材料在航空中的应用

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1、题目：材料在航空中的应用学 生：南冬冬学 号：院（系）：资源与环境专 业：服装设计与工程指导教师：2013 年 6 月 10 日材料是人们生活和生产必须的物质基础。也是人类进化的重要里程碑。材料科 学主要研究材料的成分、分子或原子机构、微观及宏观组织以及加工制造工艺和性 能之间的关系。它是一门边缘新科学，主要一固态物理和固态化学、晶体学、热力 学等位基础，结合冶金化工及各种高新科技术来探讨材料内在规律和应用。材料是 人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。按物理化学属性分为金属材料 无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。实际应用中又常分为结构材料和功 能材料。结构材料是以力学性质为基

2、础，用以制造以受力为主的构件。结构材料也 有物理性质或化学性质的要求，如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能 力等，根据材料用途不同，对性能的要求也不一样。功能材料主要是利用物质的物 理、化学性质或生物现象等对外界变化产生的不同反应而制成的一类材料。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20 世纪 70 年代，人们把信息、材料和 能源作为社会文明的支柱。80 年代，随着高技术群的兴起，又把新材料与信息技术、 生物技术并列作为新技术革命的重要标志。现代社会，材料已成为国民经济建设、 国防建设和人民生活的重要组成部分。航空航天大多是在极端条件下进行的，所以对材料的要求很高。经过几十年的 航空航

3、天材料研究，研制出了纳米颗粒炸药、碳纳米管高硬度材料、铝氧纳米管材 料和新型密封材料、电子绝缘聚合物材料、新型“热塑料”材料以及原子级硅记忆 材料和铝硅合金等，并发现了纳米孔隙网材料等。而且新材料工艺也取得了重大 突破：采用温轧法、粉末冶金法、非晶复合技术工艺、急速凝固法、树脂膜浸渍法 和等温化学气相浸渗法制造出了高强度合金材料、梯度功能材料以及抗损伤复合材 料编制机等。与此同时，新材料在航空航天应用上也有重大进展，形状记忆合金、 量子隧道效应复合材料等高性能材料得到了广泛应用；火箭尾喷管应用纳米复合涂 层、火箭发动机涡轮泵应用陶瓷基复合材料叶盘；采用复合材料排布机编制燃料箱 采用红外材料制成

4、手提式定向反射仪以及用氮化物基材料制造出电子器件等复合材料在航空中的应用复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发 挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具 有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已 逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器 材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000 年美国汽车零件 的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达 10.5万吨。 而在日本，复合材料主要用于住宅建

5、设，如卫浴设备等，此类产品在2000 年的用量 达 7.5 万吨，汽车等领域的用量仅为 2.4 万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复 合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。 例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑 性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机 活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有 越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对 环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。 例如，用植物纤维与废塑

6、料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装 箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微 观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维由于具有高强度、高模量、耐高温 耐腐蚀、导电和导热等性能，因而使其成为一种兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可 加工性两大特征的化工新材料，是新一代增强纤维。目前，碳纤维不仅广泛应用军事工业，而且在汽车构件、风力发电叶片、核电 油田钻探、体育用品、碳纤维复合芯电缆以及建筑补强材料领域也存在巨大应用空 间， 而其在航空领域的光辉业绩尤为引人注目。碳纤维应宇航工业对耐烧蚀和轻质

7、高强材料的迫切需求发展起来，它主要是由 碳元素组成的一种特种纤维，是继玻璃纤维之后出现的第二代纤维增强塑料碳纤维 的含碳量在 90%以上，具有优异的力学性能，与其它高性能纤维相比具有最高比强 度和最高比模量。在2000C以上高温惰性环境中，碳纤维是唯一一种强度不下降的 物质。此外，它还兼具其它多种得天独厚的优良性能，更可贵的是，碳纤维与其它 材料具有很高的相容性，兼备纺织纤维的柔软可加工性，并且容易复合，具有很大 的设计自由度。这就使得碳纤维成为纤维增强材料中发展最迅速、应用范围很广、 适于不同领域要求的纤维材料。 研制大型飞机要突破许多关键技术，其中一项是“先 进复合材料结构设计技术”， 这

8、项技术离不开碳纤维。世界碳纤维的需求在各用途 领域都不断增长， 特别是急速增长的航空航天领域拉动了碳纤维全体的增长。 碳 纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。自玻璃纤维与 有机树脂复合得到的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材 料相继研制成功，而且性能不断得到改进，使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。 碳纤维复合材料与铝合金、钛合金、合金钢一起成为飞机机体的四大先进结构材料 碳纤维复合材料在航空领域的具体应用 碳纤维复合材料因其独特、卓越的性 能，在航空领越特别是飞机制造业中应用广泛。统计显示，目前，碳纤维复合材料 在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占

9、7080，在军用飞机上占3040， 在大型客机上占 1550。碳纤维树脂基复合材料碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有质量轻等一系列突出的性能，在对 重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定性高的场合， 碳纤维复合材料都具有很大优势。碳纤维增强树脂基复合材料已成为生产武器装备的重要材料。 AV8B 改型 “鹞”式飞机是美国军用飞机中使用复合材料最多的机种，其机翼、前机身都用了 石墨环氧大型部件，全机所用碳纤维的重量约占飞机结构总重量的 26， 使整机减 重9%,有效载荷比AV8A飞机增加了一倍。数据显示采用复合材料结构的前机身 段，可比金属结构减轻质量32.24%。用军

