航空航天材料是一類非常特殊的材料，它與軍事應(yīng)用密切相關(guān)。與此同時，航空航天材料的進(jìn)步又對現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。推動航空航天領(lǐng)域新材料新工藝的發(fā)展，能夠和帶動相關(guān)技術(shù)進(jìn)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(jìn)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(rèn)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(zhì)保障，又是推動航空航天產(chǎn)品更新?lián)Q代的技術(shù)基礎(chǔ)。從材料本身的性質(zhì)劃分，航空航天材料分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料和先進(jìn)復(fù)合材料4大類；按使用功能，又可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料2大類。對于結(jié)構(gòu)材料而言，最關(guān)鍵的要求是質(zhì)輕高強(qiáng)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(jī)機(jī)體材料、發(fā)動機(jī)材料、機(jī)載設(shè)備材料。而航天材料則包括運(yùn)載火箭箭體材料、火箭發(fā)動機(jī)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(qiáng)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(jié)構(gòu)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(fù)合材料增強(qiáng)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(fù)合材料基體材料，先進(jìn)金屬基及無機(jī)非金屬基復(fù)合材料，先進(jìn)金屬間化合物基復(fù)合材料，先進(jìn)陶瓷材料，先進(jìn)碳/碳復(fù)合材料以及先進(jìn)功能材料。

    二、航空航天材料簡介

    1.鋁合金

    飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用構(gòu)成比例預(yù)測表明，21世紀(jì)初期占主導(dǎo)地位的材料是鋁合金。開發(fā)航空航天技術(shù)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(jié)構(gòu)質(zhì)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(qiáng)鋁合金，并將其用于制造整體焊接結(jié)構(gòu)。

    提高飛行器有效載荷的方法是提高強(qiáng)度或降低密度（不降低強(qiáng)度）。

    用鋰對鋁進(jìn)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(fù)合材料可大幅度提高飛機(jī)蒙皮的可靠性，使用壽命及有效載荷，這種復(fù)合材料的特點(diǎn)是裂紋擴(kuò)展速度特別低（僅為傳統(tǒng)材料的1/20 ~1/10），強(qiáng)度（提高50%~100%）和斷裂韌性高，而密度較?。p輕10%~15%），將其作為機(jī)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(qiáng)鋼

    在現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，鋼材用量穩(wěn)定在5%~10%的水平，而在某些飛機(jī)上，例如超音速殲擊機(jī)上，鋼材是一種特定用途的材料。

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

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

    高強(qiáng)鋼的發(fā)展方向為進(jìn)一步完善冶金生產(chǎn)工藝，選擇最佳的化學(xué)成分及熱處理規(guī)范開發(fā)強(qiáng)度性能水平為2100 ~ 2200MPa的高可靠性結(jié)構(gòu)鋼。

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

    高強(qiáng)鋼的優(yōu)點(diǎn)是：可采用不同的焊接方法實施焊接，焊接承力結(jié)構(gòu)件時，焊后不必進(jìn)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(qiáng)鋼的材料，是馬氏體類型的低碳彌散強(qiáng)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(qiáng)度耐腐蝕鋼強(qiáng)度水平的。

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

    3.高強(qiáng)鈦合金

    提高鈦合金在機(jī)身零件中使用比例的潛力是相當(dāng)巨大的，據(jù)預(yù)測，鈦合金在客機(jī)機(jī)身中的使用比例將達(dá)到20%,而在軍機(jī)機(jī)身中的應(yīng)用比例將提高到50%?其前提是要保證：

    鈦合金有更高的強(qiáng)度及可靠性；進(jìn)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(jìn)結(jié)構(gòu)形式，開發(fā)新的設(shè)計方案，盡可能多地在結(jié)構(gòu)中使用成熟的合金與工藝。

