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1、国外航空航天新材料的 最新进展和发展趋向 韩鸿硕 (航空航天部7 0 7所) 文摘 本文介绍国外用于先进航空和航天器的各 类新材料的最新研究与应用的进 展及今后的发展趋向 , 主要包括新型结构复合材料 、 新型 金属结构材料和 新型功能材料 的基本特性 、 典 型应用 , 研 究状况 、 制备工 艺和今后的重点发展方 向 。 Abstra etThis p aPer p r ese n t, r e e e n t a dv an e e , in r ese arehan d ap plieatio n, an dfutu r ed eve l o pm en ttr end o f var
2、io us new m ater ial, used fo r a dv a n e ed a ir er a ft an d spa e e e ra ftinfo r eig neountr ie s . Th ese , m ate r ialgin volve new kind so f , tr u etur aleo mp os ite。 , m eta l : tr u etu r a lm ate r ial, a n dfu n etio na l m ater ial, . T h e ba , ie p ro p ertie: , ty pieal ap plie ati
3、o n , re sea re h , tate s , p repa- r a tio n p roee:se,an dfutu r ed evelo pm en tkeyp o int, o fth e senia te rial, a r 。 mainly intr o d ueed . 关健词航天材料 , 航空材杆 , 复合 材料 , 金属材料 , 结构材料 , 功能材杆 , 光学材 料 , 防热材料 , 隐身材抖 , 推进剂 新材料技术是当今世界各国各类关键技 术中的佼佼者 。 在最近美国关于 “ 国家关键 技术 ” 的报告中 , _ “ 材料 ” 赫然列居首类 , 包括材料的合成和
4、 加工 、 电子 和光学材料 、 陶瓷 、 复合材料以及高性能金属和合金 、 ” 。 尤其应该指出的是 , 目前新材料在航空航天 领域中的开发和利用 , 受到格外的重视 。 例 如 , 在最近问世的199 1年度美国国防部关键 技术计划所列的2 1项关键技术 中 , 与航空航 天新材料直接相关或间接涉及的各有5项 , 共占关键技术项目的一半左右 ; 就投资经费 而论 , 用于发展与航空航天新材料直接相关 的技术经费达 11 . 5亿美元 , 约占关键技术总 经费的3 0肠 , 科学和技术经费的1 0肠 “ 。 下面仅就各国在发展重要航空航天新材 料方面的最新进 展和发展趋势进行概括介绍 和分析
5、 。 占 之 少矛 宁,击于二二 立匕J工 创 占八 圭主立匕 、林 限 /公匕二 J二/切儿/ 则l / l门 /l一目V 月人刁夕卜妇去/1 于兔 1 . 1 新型 结构复合材料发展迅速 , 应 用倍增 近年来 , 新型结构复合材料在与金属结 构材料的竞争中如异军突起 , 发展迅猛 , 已成 为航空航天器的三大结构材料之一 。 在军用 、 民用飞机上的用量与日俱增 , 在火箭 、 导弹 宇航材料工艺 1 9 9 2年 第4期 和航夭 器卜的应 用也不断得到探索开发 。 据 认为 , 复合材料正在 迅 速 发展成 为航空 航天工业的基本结构材料 。 高性能聚合物基 复合材料 在航空航天 工业
