航空航天材料是一類非常特殊的材料，它與軍事應用密切相關。與此同時，航空航天材料的進步又對現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響。推動航空航天領域新材料新工藝的發(fā)展，能夠和帶動相關技術進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，衍生出更為廣泛的，軍民兩用的新材料和新工藝。本文根據(jù)公開出版物的資料進行了摘錄和匯總，使讀者可以對航空航天材料有一個基本的認識。

    一、航空航天材料的分類

    航空航天材料既是研制生產(chǎn)航空航天產(chǎn)品的物質保障，又是推動航空航天產(chǎn)品更新?lián)Q代的技術基礎。從材料本身的性質劃分，航空航天材料分為金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和先進復合材料4大類；按使用功能，又可分為結構材料和功能材料2大類。對于結構材料而言，最關鍵的要求是質輕高強和高溫耐蝕；功能材料則包括微電子和光電子材料、傳感器敏感元材料？功能陶瓷材料、光纖材料、信息顯示與存儲材料、隱身材料以及智能材料。

    對于航空材料來說，包括3大類材料，飛機機體材料、發(fā)動機材料、機載設備材料。而航天材料則包括運載火箭箭體材料、火箭發(fā)動機材料、航天飛行器材料、航天功能材料等。

    具體到材料的層面，航空航天材料涉及范圍較廣，包括鋁合金、鈦合金、鎂合金等輕合金，超高強度鋼，高溫鈦合金、鎳基高溫合金、金屬間化合物（鈦鋁系、鈮鋁系、鉬硅系）。難熔金屬及其合金等高溫金屬結構材料，玻璃纖維、碳纖維、芳酰胺纖維、芳雜環(huán)纖維、超高分子量聚乙烯纖維等復合材料增強體材料，環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂、熱固性聚酰亞胺樹脂、酚醛樹脂、氰酸酯樹脂、聚芳基乙炔樹脂等復合材料基體材料，先進金屬基及無機非金屬基復合材料，先進金屬間化合物基復合材料，先進陶瓷材料，先進碳/碳復合材料以及先進功能材料。

    二、航空航天材料簡介

    1.鋁合金

    飛機機身結構材料應用構成比例預測表明，21世紀初期占主導地位的材料是鋁合金。開發(fā)航空航天技術用鋁合金時首先要解決的課題，是如何在保證高使用可靠性及良好工藝性的前提下減輕結構質量。目前急待解決的問題是開發(fā)具有良好焊接性能的高強鋁合金，并將其用于制造整體焊接結構。

    提高飛行器有效載荷的方法是提高強度或降低密度（不降低強度）。

    用鋰對鋁進行合金化，可降低合金密度，提高彈性模量。已經(jīng)用帶卷軋制法生產(chǎn)出了鋁鋰（Al - Li）合金板材，其中包括厚度小于0.5mm的薄板。

    使用鋁基層狀復合材料可大幅度提高飛機蒙皮的可靠性，使用壽命及有效載荷，這種復合材料的特點是裂紋擴展速度特別低（僅為傳統(tǒng)材料的1/20 ~1/10），強度（提高50%~100%）和斷裂韌性高，而密度較?。p輕10%~15%），將其作為機身蒙皮材料，以及作為修理作業(yè)用的裂紋鉚釘材料是很有前途的。

    2.高強鋼

    在現(xiàn)代飛機結構中，鋼材用量穩(wěn)定在5%~10%的水平，而在某些飛機上，例如超音速殲擊機上，鋼材是一種特定用途的材料。

    高強鋼通常使用在要求有高剛度、高比強度、高疲勞壽命，以及具有良好中溫強度、耐腐蝕性和一系列其他參數(shù)的結構件中。無論是在半成品生產(chǎn)中，還是在復雜結構件的制造中，尤其是在以焊接作為最終工序的焊接結構件生產(chǎn)中，鋼材都是不可替代的材料、

    長期以來，飛機制造業(yè)使用最多的鋼材，是強度水平為1600 ~1850MPa、斷裂韌性約為77.5 ~91MPa/m2的中合金化高強鋼。目前，在保持同樣斷裂韌性指標的條件下，已將鋼材的強度水平提高到了1950MPa,還開發(fā)出了新型經(jīng)濟合金化的高抗裂性、高強度焊接結構鋼。

    高強鋼的發(fā)展方向為進一步完善冶金生產(chǎn)工藝，選擇最佳的化學成分及熱處理規(guī)范開發(fā)強度性能水平為2100 ~ 2200MPa的高可靠性結構鋼。

    在活性腐蝕介質作用下使用的機身承力結構件，特別是在全天候條件下使用的承力結構件上，廣泛使用高強度耐蝕鋼，這種鋼的強度水平與中合金結構鋼相近，可靠性參數(shù)（斷裂韌性、抗腐蝕開裂強度等）大大超過中合金結構鋼。

