[科普中国]-飞行器结构材料

分类

飞行器结构使用的材料种类很多，按材料的功能可分为结构材料和功能材料，按材料的性质可分为金属材料、非金属材料和复合材料。

结构材料着重利用其力学性能，主要是指用来承受外载荷，保证结构强度、刚度的材料。它们常常是一些机械性能较高的金属、非金属材料。功能材料则着重利用其声、光、电、热、磁等项特定功能与效应，它们主要是指在密度、导电、透无线电波、耐磨、绝热、防锈、弹性、吸振、黏结、涂敷、润滑、密封等方面有独特性能的材料。这些材料常常是各种非金属材料。

目前金属材料仍占主导地位，金属材料中应用较多的有铝合金、镁合金、钛合金、高强度合金钢和不锈钢等。非金属材料及功能材料的应用也越来越多。其中树脂基复合材料、金属基复合材料、防热材料、阻尼材料、密封材料、陶瓷材料、塑料、隐身材料、形状记忆合金的研制都取得了很多新成果，并在飞行器上得到应用。早期铝合金材料在飞行器结构材料中占绝对优势，但现在高性能碳纤维复合材料、芳纶纤维复合材料、功能性材料及其相应的新工艺取得了突破性的进展，使传统的占绝对优势的铝合金材料受到挑战。1

选用原则材料能直接影响飞行器结构的性能和生产成本，因此，材料的选择是设计中很重要的工作。选择材料要综合考虑各种因素，具体的选用原则如下：

1)充分利用材料的机械性能(力学性能)、物理性能，使结构质量最小，刚度最好。因此，最基本的原则是在满足强度、刚度条件下，使结构质量最小。

2)选用的材料物理性能应能满足结构的技术要求。例如耐热、隔热要求，导电与介电性能要求，隐身要求，抗冲击要求等。又如根据结构功能，航天器结构对材料的线胀系数、比热容、热导率、电导率等物理参数有不同要求。

3)材料要满足飞行器结构的环境适应性要求，且有足够的环境稳定性。这就要求材料在规定的使用环境条件下，有保持正常的机械、物理、化学性能的能力。例如耐腐蚀、不易脆化的能力，防潮、防霉变能力，适应高低温环境的能力等。航天器结构还要求材料具有空间环境稳定性。

4)所选用材料应具有良好的工艺性能。材料的工艺性能包括成形性、切削性、可焊性、铸造性能等。它体现对材料使用某种加工方法或过程可获得优质制品的可能性或难易程度。显然，材料的工艺性能如何会影响产品的生产成本和生产周期。

5)选用的材料成本要低，来源要充足，供应要方便，立足于国内。尽量选用国家已制定标准、已规格化的材料。同一产品中选用的材料品种不宜过多。飞行器是耗资大的复杂结构系统，应尽量避免过多选用稀有的贵重材料。1

发展趋势飞行器结构材料领域的未来仍有很多期待。新金属材料既可以单独使用，也可以和其他金属生成合金而应用于结构中；新合金正在发现，新工艺正在发展，同时新的结构布局方法也正在设计。

现在看来，传统材料的强度水平似乎很一般，但在数十年以前，这些都是冶金学家的梦想；同样地，今天冶金学家的梦想将由21世纪的设计师实现。建筑业用的结构钢抗拉强度极限大约是55000磅/英寸2，飞机结构钢的抗拉强度极限大约为350000磅/英寸2，这的确是一个非常高的强度，但是，冶金技术告诉我们，在不远的将来，抗拉强度极限会达到1×106磅/英寸2。从理论上说，当前使用的金属材料的强度只有理论强度的1/1000～1/100，毫无疑问，将来可以达到1×106磅/英寸2的水平。

复合材料结构和多层结构材料可以让设计师在优化结构设计时有更多的选择，并可以在强度和重量之间达到更好平衡。制造时可以采用多层的玻璃布、硼或石墨丝、环氧树脂和类似材料，以单向和多向纤维的方式组合成结构件，所以，设计师根据零件或组件的应力路径，能够达到理想的结构要求。

现在，通过采用合适的复合材料和多层材料、应用断裂力学和计算机辅助设计(CAD)，可以控制应力路径。今后，这些材料的应用会增加，并且它们的成本会降低。2