[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)
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2 S% ~$ h* a& D* U; `8 j1 J① 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。

影響航空航天材料的發(fā)展的三個(gè)關(guān)鍵的影響因素：
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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。
( A& U' \* k) A; r' N4 ?/ j2 ~. G# W②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。
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。

  Y& P( n9 d6 }( W+ L; ^( f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。
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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(dòng)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。
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" `: r1 B9 P3 v9 s各種介質(zhì)和大氣環(huán)境對材料的作用表現(xiàn)
/ }8 h8 p5 s! H- k0 g( |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(huì)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。

空間環(huán)境對材料的作用主要表現(xiàn)
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(huì)加速揮發(fā)和老化，有時(shí)這種現(xiàn)象會(huì)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。

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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