    高強鋼的優(yōu)點是：可采用不同的焊接方法實施焊接，焊接承力結構件時，焊后不必進行熱處理，無論是在熱狀態(tài)，還是在冷狀態(tài)，均具有良好的可沖壓性等。

    最有希望適用高強鋼的材料，是馬氏體類型的低碳彌散強化耐腐蝕鋼和過渡類型的奧氏體--馬氏體鋼，研究表明，在保持高可靠性和良好工藝性的條件下，是能夠大幅度提高高強度耐腐蝕鋼強度水平的。

    低溫技術裝備是高強度耐蝕鋼的一個特殊應用領域及發(fā)展方向，裝備氫燃料發(fā)動機的飛機具有良好的發(fā)展前景，應該把在液氫和氫氣介質中工作的無碳耐腐蝕鋼作為研究方向。

    3.高強鈦合金

    提高鈦合金在機身零件中使用比例的潛力是相當巨大的，據(jù)預測，鈦合金在客機機身中的使用比例將達到20%,而在軍機機身中的應用比例將提高到50%?其前提是要保證：

    鈦合金有更高的強度及可靠性；進一步提高使用溫度；具備高的工藝性能及良好的可焊接性；能生產(chǎn)各種半成品；改進結構形式，開發(fā)新的設計方案，盡可能多地在結構中使用成熟的合金與工藝。

    采用高強鈦合金可減輕結構質量，同時提高結構的重量效率、可靠性及工藝性。計劃開發(fā)兼?zhèn)涓邚姸龋?350MPa）與高工藝性的板材合金，這種合金的強度將是工業(yè)純鐵強度的4倍，而工藝特性則與工業(yè)純鈦相近；還將研制并使用具有更高熱強性、熱穩(wěn)定性和使用壽命的“近α型”熱強鈦合金。

    4.熱強鈦合金

    鈦合金的發(fā)展方向之一，是研制與采用具有較高熱強性，特別是具有高穩(wěn)定性和長壽命的“近α型”熱強鈦合金。第6代航空發(fā)動機將使用以固溶強化和金屬間化合物綜合強化的熱強鈦合金板材。

    以鈦鋁化合物為基的合金，是未來的研究方向，“γ”合金在700 ~ 900℃溫度下的比熱強性超過鋼材及熱強合金，但塑性較差。

    開發(fā)熱強鈦合金的新方向，是采用金屬間化合物強化的以β固溶體為基的合金。這種合金的特點是在600 ~ 700℃溫度下具有較高的熱強性和令人滿意的塑性性能。與現(xiàn)有的鈦合金相比，研發(fā)這種類型的鈦合金可使強度和熱強性提高25%~30%。

    需要強調(diào)的是使合金化學成分、鑄造及變形工藝最佳化。選擇最佳的熱處理規(guī)范、采用新方法設計零件，就可將金屬間化合物使用在航空發(fā)動機及航空航天技術裝備的結構中，在這方面，提高使用溫度與減輕質量是決定性因素。

    5.聚合物復合材料

    代表航空航天技術開發(fā)水平的一個重要標志是聚合物復合材料使用數(shù)量的多少，聚合物復合材料在比強度和比剛度方面具有非常明顯的*性，兼?zhèn)淞己玫慕Y構性能和特殊性能，在航空領域獲得了廣泛的應用？空中客車A3XX飛機使用聚合物復合材料的比例將達到25%。

    采用以碳纖維增強塑料為基體的聚合物復合材料，是減輕結構質量的有效措施之一。聚合物復合材料通常是指高彈性模量的碳纖維增強塑料，特點是剛度大（彈性模量196GPa）、高溫尺寸穩(wěn)定性好，同時還保持了高的抗壓強度（1000MPa）。在新一代航空技術裝備中采用碳纖維增強塑料，可提高尾翼部件，特別是尾尖部件的空氣動力學剛度，減輕結構質量，保證要求的飛行技術品質、高彈性模量的碳纖維增強塑料還可有效地應用于在開放的宇宙空間工作的接收與轉發(fā)天線構件、無線電電子設備的承載構件、火箭零部件、薄殼構件及長的桿形件，熱應力僅為金屬構件的1/20 ~ 1/10?高彈性模量碳纖維增強塑料的以上特性結合低密度，可制造供組裝與維修空間站用的操作手。今后幾年需要解決的問題包括：進一步改進碳纖維增強塑料的結構特性與特殊性能，特別是要將工作溫度提高到400℃。

