕性能、抗老化性能,、抗霉菌性能是航空航天材料應(yīng)該具備的良好特性,。

各種介質(zhì)和大氣環(huán)境對材料的作用表現(xiàn)
腐蝕和老化,。航空航天材料接觸的介質(zhì)是飛機(jī)用燃料(如汽油、煤油),、火箭用推進(jìn)劑（如濃硝酸,、四氧化二氮、肼類）和各種潤滑劑,、液壓油等,。其中多數(shù)對金屬和非金屬材料都有強(qiáng)烈的腐蝕作用或溶脹作用,。在大氣中受太陽的輻照,、風(fēng)雨的侵蝕、地下潮濕環(huán)境中長期貯存時(shí)產(chǎn)生的霉菌會加速高分子材料的老化過程,。耐腐蝕性能,、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料應(yīng)該具備的良好特性,。
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空間環(huán)境對材料的作用主要表現(xiàn)
7 z8 G- M1 o* d7 L1 k空間環(huán)境對材料的作用主要表現(xiàn)為高真空(1.33×10帕)和宇宙射線輻照的影響,。金屬材料在高真空下互相接觸時(shí)，由于表面被高真空環(huán)境所凈化而加速了分子擴(kuò)散過程,，出現(xiàn)“冷焊”現(xiàn)象,；非金屬材料在高真空和宇宙射線輻照下會加速揮發(fā)和老化，有時(shí)這種現(xiàn)象會使光學(xué)鏡頭因揮發(fā)物沉積而被污染,，密封結(jié)構(gòu)因老化而失效,。航天材料一般是通過地面模擬試驗(yàn)來選擇和發(fā)展的，以求適應(yīng)于空間環(huán)境,。
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! a  J. I. K0 ?+ U部分航空航天材料的設(shè)計(jì)原則
為了減輕飛行器的結(jié)構(gòu)重量,，選取盡可能小的安全余量而達(dá)到絕對可靠的安全壽命，被認(rèn)為是飛行器設(shè)計(jì)的奮斗目標(biāo),。對于導(dǎo)彈或運(yùn)載火箭等短時(shí)間一次使用的飛行器,，人們力求把材料性能發(fā)揮到極限程度。為了充分利用材料強(qiáng)度并保證安全,，對于金屬材料已經(jīng)使用“損傷容限設(shè)計(jì)原則”,。這就要求材料不但具有高的比強(qiáng)度，而且還要有高的斷裂韌性,。在模擬使用的條件下測定出材料的裂紋起始壽命和裂紋的擴(kuò)展速率等數(shù)據(jù),，并計(jì)算出允許的裂紋長度和相應(yīng)的壽命，以此作為設(shè)計(jì),、生產(chǎn)和使用的重要依據(jù),。對于有機(jī)非金屬材料則要求進(jìn)行自然老化和人工加速老化試驗(yàn)，確定其壽命的保險(xiǎn)期,。復(fù)合材料的破損模式,、壽命和安全也是一項(xiàng)重要的研究課題,。

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