航空航天用结构材料

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1、航空航天用结构材料航空和航天工业的任务就是提供一种运输工具，主要的使用要求与其他运输形式一样，即是以最低的成本运输最多的货物。克服重力，升起有效载荷以便能在空中运输，在设计上必须尽可能做到效率高、重量轻，因此航空和航天工业对材料提出了很高的要求。另外，随飞机类型的不同，如是民用还是军用，是运输机还是战斗机，设计要求和使用材料都有所区别。一般民用飞机寿命为5万-10万小时，军用飞机可能小于6000小时，若是航天飞机，则对材料的耐高温性能有更高的要求。一般飞机是由三大部分组成的，即①有效载荷，指运送的货物和（或）乘客；②运输工具部分，包括壳体结

2、构，控制系统和机组人员；③推进系统，包括动力装置和燃料。增加有效载荷最有效的途径，到目前为止仍是提高动力装置的效率。现在，发动机的重量一般已不到有效载荷的一半。表1为各种飞机各部分重量所占比例，从中可以看到燃料所占比例较大，因此改进燃油效率是一个突出问题。其次就是结构部分所占比例高，所以改善材料性能，减少其用量也是增加有效载荷的重要措施。为此在飞机用材料选择上有二条重要的原则：①飞机上不同零件的选材要采用不同的判据，如对于承载大的机翼，采用强度判据，这样选用高强材料就可以减少重量；而对中等载荷部分，刚度是主要的设计判据；在轻载荷区，零件的尺

3、寸受最小临界尺寸支配。在这些地方阻止由于表面腐蚀变薄的能力就成了重要的考虑因素。②材料的密度是对各部分都起作用的重要因素。据估计，密度降低1/3，在减轻结构重量方面要比强度或刚度提高50%的作用还大，所以在初步估计某一材料是否适于作飞机结构用材时，密度是首先必须考虑的性能指标。表2给出了一些材料的性能数据，从密度的角度考虑，木材是很有竞争力的。木材中的云杉和桦木曾广泛地用于早期动力飞机的框架。在第二次世界大战时也曾有效地把胶合板结构用在deHavilland蚊式飞机上，在当时是能以650公里／时飞行的非常先进的战斗轰炸机。1945年，英国全

4、部飞机产量的17%是木制的。但木材的各向异性、吸湿性、尺寸稳定性差及易受损伤等性质都是用于飞机材料的致命弱点。镁合金也较轻，但由于其耐腐蚀性差这一固有缺点，限制了其应用。图1为L1011三星式飞机用主要材料，从中可以看出铝合金是飞机构件的主要材料，特别是在民用飞机上。这是因为按照比强度考虑，铝合金优于钢，但不如钛合金；而从刚度的角度考虑铝合金则比钢和钛都好。图中7xxx合金为Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，是所有铝合金中强度最高的。2XXX为Al-Cu-Mg系。合金名称后的字母表示基本的热处理方法，或处理状态（F－制成状态，O－退火状态；H

5、-冷加工状态，T－热处理状态）。钛合金首先是作为发动机合金在飞机上使用的，随后在飞机结构上的应用不断扩大。钛合金在飞机框架上的应用主要有两种形式：锻件和薄板。Ti合金锻件可用于襟翼导轨和支架、发动机底座和起落架另件等。在飞机的受热部分如排气罩和隔火板等用Ti合金板。用的最多的钛合金为α＋β双相钛合金Ti-6Al-4V。复合材料由于密度低也被大量地用于航空航天器。复合材料首先是用于制造飞机上受载较轻的另件；第二个应用领域就是调节翼面。图2是美国波音公司在飞机上采用复合材料的情况，早年多用玻璃钢（玻璃纤维增强的聚酯类树脂复合材料）。近年来，更多

6、采用碳－环氧复合材料。已发现的复合材料最成功的应用是在麦克唐纳－道格拉斯先进的AV8B鹞式飞机上，除了前缘、翼梢、吊架、起落附件和中翼肋外，整个机翼全由碳－环氧复合材料制造。飞机减轻重量150kg(图3)。另外,用复合材料制造飞机蒙皮还有隐形效果,可使飞机不易被雷达发现.混合型复合材料有时用在性能要求有局部变化的地方,如在接合部或应力集中区。碳纤维复合材料中添加玻璃纤维可以改善其冲击性能,而玻璃纤维增强塑料中加入碳纤维可以增加其刚度。B1轰炸机的水平安定面主要是石墨纤维复合材料的结构，但在蒙皮中加入硼纤维以进一步增加刚度和强度。尽管复合材料

7、有很多独特的优点，但用做飞机的主要构件材料还有许多问题待进一步研究。对于人造卫星、战略导弹、火箭及航天飞机等宇宙飞行器，重量的减轻更为重要。比如卫星的重量每减轻1kg，运载它的火箭就可以减轻500kg。同时，宇宙飞行器在飞行过程中还要经受超高温和温度剧变等特殊环境和极限条件的考验。碳纤维增强的碳基复合材料，简称c/c复合材料，其耐热性远远优于其他任何高温合金和复合材料，这类材料在2500℃的高温下仍具有相当高的强度和韧性,且密度只有高温合金的1/4。美国国家航空与航天局在航天飞机上采用了一系列复合材料后,可使重量减轻近３吨(图4)。