    作為結構材料，新型復合材料--有機塑料將發(fā)揮越來越大的作用。最近幾年，正在研制第2代有機塑料，單一用途的有機塑料的σb（抗拉強度）值達到3000 ~3200MPa,E值提高到130G Pa。試驗研究表明，有可能獲得彈性模量為200 ~ 250GPa的有機塑料，需要指出的是，這實際上就是將工作溫度范圍擴大1倍（205 ~ 300℃），還可顯著降低復合材料的吸水率。在比強度和比彈性模量方面，現(xiàn)代的有機塑料，特別是未來的有機塑料將*已知的以聚合物？金屬和陶瓷為基體的復合材料。

    目前，以預浸膠工藝制造的玻璃纖維增強塑料和碳纖維增強塑料結構件得到越來越多的應用。采用這種工藝方法時，只需一道工序就可制得具有普通曲率和復雜曲率的零件。與傳統(tǒng)的聚合物復合材料相比，預浸膠基復合材料的特點是抗裂性提高40%~50%。抗剪強度提高20%~50%?疲勞強度和持久強度提高20%~35%?采用這種復合材料，可使勞動量與耗能量減少1/2 ;使結構質量（特別是在采用蜂窩填充劑的情況下）減輕50%,結構密封性提高5倍。

    6.鎳合金

    以最佳合金化及最佳組織的方法開發(fā)特種合金，可顯著提高單晶葉片的使用性能，其中最有前途的合金是以鋅合金化的熱強鎳合金。

    含鎳合金具有更高的工作溫度與更高的持久強度特性，在含6%~7%的試驗合金上得到了創(chuàng)紀錄的持久強度值：σ1000100> 300MPa,從而保證了第6代發(fā)動機用的帶有冷卻通道的單晶葉片的研制。采用含鎳合金，可使渦輪入口溫度提高到2000 ~ 2100K,使冷卻空氣的消耗量減少30% ~ 50%,而在冷卻空氣消耗量相同時，使葉片使用壽命延長1 ~3倍。

    7.燃氣渦輪發(fā)動機盤與熱場焊接結構件用材料

    對燃氣渦輪發(fā)動機盤用材提出的要求與對葉片用材提出的要求略有不同：其一，渦輪盤的工作溫度低于葉片的工作溫度；其二，對材料可靠性的要求提高。改善渦輪盤用合金使用性能的上述要求，應采用綜合方法加以解決，諸如發(fā)展合金化原理、完善強化機制、開發(fā)熔煉、變形及熱處理的新工藝方法等。

    航空發(fā)動機制造業(yè)目前面臨的特殊課題，是要研制諸如焊接機匣？火管和一系列其他的熱場焊接結構件。開發(fā)火管材料的主要問題是提高其結構剛度，解決該問題還需滿足一系列苛刻的綜合性工藝要求：良好的可焊接性、高的工藝塑性等。使用以上合金可使火管的工作溫度提高150 ~ 200℃，使可靠性和使用壽命延長50%~100%,大幅度提高焊接機匣的比強度，同時減輕質量15%。

    8.抗氧化防護涂層

    采用抗氧化防護涂層，是延長熱強合金（首先是渦輪葉片）使用壽命的重要因素。

    目前，作為在混合粉末中擴散滲鋁制取防護涂層工藝的替代技術，新工藝及各種成分復雜的涂層已經(jīng)開始采用。研究人員開發(fā)出了由不同元素離子為基體的等離子真空涂敷新方法。在涂層厚度大致相同情況下（50 ~ 70μm），采用合金化的原始噴涂合金，可有效保護葉片不受硫化物。氧化物腐蝕，與批量生產(chǎn)的滲鋁涂層相比，可使葉片壽命延長一個數(shù)量級。

    多組分材料高能真空等離子工藝涂敷涂層的新方法中，高速等離子流對固體表面的作用，可使被處理表面的成分、組織、顯微幾何尺寸、理化性能都得到有目的的強化。該工藝的主要優(yōu)點是：涂層質量高，致密無氣孔、塑性好、附著牢固（大于100M P a）；通用性好，所有類型的防護涂層都可在一臺工業(yè)裝置上涂敷；沉積精度高。

    涂層、涂敷設備與工藝的成本較低，采用多組分材料高能真空等離子工藝涂敷涂層，可獲得各種各樣的涂層，既有擴散涂層，又有凝聚涂層和凝聚--擴散涂層？

    9.金屬間化合物合金

    進一步提高燃氣渦輪發(fā)動機工作溫度及零件使用壽命的迫切性，對探尋比鎳基體相強化固溶體穩(wěn)定性更好的新合金基體提出了要求。新合金基體適宜采用Ni3Al類型的金屬間化合物，與固溶體的普通金屬鍵相比，金屬間化合物的共價鍵可更有效地解決合金熱強性的問題？根據(jù)對Ni3Al基體補充合金化，以及由鑄造工藝決定的鑄件組織就可調(diào)整這些合金的熱強性水平。在此情況下，當由等軸組織向柱狀組織過渡，而后再向單晶組織過渡時，合金的熱強性升高。

