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高性能轻质航空航天材料及其应用——解决高性能结构材料和装甲防护材料需求问题一、总述 随着航天飞行器迫切的减重需求对应用材料提出了更高的要求，航天航天产品在追求轻质和减重方面可以说是“克克计较”，图1为飞行器每减重1kg所取得的经济效益与飞行速度的关系。如对航天飞机来说，每减重1kg的经济效益将近十万美元。
图1 减轻结构所得经济效益（相对值） 新型材料及改型材料在军机结构减重中的重要性及发展趋势见图2，从中可见，新型材料和改进型材料与主动载荷控制、颤振抑制、自动化设计及先进结构概念等相比，在飞行器结构减重中占有主导地位，也正因为这个原因比强度和比模量这些概念在航空航天领域具有更为重要的意义。
图2 新型材料及改进型材料在军机结构减重中的重要性及发展趋势 二、高性能轻质金属合金材料 随着航天飞行器迫切的减重需求对应用材料提出了更高的要求，具有优异力学性能的轻质结构材料尤其是以铝合金、镁合金、钛合金及复合材料等材料为代表的轻质结构材料成为航空航天研究的热点。目前国内航天箭体结构系统在轻质结构新材料应用方面完成了部分尝试和探索。 为满足导弹、火箭等航天装备平台轻量化、高可靠、高推比等发展需求，目前国外大力发展的高性能轻质金属合金主要包括第三代铝锂合金、高强镁合金、低成本钛合金等。
第三代铝锂合金 2013年，加拿大肯联公司推出的Air Ware 系列第三代铝锂合金已用于空中客车公司的A350、庞巴迪公司的C 系列飞机以及F－16、F－18等军用飞机。第三代铝锂合金在添加锂元素时，更加注重合金强度与疲劳裂纹扩展性能之间的平衡。通过降低锂含量（降低至1wt%～2wt%）及优化热处理制度，获得良好的综合性能。用其制造飞机结构，可使飞机结构减轻25%，耐蚀性比传统铝锂合金高出46%，抗疲劳性能提高25%，飞机降低阻力6%。此外，与复合材料比较，可加工性也得以改善，可使用传统铝合金制造工艺进而降低风险与成本，利用现有加工设备及供应链等，还可100%回收。未来应用对象锁定在A320 及波音737 的后继窄体客机上，也准备用于军用飞机F－35、F－16 和F－18 的隔框、蒙皮及其他结构件。 高强镁合金 近年来，由于环境和能源问题越来越突出，以及镁合金巨大的性能潜力和优势，镁合金的研究和应用日益受到德、美、加等发达国家和地区的高度重视，均相继出台了镁合金研究计划进行技术攻关，投资金额总和达数亿美元。德国科学技术协会牵头，启动了由德国克劳斯塔大学和汉诺威大学负责组织实施、欧洲最大的镁合金与镁合金压铸项目“SFB390”，项目金额超过5300万欧元，主要目标是研究镁合金在结构件中的应用。加拿大联邦政府及魁北克省与海德鲁公司共同投资1140 万加元成立了一个新的镁合金研究中心，其宗旨在于通过优化设计工艺及材质，获得具有优良性能的镁合金压铸零部件，从而进一步拓宽镁合金的应用领域。镁合金通过合金化，与稀土元素形成稳定的高温相，以提高镁合金的高温性能。采用时效强化与形变强化可以提高合金的强度和韧性，美国科学家的研究结果表明，通过挤压与热处理复合处理后的ZK60 镁合金，强度及断裂韧性均得到极大的提高。当前国外变形镁合金的室温屈服强度最高达到300 MPa，延伸率达到5%。镁合金质量轻是其在航空航天中应用的最主要因素，随着镁合金的研究继续开展，在航空航天中的应用将会越来越普遍。 美国的B-52H大型轰炸机，采用镁合金制造蒙皮、发动机、框架等重要部位，机身镁合金用量高达8 100 kg，占机身总质量的l0％[1]。 钛合金 钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的新型结构材料，因具有强度高、耐蚀性好、耐热性强等特点而被广泛用于各个领域。因钛合金具有较高比强度和较好的耐腐蚀和耐低温性能，其在航天器上主要用来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体，也有人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机使用了钛合金板材焊接件。 由洛克西德公司、波音公司和通用动力设计的美国F-22先进战术战斗机是目前世界上具有代表的第四代战斗机。其钛合金的用量占了结构总质量的41%。F-22的后机身温度比较高，由于钛合金优异的高温性能，在后机身采用了大量的钛合金结构件，用量占后机身结构质量的55%左右[2]。 航空航天用钛合金的当前发展重点是多用途和多品种化。为满足高推重比发动机研制的需要，开展了高温、高强度合金及其他功能合金的研究，如高温钛合金和钛-铝金属间化合物（最高使用温度可达982 ℃）、高强度钛合金（抗拉强度在1000 MPa以上）、阻燃钛合金（以解决航空发动机用钛合金材料的“钛燃烧”问题）等。
三、复合材料 复合材料具有比强度高、加工成形方便、抗腐蚀能力强等特点，利用其取代传统的钢、铝合金等材料制造武器装备结构件，可以在保证武器装备性能的同时，大大减轻装备的质量。目前国外大力发展的航天高性能复合材料主要包括树脂基复合材料、铝基复合材料和陶瓷基复合材料等。 世界上大型飞机如波音787、空客380等机型的结构件复合材料的用量占到了40%～50%，先进直升机结构件复合材料用量甚至占到了80%以上[3]。
