航空材料技术的进展与发展趋势

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1、航空材料技术的进展与发展趋势作者：中国航空工业发展研究中心陈亚莉益小苏航空材料泛指用于制造航空飞行器的材料。一架军用飞机包括机体、发动机、几载电子和火力控制四大部分，一架民用客机包括机体、发动机、机载电子和机舱四大部分。机体材料和发动机材料是航空材料中最重耍的结构材料，而电子信息材料是航空机载装置中最重要的功能性材料，但它一般不直接算作航空材料。出于航室飞行及其安全性的考虑，航空结构材料的特点是轻质、高强、高可靠。飞行器作白一个整体，还用到少量非结构性材料，如阻尼、减振、降噪、密封材料等。在现代材料科学与技术的发展历程中，航空材料一直

2、扮演着先导和基础作用，几体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。"一代材料，一代飞行器"是航空工业发展的生动写照，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。航空材料的研究与发展1.机体材料机体材料主要包括铝合金、钛合金和树脂基复合材料等，发展重点集中在低成本、高性能的树脂基复合材料技术。图1是欧洲空中客车飞机的主要用材示例，其中最显著的先进材料包括铝合金-玻璃

3、纤维混杂复合材料GLARE，碳纤维复合材料GFRP，芳纶纤维复合材料AFRP，玻璃纤维复合材料GFRP以及韧性环氧树脂、双马来醚亚胺树脂和聚酚亚胺树脂基复合材料等，它们覆盖了航空飞行器机体的主要面积。图1欧洲空中客车飞机的主要用材国际上航空先进树脂基复合材料的主要性能要求是，较高的耐温度使用性、尽可能高的抗损伤容限和尽可能低的湿热环境效应。就民用飞机上用量最大的碳纤维环氧树脂复合材料而言，近年的趋势是发展液态成型纺织复合材料和非热压罐成型技术如电子束辐照交联技术等，即"用得起"的制造技术（AffordableProccessing））

4、。而对更高的温度要求，双马来酚亚胺、特别是可以液态成型的聚酚亚胺树脂基复合材料（如PETI系列）的前景看好。由于制造成本在复合材料构件总成本中所占份额最大，因此低成本成型制造工艺技术是目前发展的重点，主要包括纺织复合材料和树脂传递模塑（RTM或近似的RFI）液态成型技术等。通过编织、经编、针织、机织、缝纫等制造顶成型体，以及液态成型如树脂浸渗（RI）和树脂转移模塑（RTM，使整体制造的成本降低，层间增强，并达到减重目标（图2）。图2各种纺织结构复合材料技术其中，RTM技术在美国军用战斗机F-35垂尾及F/A18-E/F襟翼整流罩上的应

5、用是使用该项技术制造的最大尺寸的零部件，前者长3.6ｍ，重约90ｋｇ。我国在液态成型复合材料技术正在取得进展，图3为北京航空材料研究院制备的中机身液态成型树脂基复合材料剪切梁。图3北京航空材料研究院制备的中机身液态成型树脂基复合材料剪切梁为了进一步迎接先进复合材料更高性能－价格比的挑战，欧洲空中客车公司提出的目标是更多地应用碳纤维复合材料CFRP以减重至30％，从而降低整个飞行成本40％。但是，CFRP技术在减重的同时，制造成本比金属焊接结构高。应用目前空中客车公司已储备的技术水平，可以达到减重15％、降低成本15％的目标；而采用新型

6、金属焊接结构制作机身，减重10％却降低成本20％，可见在发展低成本、高性能复合材料方面还大有潜力。图4是空中客车公司正在研制的全碳纤维复合材料机翼的静力实验。美国也有"高速民航机研究计划"，其中心任务是开发聚醚亚胺复合材料和钛／石墨纤维混杂复合材料等。图4空中客车公司正在研制的全碳纤维复合材料机翼的静力实验各国都非常重视扩展先进复合材料应用的技术平台建设。目前，美国正在执行"汽车复合材料技术向航空转移计划"和"复合材料用得起计划"。2.发动机材料目前最先进的军用航空发动机主要材料有钛合金、高温合金以及各类高温和超高温复合材料等。在21

7、世纪前10年的叶片材料中，单晶叶片材料仍占主导地位。叶片材料经历了铸造合金、定向凝固合金和单晶合金的发展历程，国外现役发动机叶片材料主要采用第二代和第三代单晶合金。这些单晶合金由于富铼易产生脆性相，近年来研究加入钌或铱以减少脆性倾向，开发出第四代单晶。叶片技术发展的趋势是将结构一材料－工艺统一考虑，即开发lamiloy技术，采用铸造及激光打孔工艺直按制造发散冷却孔道。除提高叶片材料的耐温等级外，将金属间化合物与韧性金属组成的微叠层复合材料作为叶片的"热障涂层"受到重视。该技术依靠耐高温金属间化合物提供高温强度和蠕变抗力，利用高温金属作

8、韧化元素，从而很好地克服了金属间化合物的脆性。目前采用真空热压箔、物理气相沉积、铸造和固态反应等方法已研制出几种微米层次的微叠层复合材料，包括Nb-Cr2Nb、NB-Nb5Si3以及Nb-MoSi2等。微叠层纳米热障涂层