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【材料视野】实现航天梦的材料基石(一)

【来源: | 发布日期:2016-06-29 】

【材料视野】

实现航天梦的材料基石(一)

原题目:实现航天梦这些材料不可或缺!

来源:中国腐蚀与防护网

http://www.ecorr.org/news/industry/2016-06-28/29145.html

近年来,随着我国航空航天事业的蓬勃发展,“航空航天热”不断升温。恰逢“长征七号”火箭成功发射之际,这股热浪再次升温,“航空航天”也成为了人们日常讨论的话题,似乎每一个国人心中都有一个“航空航天梦”,这个梦想如影随形,深埋心底。

作为航空航天工业的基础,材料工业的发展决定着国防工业所能攀爬的高度,所谓的“一代材料,一层高度”是航空航天科技圈的真实写照。

通常条件下,航空航天飞行器是在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作,除了依靠优化的结构设计之外,更主要的是依赖于材料所具有的优异特性和功能。由此可见,航空航天材料在航空航天产品发展中的具有极其重要的地位和作用。

单从飞行器在优化结构设计方面讲,航空航天产品在追求轻质和减重方向上可以说是斤斤计较,甚至是说成“克克必争”都不为过。比如对航天飞机来说,每减重1kg的经济效益将近十万美元。下图就是飞行器每减重1kg所取得的经济效益与飞行速度的关系。

减轻结构所得经济效益(相对值),飞行器每减重1kg后所得经济效益与飞行速度的关系

要想实现飞行器的减重,除了优化结构设计外,最主要的途径是采用新型材料及改型材料。从图中就可以看出,随着科技的发展,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,材料的比强度,比模量等这些概念在航空航天领域具有更为重要的现实意义。如我们常见得到钛合金,金属复合材料等都是高强轻质材料,很受航空航天领域的青睐。

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

对于航空航天飞行器而言,除采用高强轻质合金外,制约其产品性能的另一类关键材料是高温材料。以飞机蒙皮为例,现在航天飞机的蒙皮温度高达1000℃,而航空发动机涡轮叶片承受的温度高达2000℃。因此,为了支撑航空航天产品在高温下的工作要求,许多新型材料如金属间化合物、陶瓷、碳/碳及各种复合材料正在加速发展之中,目的就是降低飞行器的结构重量,提高飞行器的结构效率、服役的可靠性及延长使用寿命。

但是,随着近年来在航空航天产品设计中引入损伤容限设计的概念,对材料的韧性提出了更高的要求,这难免会造成用牺牲材料强度来换取材料更高的韧性,以确保航空航天产品的高可靠性、高耐久性和长寿命。尤其是对于航空航天动力装置而言,更是提出了更高的要求,即超高温或超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件。为了满足上述诸多苛刻的工作条件,我们必须最大程度的挖掘结构材料的潜力。现在,满足使用条件的结构材料包括有新型高温合金和高温钛合金、金属间化合物及其复合材料、热障涂层材料、金属基复合材料、陶瓷基和碳/碳复合材料等。