6、的用 最占其全 部用晕的8 0 肠 。 估计航空航天方面复合材 料用量的增长速度为每年8 . 5肠至每 年2 2 肠 2 。 目前 , 美国已有1 0余种军用飞机 应用 了先进复合材料 。 其产量正 以1 0肠的年增 一长 率持续 _ L升 , 而且其应 用部位己由次承力结 构件发展到主承 力结构件 。 如石墨/环氧很 可能用于军 用飞机的构架 、 隔框 、 尾撑和垂 直安定面上 。 而复合材料在民用飞机上的用 景将是军用飞机上的两倍 , 由目前仅用于次 要结构 , 发展到用在机翼 、 尾翼和机身上 。 至于复合材料在卫星 、 航空器上的应 用更将 日趋扩大 。 光进结构复合材料包括新型聚合物
7、基复 合材料 、 陶瓷 基复合材料和金属基 复合 材 料 , 碳/碳复合材 料是=种特殊类型的复合 材料 。 增 强剂则由碳 、 高强度液态晶体聚合 物 、 碳化硅和特性玻璃等材料制成 , 可制成 长纤维 、 短纤维 、“ 晶须 ” 或颗粒 。 其中碳纤 维具有3个独特的性能 , 即高比强度比模鼠 、 低热膨胀系数和高 一导 热性 , I k l 而由其增强的 复合材料在先进航空航天结构中具有无可比 拟的巨大应 用潜力 “ 、 儿飞。 1 . 1 . 1 聚合物基复合材料 聚合物基复合材料 具有轻质及强度和 刚 度较高的优点 , 还能耐疲劳 、 耐腐蚀 , 并具 有振动阻尼性 , 使用温度中等
8、 , 是航空航天 领域用 量最大的结构复合材料 , 可比金属结 构减重 10肠 60肠 (一般2 0肠 30 帕) 。 如 石 墨/环氧结构用 于先进弹道导弹弹头可减 重2 10 / 0 , 用于喷管可减重1 8 肠 , 用 于卫星结 构可减重 2 5 % , 用 于军用飞机可减重2 0 肠 3 0 肠 。 近年来 , 为满足新型航空和航天器的需 求 , 不断提高热固性树脂基复合材料 的使 用 温度 及力学性能 , 正在开发新型耐高 温 树 脂 , 主要有双马来酞亚胺(B水仃)和 翎酸亚 胺(Pl) 仁”。 门前大量使用的环氧 (EP) 树 脂的最高使用温度约为18 0 , 而BMI的使用 温
9、度可达 25 0 , 且不熔化 、 不溶解 、 模最 高 、 延伸率1呱、2肠 , 韧性最近也有很大提 高 , 达到EP的3倍 。 Pl的使用温度一般可达 31 6, 最近NASA推出的PMR 一 l , 使用温 度可达3 7 1” 。 Pl被认为是最有发展潜力 的热固性树脂 。 热固性树脂基复合材料主要 有C/BMI 、 C/Pl等 。 目前各国对热塑性树脂基复合材料寄予 更大的希望 。 热塑性树脂可整体重新成形 , 不需要热压釜固化并易于修补 r“。 新型热 塑性树脂还具有耐高温 、 高韧性和耐环境性 好等优 点 。 这类树脂主要 有聚醚 醚酮 (PE E K) 、 聚苯硫醚(PPS) 、
10、 聚醚飒(PE S ) 、 聚醚酮酮 (P EKK) 、 聚芳硫醚 (PAS ) 和 聚醚酞亚胺(P EI ) 等 。 其中以P E E K综合 性能最佳 , 如最近英国研制的A PC型PEE K 连续使用温度达25 0 。 新型热塑性树脂 墓 复合材料中 , C / PE E K 性能最佳 , 是用 于 先进航空航天器的首选材料 。 目前 , 热塑性树 脂基复合材料仍处 于开发试验阶段 , 应用甚 少 , 虽有取代热固性树脂共复合材料之势 , 但估计尚需较长时间 2 , 其真 t卜实用 要 到 肋年代中期母后 。 聚合物基复合材料的今后发展方 向包 括 : 发展 新型耐湿性树脂 、 热塑性树
11、脂和优 质纤维 ; 改 进预成形 、 编织 、 成形工 艺 ; 发 展C八M/CIM技术 ; 并使工程 、 设计 、 产品 性能与材料 和制造 工艺密切结合 “ 。 1 . 1 . 2 金属基复合材料 金 属基复合材料性能优异 , 比强度和比 刚 度高 、 耐高温 、 耐疲务 、 抗 振动 、 耐湿 热 , 耐紫外线和放射线的辐射损伤 、 尺寸稳 定性好 、 逸气性极低 、 抗敌方武器破坏的能 力强 , 而且特别适用于制造空间构件 , 是用 于飞机 、 导弹 、 先进的航空和航天发动机及 电子器件的理想结构材料 , 已用于美国航天 宇航材料工艺 199 2年 第4期 飞机 机身拓架和哈博太空望