树脂基复合材料 树脂基复合材料是以聚合物为基体，纤维为增强体复合而成。因此，树脂基复合材料的用量已经成为衡量航空航天技术发展的重要标志。美国战斧巡航导弹大量采用了复合材料，如头锥采用了Kevlar /聚酰亚胺，雷达天线罩、进气道采用了玻璃纤维/环氧树脂，进气道整流罩采用了碳纤维/聚酰亚胺，尾翼采用了玻璃纤维/环氧树脂、Kevlar /环氧树脂，尾锥使用了玻璃粗纱/环氧树脂等。美国“侏儒”小型地对地洲际弹道导弹三级发动机燃烧室壳体由碳纤维/环氧树脂缠绕制作；导弹“三叉戟”（D-5）第一、二级固体发动机壳体采用碳/环氧制作，其性能较Kevlar /环氧提高30%。 热塑性树脂用作复合材料基体，在断裂韧性、冲击强度和吸湿等方面都优于热固性树脂基体，在耐高温、抗湿热、抗冲击、热稳定性、损伤容限等方面都大大优于环氧树脂系统，已成为复合材料树脂基体的发展趋势。近些年，由于纤维增强热塑性复合材料在生产方面取得了显著进步，极大降低了材料成本，提高了可用性，已在导弹弹体和发动机壳体设计和应用方面得到重视。美国陆军提出了要开发纤维增强热塑性复合材料导弹圆筒形接缝结构的熔接工艺、材料和分析技术，用于导弹发动机和弹体圆筒形接缝处的圆筒形接缝处的熔接。美国圣地亚哥复合材料公司设计了一种熔接机，可用于加工热塑性复合材料圆筒，应用于导弹结构件。
铝基复合材料 碳化硅/铝基复合材料的强度在碳化硅纤维含量较低时也远比超硬铝高。由于成本较铍材低得多，还可以替代铍材用作惯性器件，已被用于美国某导弹惯性制导系统和惯性测量单元。 美国哈勃太空望远镜的高增益天线杆结构采用P100 超高模量碳纤维（40 vol%） 增韧的6061 铝基复合材料，采用扩散粘接工艺制造，确保了太空机动飞行时天线的方位，它还由于具有良好的导电性能，从而提高了波导功能，保障了航天器和天线反射器之间的电信号传输，整个部件比碳/环氧材料轻63%。 陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料以其优异的耐高温性能、高温力学性能等成为热结构材料的候选，在导弹领域有着极为重要的应用前景。美国、法国等国家开展了深入研究，针对长期飞行和工作的导弹设计了带有冷却结构的C /SiC 复合材料夹层结构，并研制出带主动冷却结构的超燃冲压发动机燃烧室。 目前，法国航空航天研究院已用纤维缠绕法生产出直径150 mm、长度100 mm 的筒形件及其他复杂形状构件。据称这种新材料制造成熟度已达到4级。 试验件的初步试验表明，此材料能耐1 000℃高温，可满足“高超声速飞行器”计划试飞的第一阶段要求；第二阶段将把材料的耐热温度提高到2000 ℃以上，达到飞行速度超过8马赫的要求。新型陶瓷基复合材料的问世，为导弹及航天飞行器材料提高高温强度、韧性、抗氧化性和显著降低成本提供了新的可能。 石墨烯基复合材料 石墨烯是最薄、最硬、最强的超薄超轻航空航天复合材料，厚度仅为单层碳原子，莫氏硬度高于金刚石，微观强度可达125 GPa，是传统钢材的100多倍。利用石墨烯优异的力学性能，将其加入树脂、金属中可获得轻质、高载荷的航空航天复合材料。 石墨烯的高导电性、高强度、超轻薄等特性，对于高性能轻量化装备、器件的研制与应用具有巨大的意义，可以应用于超轻型飞机和航天军工领域。石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上将发挥更重要的作用。将石墨烯应用到发动机上，可以减轻发动机的重量。由于石墨烯薄且具有超高的机械强度，可以在减轻防弹衣重量的基础上，提高防弹衣的使用性能和防护能力，在穿戴使用时比较轻便。 我们的服务 我们在北京航空航天新材料产业集群新材料需求专家研讨会（技术成果对接会）上，充分了解中国航天科工集团分别对于高性能结构材料和装甲防护材料的迫切需求。 针对需求方提出的关于高性能结构材料和装甲防护材料的应用背景和指标要求，借助北京市航空航天新材料集群资源优势，我们充分发挥创新资源，利用专家库和成果库，精准挖掘与需求方向相契合的高校、科研院所现有的技术成果以及科研团队。 未来，我们将组织高校、科研院所与需求方进行“产学研”深度对接，通过协同创新共同研究出装甲防护问题的解决方案与材料应用方案、高性能结构材料的应用方案，深入探讨双方合作与发展模式。
参考： 1. 警炳涛, 王辉. 镁合金及其在工业中的应用[J]. 稀有金属. 2004. 28(1): 229-232． 2. 航空航天材料咨询报告[R]．北京：国防工业出版社. 1999：41-42． 3. Campbell F C. Manufacturing technology for aerospace structural material [M]. Elsevier Ltd, 2006.
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