材料与航空器发展

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1、材料与航空器发展----材料与航空发动机发展材化院材料科学・丁程2012级5班姜志鹏201202040514一、综述190312刀17H,美国的莱特兄弟首次把有动力、可操作和对持续飞行的飞机送上天空，揭开了了人类航空事业的新纪元。在之示的百余年间飞机作为一种极其重要的交通工具、也是现代战争屮不可替代的重要常规武器、同时乂在工农林牧渔等国民经济建设的各行各业中有着广泛的应用。历史证明航空工业的发展，始终离不开航空材料的发展，因为航空材料与与航空技术的关系极为密切，可以说航空材料是航空工业的主要基础Z—。一架先进的飞机的设计方案，必须有相适应的材料，才能付诸实现。特别是发动

2、机如果没有性能优异的材料就不可能制造出高性能的发动机。二、飞机发展少材料进步一百多年來，材料与飞机一直相互推动不断发展，在此先以飞机的结构材料为例。其发展经历了四个阶段发展，目前已进入第五阶段：第一•阶段（1903-1919）：木、布结构。早期E机结构很简单，所用的主要材料主要是木材、蒙布、金属丝、钢索等，以后冇发展为木材与金属的混合结构。（如1903年的飞行者一号）笫二阶段（1920-1949）：铝、钢结构。到20世纪三四十年代，镁合金开始进入航空材料行列,不锈钢则是到20世纪四五十年代。（如1935年的Me-109）第三阶段（1950~1969）：铝、钛、钢结构。到

3、20世纪五十年代屮期钛合金开始被选作航空结构材料，后被用于飞机的高温部位。在20世纪六十年年代末期，树脂复合材料成为了航空结构材料，后来在碳、硼纤维树脂基复合材料的基础上又出现了金属基复合材料。（如F-100F）第四阶段（1970-21纪初）：铝、钛、钢、复合结构材料（以铝为主）。现代飞机人量采用新型材料。如FJ4（美国,1970年）的机体结构屮有25%的钛合金、25%的钢、36%的复合材料，而F-22（美国，1989年）的飞机结构材料中钛合金的使用量达到了41%,复合材料达到了24%o笫五阶段（21世纪初至今）：复合材料、铝、钛、钢结构（以复合材料为主）。由于复合材料

4、的比强度、比模量和性能的可设计性，未來先进飞机的结构材料必将以复合材料为主,而金属铝、钢结构将进一步减少。三、飞机发动机的发展少材料发动机是飞机的动力源，和当于飞机的心脏，它的性能对飞机的发展有着重要的影响。而在人们对飞机气动布局设计H益成熟的今犬，飞机发动机的性能对飞机性能的影响更加凸显，在有些机型的研发屮飞机发动机的性能成为了限制飞机性能提离的主要因素。自从1883年第一台汽油内燃机即活塞式发动机开始，飞机的发动机便一直以使用热机作为绝对主流。对于热机其工作效率乂是其主要的性能，提高发动机的换能效率不仅能提高发动机的输出功率、提高飞机工作的经济型、减少燃料消耗和气体

5、排放。对于所冇的热机根据法国工程师卡诺于1824年提出的理想循环•卡诺循环，根据卡诺循环我们可以导出热机的极限效率。公式中的片表示热机的高温热源的温度一•般就是工作区的温度，公则是指热机的低温热源的温度一般是热机工作所处的环境温度。由此公式我们不难发现，为了提高热机的工作效率我们理论上有两种途径一是：提高高温热源的温度；二是降低低温热源的温度，但是在实际操作中低温热源的温度一•般就是环境温度没有经济的手段來降低低温热源的温度，于是

6、t

7、蒸汽机百分Z4~口分Z8作蒸汽轮机百分之25~百分之30温燃气轮机口分Z50~白分260度汽油机口分Z26-0分Z45柴油机口分Z34-

8、分Z451咼1喷气发动机百分之50~百分之60J1不同种类热机的工作效率提高高温热源便成为了我们提高热机效率的重要手段。美国IHPTET（高性能涡伦发动机技术）计划指出，推重比为20的发动机涡轮进口温度将达到2000-2200°Co从这些我们便可以明显的感受到提高高温热源也就是热机工作温度对提高热机的效率显著作用。使得在提高喷气式发动机的性能上受到了限制，如1938可是在航空发动机起步Z初，当时人们所掌握的的冶金技术完全不能制造出符合要求的材料（以普通碳索钢为主），现就密度不说，更为重耍的是材料的高温强度、高温抗蠕变性等指标完全不能令人满意，使得早期的航空发动机只能以很

9、低的温度工作（使用液体冷却冷,这样不仅降低了发动机的效率而H冷却系统结构复杂体积、重屋都很人，这些都极人地影响了发动机的性能），又如20世纪40年代，当时人们虽然已经掌握了喷气发动机的设计原理，但当时还没有合适的耐高温材料，年10月德国人冯・奥海因实验了一台HeS3涡轮喷气发动机，虽然设计推力为800~900daN,但实测只有400daN。而且发动机寿命不足100小时,这些便是因为制造工作叶片的材料高温力学性能达不到要求导致的。宜到20卅纪50年代初英国的怀特发动机首次使用了Nimonic75银基合金来制造发动机涡轮叶片，才为喷气发动发动