    單晶組織金屬間化合物合金的綜合性能較好。在熱強性水平相同情況下（溫度1100℃），金屬間化合物合金所含的鎢（W）、鉬（M o）等稀缺貴重難熔金屬的數(shù)量明顯低一些。

    以金屬間化合物為基體的合金，可有效用于制造工作溫度范圍在900 ~1150℃之間的冷卻式和非冷卻式噴管導向葉片、火管及噴管零件、該領城的新科研成果可將合金的熱強性提高到50 ~ 70MPa以上。

    10.金屬復合材料

    熱強材料研究領域的進一步突破（工作溫度提高到1300℃以上），要靠金屬復合材料來保證。金屬復合材料的基體可采用不同材料，如鈦，金屬間化合物等，而增強材料則可采用絲狀晶體，包括碳化硅顆粒在內(nèi)的彌散難熔化合物顆粒、氧化物纖維或鎢纖維。

    特種復合材料是指所謂的自然復合體，這種復合材料是按照共晶合金定向結晶工藝制取的。這種合金中的每個共晶相都是垂直于結晶線生長的，因此通過移動平面結晶線的方法就可獲得具有一定取向的纖維狀組織。這種材料的強化劑是難熔金屬碳化物（TaC,NbC）單晶的絲狀晶體相互攪在一起的連續(xù)的骨架。開發(fā)的自然復合體材料，可在1200℃高溫下保持高的持久強度水平（σ1200b> 70MPa）。據(jù)預測，復合材料在先進燃氣渦輪發(fā)動機中的應用比例將會大幅度提高（達到40%）。

    三、航空航天材料特性

    1.耐老化和耐腐蝕

各種介質和大氣環(huán)境對材料的作用表現(xiàn)為腐蝕和老化。航空航天材料接觸的介質是飛機用燃料（如汽油、煤油）、火箭用推進劑（如濃硝酸、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烈的腐蝕作用或溶脹作用，大氣中太陽的輻照，風雨的侵蝕，地下潮濕環(huán)境中長期貯存時產(chǎn)生的霉菌會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該具備的良好特性。

    2.適應空間環(huán)境

    空間環(huán)境對材料的作用主要表現(xiàn)為高真空（1.33×10-10Pa）和宇宙射線輻照的影響。金屬材料在高真空下互相接觸時，由于表面被高真空環(huán)境所凈化而加速了分子擴散過程，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加速揮發(fā)和老化，有時這種現(xiàn)象會使光學鏡頭因揮發(fā)物沉積而被污染，密封結構因老化而失效。航天材料一般是通過地面模擬試驗來選擇和發(fā)展的，以求適應于空間環(huán)境。

    3.壽命和安全

    為了減輕飛行器的結構質量，選取盡可能小的安全余量而達到可靠的安全壽命，被認為是飛行器設計的奮斗目標。對于或運載火箭等短時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度并保證安全，對于金屬材料已經(jīng)使用“損傷容限設計原則”，這就要求材料不但具有高的比強度，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展速率等數(shù)據(jù)，并計算出允許的裂紋長度和相應的壽命，以此作為設計、生產(chǎn)和使用的重要依據(jù)。對于有機非金屬材料則要求進行自然老化和人工加速老化試驗，確定其壽命的保險期、復合材料的破損模式、壽命和安全也是一項重要的研究課題。

    四、影響航空航天材料發(fā)展的因素

    航空航天材料的進展取決于下列3個因素，只有在這3個方面都已經(jīng)發(fā)展到成熟階段后，才有可能應用于飛行器上。因此，世界各國都把航空航天材料放在優(yōu)先發(fā)展的地位。

    ①材料科學理論的新發(fā)現(xiàn)。例如，鋁合金的時效強化理論導致硬鋁合金的發(fā)展；高分子材料剛性分子鏈的定向排列理論導致高強度、高模量芳綸有機纖維的發(fā)展。

    ②材料加工工藝的進展。例如，古老的鑄、鍛技術已發(fā)展成為定向凝固技術、精密鍛壓技術，從而使高性能的葉片材料得到實際應用；復合材料增強纖維鋪層設計和工藝技術的發(fā)展，使它在不同的受力方向上具有*特性，從而使復合材料具有“可設計性”，并為它的應用開拓了廣闊的前景；熱等靜壓技術、超細粉末制造技術等新型工藝技術的成就創(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的進步?，F(xiàn)代電子光學儀器已經(jīng)可以觀察到材料的分子結構；材料機械性能的測試裝置已經(jīng)可以模擬飛行器的載荷譜，而且無損檢測技術也有了飛速的進步.材料性能測試與無損檢測技術正在提供越來越多的？更為精細的信息，為飛行器的設計提供更接近于實際使用條件的材料性能數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)提供保證產(chǎn)品質量的檢測手段。