    采用高強(qiáng)鈦合金可減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時提高結(jié)構(gòu)的重量效率、可靠性及工藝性。計劃開發(fā)兼?zhèn)涓邚?qiáng)度（1350MPa）與高工藝性的板材合金，這種合金的強(qiáng)度將是工業(yè)純鐵強(qiáng)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(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和使用壽命的“近α型”熱強(qiáng)鈦合金。

    4.熱強(qiáng)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(qiáng)性，特別是具有高穩(wěn)定性和長壽命的“近α型”熱強(qiáng)鈦合金。第6代航空發(fā)動機(jī)將使用以固溶強(qiáng)化和金屬間化合物綜合強(qiáng)化的熱強(qiáng)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(qiáng)性超過鋼材及熱強(qiáng)合金，但塑性較差。

    開發(fā)熱強(qiáng)鈦合金的新方向，是采用金屬間化合物強(qiáng)化的以β固溶體為基的合金。這種合金的特點(diǎn)是在600 ~ 700℃溫度下具有較高的熱強(qiáng)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(qiáng)度和熱強(qiáng)性提高25%~30%。

    需要強(qiáng)調(diào)的是使合金化學(xué)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(shè)計零件，就可將金屬間化合物使用在航空發(fā)動機(jī)及航空航天技術(shù)裝備的結(jié)構(gòu)中，在這方面，提高使用溫度與減輕質(zhì)量是決定性因素。

    5.聚合物復(fù)合材料

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

    采用以碳纖維增強(qiáng)塑料為基體的聚合物復(fù)合材料，是減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的有效措施之一。聚合物復(fù)合材料通常是指高彈性模量的碳纖維增強(qiáng)塑料，特點(diǎn)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(qiáng)度（1000MPa）。在新一代航空技術(shù)裝備中采用碳纖維增強(qiáng)塑料，可提高尾翼部件，特別是尾尖部件的空氣動力學(xué)剛度，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，保證要求的飛行技術(shù)品質(zhì)、高彈性模量的碳纖維增強(qiáng)塑料還可有效地應(yīng)用于在開放的宇宙空間工作的接收與轉(zhuǎn)發(fā)天線構(gòu)件、無線電電子設(shè)備的承載構(gòu)件、火箭零部件、薄殼構(gòu)件及長的桿形件，熱應(yīng)力僅為金屬構(gòu)件的1/20 ~ 1/10?高彈性模量碳纖維增強(qiáng)塑料的以上特性結(jié)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(jìn)一步改進(jìn)碳纖維增強(qiáng)塑料的結(jié)構(gòu)特性與特殊性能，特別是要將工作溫度提高到400℃。

    作為結(jié)構(gòu)材料，新型復(fù)合材料--有機(jī)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(jī)塑料，單一用途的有機(jī)塑料的σb（抗拉強(qiáng)度）值達(dá)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(jī)塑料，需要指出的是，這實際上就是將工作溫度范圍擴(kuò)大1倍（205 ~ 300℃），還可顯著降低復(fù)合材料的吸水率。在比強(qiáng)度和比彈性模量方面，現(xiàn)代的有機(jī)塑料，特別是未來的有機(jī)塑料將*已知的以聚合物？金屬和陶瓷為基體的復(fù)合材料。

    目前，以預(yù)浸膠工藝制造的玻璃纖維增強(qiáng)塑料和碳纖維增強(qiáng)塑料結(jié)構(gòu)件得到越來越多的應(yīng)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(fù)雜曲率的零件。與傳統(tǒng)的聚合物復(fù)合材料相比，預(yù)浸膠基復(fù)合材料的特點(diǎn)是抗裂性提高40%~50%?？辜魪?qiáng)度提高20%~50%?疲勞強(qiáng)度和持久強(qiáng)度提高20%~35%?采用這種復(fù)合材料，可使勞動量與耗能量減少1/2 ;使結(jié)構(gòu)質(zhì)量（特別是在采用蜂窩填充劑的情況下）減輕50%,結(jié)構(gòu)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(qiáng)鎳合金。