12、 远镜天线支架 , 还将用 于美国国家空天飞机(NASP)及 高 速商用运输机的各种高温部位 。 金属基复合材料技术仍处于开 发阶段 , 近年来取得一些突破 。 最 近在碳化硅(纤维 、 晶须和颗粒)增强金属 , 新型铝基 、 钦基 、 金属间化 合物基 、 高温合金基和难熔金属基 复合材料等方面均取得了重大进展 “ 一 。 侣基复合材料中 , 碳(石墨) /铝C(G r ) /A I和碳化硅/ 铝 (S IC/AI )进展较大 。 美 国DWA公 司采用G r /A I制造卫星波导管 , S IC/A l已用于飞机构件和发动机 “。 另据 认为 , 聚碳硅烷 ( P CS ) 一SIC/A
13、l是理想的 航空航天材料 9 。 镁慕复合材料 石 墨/镁 (G r /Mg ) 近年来在空间结构的应用中有所 进 展 , 目前可用于空 间站镜架和 天线下部结 构 、 支架 等 。 据 最 新报道 , Co rd。公 司 采用G r /M g制成1 5 层面板 (厚o . 3 8m m) , 拉 伸屈 服 强度6 o 7MP a, 模量 393G Pa , 使 用温度大于4 2 7 ”。 钦基复合 材料中 , 硼/钦(B/Ti )和碳 化硅/钦(S IC/Ti )最 近发展较快 。 主要发展 了碳化硼/硼(B C/ I j ) 纤维和SC S 一6 纤维 。 SIC,/Ti可用于飞 机蒙皮
14、、 发动机 构件 、 空天飞机热交换系 统 和机体结构 。 SIC p /T i可制造 火箭壳体 、 导 弹鳍板等 。 美国 r im ot公司最 近 为用于NA SI) 机身蒙皮而 研制了具有高温蠕变强度的抗氧 化墓体合金Ba t a一21,。 金属间化合物基 复合材料中以钦铝化合物基复合材料最为重 要 , 最近T e x t r o n 特殊材料公司采用快速凝 固等离子沉 积 (RS PD)工 艺制造出S I C/ 1 i3 A I大型件 2。 IR 发展高导热和高温用 基体 ; 研究低成本加工工艺 2。 1 . 1 . 3 陶瓷墓夏合材料 陶瓷基复合材料具有高的模量 、 很高的 耐热性和
15、耐蚀性及优于陶瓷的韧性 , 主要可 用 于飞机 发动机涡轮进1 1端部件 、 航天或空 天飞机机体热结构部件等 , 使 用温度可达 1 400 170 0o C 。 这类复合材料目前隽本处于开发阶段 , 墓体主要包括碳化硅 、 氮化硅等 。 在生产方 面法国居 世界领先地位 。 所研制的碳/碳化 硅 (C/SIC)和碳化硅/碳化硅(SIC/SIC) 拟用 于海尔梅斯 (H e r m e , ) 航天飞机机体 盖板防热结构 。 陶瓷基复合材料的今后发展方向主要包 括 : 大量 生产聚合物转化的陶瓷基体 : 发展 耐高温陶瓷纤维 、 高强度陶瓷纤维和晶须 ; 发展 工艺 、 降低制造成本 ; 实
16、现加工自动 化 , 发展一体化设计 簇。 1 飞 4 碳/ 碳复合材料 碳/碳复合材料 主要特点是经防氧 化处 理后可在很高温度 (1649 2 7 6 。) 一下 仍保 持其性能 (温度 、 模量和耐烧蚀性) , 因而 是一种理想的热结构材料 , 可用 于飞机刹车 片 , 火箭喷管 , 航天飞机 、 空天飞机或其他 高超音速 一 晰了器机体热结构 , 面板 , 发动机 高温构件等 。 括 : 发展高 祈度碳基体 ; 发展两性 能 碳 2 1 . 维 , 发展预浸 、 编织 、 加工J 一 艺 ; 发展抗氧 化保护体系 ; 改进 涡轮发动机构件和航天器 热屏蔽的性能 仁2 。 1 . 2 高性能金 属 结构材料不 断更新 , 潜力 巨大 近年来 , 为满足先进航空航天系统 (如 先进飞机 、 空天飞机 、 天基战略防御结构) 的要求 , 对于高性能金属结构材料 , 一方面 通过革新工艺不断改进其性能 ; 另一方 面又 须推出新一代能耐更高温度的轻
