[科普] 航空材料二三事儿

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航空材料发展面临的挑战

① 来自工业装备的快速发展；目前产品设计方法止步于设计选材，未来航空产品创新与协同设计，期望材料本身将纳入产品设计过程。
7 l7 C: x  Z" @, X$ Q& E+ ~② 航空全寿命数字化体系建设需要；材料与工程数字化是航空装备寿命数字化应用的短板与瓶颈，通过建立航空工业材料与制造过程数字化系统，以期支撑性能仿真，设计选材，全流程制造，虚拟装配，故障预测，寿命预测。
③ 工艺组织性能关系更复杂；从材料的成分设计开始，材料的化学成分，组织结构，性能特质到成型工艺，加工工艺，最后成品，其关系越发负责与耦合，相互之间互相影响。
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影响航空航天材料的发展的三个关键的影响因素：

①材料科学理论的新发现：例如，铝合金的时效强化理论导致硬铝合金的发展；高分子材料刚性分子链的定向排列理论导致高强度、高模量芳纶有机纤维的发展。
- d+ Y. m# M7 _7 C' ], l②材料加工工艺的进展：例如，古老的铸、锻技术已发展成为定向凝固技术、精密锻压技术，从而使高性能的叶片材料得到实际应用；复合材料增强纤维铺层设计和工艺技术的发展，使它在不同的受力方向上具有最优特性，从而使复合材料具有“可设计性”，并为它的应用开拓了广阔的前景；热等静压技术、超细粉末制造技术等新型工艺技术的成就创造出具有崭新性能的一代新型航空航天材料和制件，如热等静压的粉末冶金涡轮盘、高效能陶瓷制件等。
③材料性能测试与无损检测技术的进步：现代电子光学仪器已经可以观察到材料的分子结构；材料机械性能的测试装置已经可以模拟飞行器的载荷谱，而且无损检测技术也有了飞速的进步。

9 {( K  h/ x' J1 T* w, ?航空航天材料的服役环境：
超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件；有的则受到重量和容纳空间的限制，需要以最小的体积和质量发挥在通常情况下等效的功能；有的需要在大气层中或外层空间长期运行，不可能停机检查或更换零件，因而要有极高的可靠性和质量保证。不同的工作环境要求航空航天材料具有不同的特性。

( g+ W% N& _- l& W9 }4 H4 I, k5 W航空航天材料的基本特性
+ v: }! m# [; T* a4 H( l" J: T: T6 L. O高的比强度和比刚度。材质轻、强度高、刚度好。减轻飞行器本身的结构重量就意味着增加运载能力，提高机动性能，加大飞行距离或射程，减少燃油或推进剂的消耗。所使用的高温材料要具有良好的高温持久强度、蠕变强度、热疲劳强度，在空气和腐蚀介质中要有高的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，并应具有在高温下长期工作的组织结构稳定性；耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料应该具备的良好特性。

& B4 U8 v3 S/ \* s5 ~) X. V各种介质和大气环境对材料的作用表现
腐蚀和老化。航空航天材料接触的介质是飞机用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推进剂（如浓硝酸、四氧化二氮、肼类）和各种润滑剂、液压油等。其中多数对金属和非金属材料都有强烈的腐蚀作用或溶胀作用。在大气中受太阳的辐照、风雨的侵蚀、地下潮湿环境中长期贮存时产生的霉菌会加速高分子材料的老化过程。耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料应该具备的良好特性。
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空间环境对材料的作用主要表现
  Q1 m# G3 t* I8 O空间环境对材料的作用主要表现为高真空(1.33×10帕)和宇宙射线辐照的影响。金属材料在高真空下互相接触时，由于表面被高真空环境所净化而加速了分子扩散过程，出现“冷焊”现象；非金属材料在高真空和宇宙射线辐照下会加速挥发和老化，有时这种现象会使光学镜头因挥发物沉积而被污染，密封结构因老化而失效。航天材料一般是通过地面模拟试验来选择和发展的，以求适应于空间环境。
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部分航空航天材料的设计原则
为了减轻飞行器的结构重量，选取尽可能小的安全余量而达到绝对可靠的安全寿命，被认为是飞行器设计的奋斗目标。对于导弹或运载火箭等短时间一次使用的飞行器，人们力求把材料性能发挥到极限程度。为了充分利用材料强度并保证安全，对于金属材料已经使用“损伤容限设计原则”。这就要求材料不但具有高的比强度，而且还要有高的断裂韧性。在模拟使用的条件下测定出材料的裂纹起始寿命和裂纹的扩展速率等数据，并计算出允许的裂纹长度和相应的寿命，以此作为设计、生产和使用的重要依据。对于有机非金属材料则要求进行自然老化和人工加速老化试验，确定其寿命的保险期。复合材料的破损模式、寿命和安全也是一项重要的研究课题。

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