    含鎳合金具有更高的工作溫度與更高的持久強(qiáng)度特性，在含6%~7%的試驗合金上得到了創(chuàng)紀(jì)錄的持久強(qiáng)度值：σ1000100> 300MPa,從而保證了第6代發(fā)動機(jī)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?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)盤與熱場焊接結(jié)構(gòu)件用材料

    對燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)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(yīng)采用綜合方法加以解決，諸如發(fā)展合金化原理、完善強(qiáng)化機(jī)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(jī)制造業(yè)目前面臨的特殊課題，是要研制諸如焊接機(jī)匣？火管和一系列其他的熱場焊接結(jié)構(gòu)件。開發(fā)火管材料的主要問題是提高其結(jié)構(gòu)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(jī)匣的比強(qiáng)度，同時減輕質(zhì)量15%。

    8.抗氧化防護(hù)涂層

    采用抗氧化防護(hù)涂層，是延長熱強(qiáng)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(kuò)散滲鋁制取防護(hù)涂層工藝的替代技術(shù)，新工藝及各種成分復(fù)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(hù)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(qiáng)化。該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是：涂層質(zhì)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(hù)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(shè)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(kuò)散涂層，又有凝聚涂層和凝聚--擴(kuò)散涂層？

    9.金屬間化合物合金

    進(jìn)一步提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)工作溫度及零件使用壽命的迫切性，對探尋比鎳基體相強(qiáng)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(qiáng)性的問題？根據(jù)對Ni3Al基體補(bǔ)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(qiáng)性水平。在此情況下，當(dāng)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(qiáng)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(qiáng)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(dǎo)向葉片、火管及噴管零件、該領(lǐng)城的新科研成果可將合金的熱強(qiáng)性提高到50 ~ 70MPa以上。

    10.金屬復(fù)合材料

    熱強(qiáng)材料研究領(lǐng)域的進(jìn)一步突破（工作溫度提高到1300℃以上），要靠金屬復(fù)合材料來保證。金屬復(fù)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(qiáng)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(fù)合材料是指所謂的自然復(fù)合體，這種復(fù)合材料是按照共晶合金定向結(jié)晶工藝制取的。這種合金中的每個共晶相都是垂直于結(jié)晶線生長的，因此通過移動平面結(jié)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(qiáng)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(fù)合體材料，可在1200℃高溫下保持高的持久強(qiáng)度水平（σ1200b> 70MPa）。據(jù)預(yù)測，復(fù)合材料在先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用比例將會大幅度提高（達(dá)到40%）。

    三、航空航天材料特性

    1.耐老化和耐腐蝕

各種介質(zhì)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(zhì)是飛機(jī)用燃料（如汽油、煤油）、火箭用推進(jìn)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(qiáng)烈的腐蝕作用或溶脹作用，大氣中太陽的輻照，風(fēng)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(yīng)該具備的良好特性。

    2.適應(yīng)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(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加速揮發(fā)和老化，有時這種現(xiàn)象會使光學(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來選擇和發(fā)展的，以求適應(yīng)于空間環(huán)境。

    3.壽命和安全

    為了減輕飛行器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，選取盡可能小的安全余量而達(dá)到可靠的安全壽命，被認(rèn)為是飛行器設(shè)計的奮斗目標(biāo)。對于或運(yùn)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(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)，并計算出允許的裂紋長度和相應(yīng)的壽命，以此作為設(shè)計、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，確定其壽命的保險期、復(fù)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(jìn)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(yīng)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(xué)理論的新發(fā)現(xiàn)。例如，鋁合金的時效強(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。

    ②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際應(yīng)用；復(fù)合材料增強(qiáng)纖維鋪層設(shè)計和工藝技術(shù)的發(fā)展，使它在不同的受力方向上具有*特性，從而使復(fù)合材料具有“可設(shè)計性”，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?，F(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.材料性能測試與無損檢測技術(shù)正在提供越來越多的？更為精細(xì)的信息，為飛行器的設(shè)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(zhì)量的檢測手段。