航空航天材料引领材料产业发展

一、总述

       我国航空航天技术在世界处于领先地位，航空航天技术是一个国家科技水平发展的重要标志，航空航天技术的发展依靠航空航天材料的发展，是航天技术发展的根本保障。进入21世纪，航空航天事业的发展进入新的阶段，高水平或超高水平的航空航天活动更加频繁，其作用将远远超出科学技术领域本身，将会产生更广泛和更深远的影响。材料是现代高新技术和产业的基础与先导，将会推动航空航天材料朝着质量更高、品类更新、功能更强和更具经济实效的方向发展。航空航天飞行器在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀、强辐照等极端条件下工作，除了依靠优化的结构设计之外，还有赖于材料所具有的优异特性和功能。

       航空航天材料的发展对航空航天技术起到强有力的支撑和保障作用；反过来，航空航天技术的发展需求又极大地引领和促进航空航天材料的发展。

       航空航天材料泛指飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类用于制造航空航天飞行器的材料。一架现代飞行器要用到所有的4 大类材料，即金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。

       航空航天材料按材料的使用对象不同可分为飞机材料、航空发动机材料、火箭和导弹材料和航天器材料等。按材料的化学成分不同可分为金属与合金材料、有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料。按使用范围，航空航天材料可分为结构材料、功能材料和结构-功能一体化材料。结构材料主要用于制造飞行器各种结构部件，如飞机的机体、航天器的承力筒、发动机壳体等，其作用主要是承受各种载荷，包括由自重造成的静态载荷和飞行中产生的各种动态载荷。功能材料主要是指在光、声、电、磁、热等方面具有特殊功能的材料，如飞行器测控系统所涉及的电子信息材料（包括用于微电子、光电子和传感器件的功能材料），又如现代飞行器隐身技术用的透波和吸波材料，航天飞机表面的热防护材料等。结构-功能一体化材料，其中以高性能碳（石墨）纤维复合材料为典型代表，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上发挥着不可替代的作用，其应用水平和规模已关系到武器装备的跨越式提升和型号研制的成败。

二、航空航天材料发展历程

       18世纪60年代发生的欧洲工业革命使纺织工业、治金工业、机器制造工业得到很大的发展，从而结束了人类只能利用自然材料向天空挑战的时代。1903年美国菜特兄弟制造出第一架装有活塞式航空发动机的飞机，当时使用的材料有木材(占47％)，钢(占35％)和布(占18％)，飞机的飞行速度只有16公里时。1906年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，使制造全金属结构的飞机成为可能。40年代出现的全金属结构飞机的承载能力己大大増加，飞行速度超过了600公里/时。在合金强化理论的基础上发展起来的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不断提高。50年代钛合金的研制成功和应用对克服机翼蒙皮的“热障”问题起了重大作用，飞机的性能大幅度提高最大飞行速度达到了3倍音速。40年代初期出现的德国V-2火箭只使用了一般的航空材料。50年代以后，材料烧蚀防热理论的出现以及烧蚀材料的研制成功，解决了弹道导弹弹头的再入防热问题。60年代以来，航空航天材料性能的不断提高，一些飞行器部件使用了更先进的复合材料，如碳纤维或硼纤维增强的环氧树脂基复合材料、金属基复合材料等，以减轻结构重量。返回型航天器和航天飞机在再入大气层时会遇到比弹道导弹弹头再入时间长得多的空气动力加热过程，但加热速度较慢，热流较小。采用抗氧化性能更好的碳-碳复合材料、陶瓷隔热瓦等特殊材料可以解决防热问题。分类飞行器发展到80年代已成为机械加电子的高度一体化的产品。它要求使用品种繁多的、具有先进性能的结构材料和具有电、光、热和磁等多种性能的功能材料。

三、航空航天材料服役环境

       工作环境特征：极端环境

       （一）近乎绝对的可靠性

       航空航天材料服役的环境大大区别于一版机械或地面及水面的运载工具，航空航天材料最大的特点就是在空中运行。在航空航天飞行中，任何一个零部件的可靠性都提高到非常高的地位，必然要求构成零部件的材料必须具有近于绝对的可靠性。

       （二）环境温度

       飞船在轨道上受到太阳的直射和地球对太阳的反射辐照以及地球的红外辐照，环境温度约为-90~+1251℃，温度交变周期约为95min。

       （三）轨道其他环境

       空间环境有高真空、高能粒子辐照、太阳紫外辐照、微陨石、人造轨道碎片和原子氧等。

四、航空航天材料引领材料产业发展

       航空航天材料性能和质量要求极端严格，产品制造技术复杂，成本居高不下，这些都严重制约着材料应用和发展。由于飞行器要在各种极端环境条件下飞行，其材料所涉及的技术问题非常复杂，是材料领域争相研究的重点和热点。航空航天材料及其制备技术的突破，无疑对现代材料技术有着极强的引领和促进作用。如航空发动机对高温结构材料的需求强烈地推动高温合金、金属间化合物、陶瓷基和金属基复合材料、碳-碳复合材料以及金属陶瓷的迅速发展：首先应用于飞机结构的碳纤维增强复合材料，现已迅速推广到其他领域。飞行器的轻质化推动了复合材料的发展，使材料复合化成为新材料的重要发展趋势之一。

本文作者：王丹丹，中科评信信息技术研究院技术总监