10、机战术技术性能的重要指标结构重量 系数来衡量，国外第四代军机的结构重量系数已达到2728%。未来以F-22为目 标的背景机复合材料用量比例需求为 35%左右，其中碳纤维复合材料将成为主体材 料。国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机，已实现了结构的复合材料化。直升飞机上碳纤维增强树脂基复合材料的用量更是与日俱增。武装了驻港部队 并参加了 2007 年上海合作组织在俄罗斯反恐军演的直-9 型直升飞机，是我国先进 的直升飞机。该机复合材料用量已占到60%左右，主要是CFRP。此外，日本生产 的0H-1 “忍者”直升飞机，机身的40%是用CFRP，桨叶等也用CFRP制造。在 民用领域，世界最大的飞机A380

11、由于CFRP的大量使用，创造了飞行史上的奇迹。 这种飞机25%重量的部件由复合材料制造，其中22%为碳纤维增强塑料(CFRP)。由 于 CFRP 的明显减重以及在使用中不会因疲劳或腐蚀受损，从而大大减少了油耗和 排放。燃油的经济性比其直接竞争机型要低13%左右，并降低了运营成本， 座英里 成本比目前效率最高飞机的低15%20%成为第一个每乘客每百公里耗油少于三升的 远程客机。纳米材料在航空中的应用纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(l-100n m)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于 10100个原子紧密排列在一起的尺度。纳米材料由于具有独特的小尺寸效应而表现出不同于

12、传统材料的物理和化学性 质。利用纳米材料这些独特的性质。可对传统材料进行改性，进而开发出更高性能 的材料开辟出新的材料生产途径以满足传统材料所不能达到的要求尤其是满 足航天航空领域对材料性能的特殊要求。应用纳米材料可减小航天器电子元器件的 体积和质量并提高其可靠性。纳米材料的发展方向主要有功能纳米材料及结构纳 米材料纳米材料在航天器结构材料上的应用 1金属及金属基复合材料晶粒细化是提 高金属材料强度最有效的方法之一。利用添加纳米陶瓷来增强金属合金基材料的方 法，就是把纳米陶瓷粉体均匀分散于合金中以提高合金的成核速率同时抑制晶 粒长大从而起到晶粒细化的作用。抑制材料使用过程中微裂纹的扩展提高产品

13、 的强度。例如，将纳米碳化硅、纳米氮化硅、纳米氮化钛、纳米硅粉添加到金属基 体(铝、铜、银、钢、铁等合金)中。可制造出质量轻、强度高、耐热性好的新型合金 材料。(1) 纳米氮化钛应用于合金钢、铁纳米氮化钛具有硬度和热稳定性高、粒度小， 以及分散性好的特点。在钢水冷却结晶过程中纳米氮化钛成为晶核相可大大增 加成核数量，减小晶粒尺寸达到细化合金晶粒的效果使合金的综合性能大大改 善。(2) 纳米碳化硅应用于银基复合材料通过向基体中加入均匀、细J. J，具有良 好稳定性的颗粒达到弥散强化合金的目的是制备高强高导合金材料的重要途径 之一。纳米碳化硅对于银合金来说是一种有效的增强相.当纳米碳化硅的质量百分

14、 含量为1%时.强化效果佳.材料的抗拉强度可达39IMPa.相对电导率为60. 2%, 强度和耐磨性均有所提高。 (3)纳米碳化硅弥散强化铜基复合材料高强高导铜基复合 材料在集成电路的引线框架 各类点焊、滚焊机的电极、触头材料，电枢、电动工具 的换相器等电子设备中具有广泛的用途。 但铜合金的高强度和高导电性一直是一对 互相矛盾的特性.一般只能在牺牲电导率和热导率的前提下改善铜的力学性能，以 获得高强度。采用纳米碳化硅稳定弥散强化铜基材料是解决 这一矛盾的较好方法通 过向基体中加入均匀、细小，具有良好稳定性的纳米碳化硅颗粒以达到弥散强化铜 合金的目的.已成为制备高强高导铜基复合材料的研究热点。(

15、4)纳米碳化锆应用于硬质合金纳米碳化锆是一种重要的高熔点、高强度和耐腐 蚀的高温结构材料 纳米碳化锆用于硬质合金材料中可提高材料的强度和耐腐蚀性 等性能。纳米材料用作涂层可提高工件的耐磨性、抗剥蚀性和抗氧化性。研究表明，用 纳米碳化硅、碳化锆、碳化钛、氮化钛、碳化硼等粉体作为金属表面的复合涂层可 获得超强耐磨性和润滑性.其耐磨性比轴承钢高100倍.摩擦系数为0. 060. 1.同 时还具有高温稳定性和耐腐蚀性。在液体火箭发动机关键零部件中应用纳米技术可 大大延长这些零部件的使用寿命 4.特种密封材料发动机出现故障最多的是各种密封 面的失效.密封面的表面质量是决定密封性能好坏的主要因素.和用纳米

16、材料改性 密封零件基体或在密封表面覆盖一层纳米粉末极大地改善其密 性能。目前。密封橡 胶所用的增强剂多为纳米级炭黑.若改用纳米氮化硅使其拉伸强度提高 1 4 倍.并改 善其耐磨性和密封性。将纳米金属粉添加到固体火箭推进剂中.可显著改善固体推进剂的燃烧性能。 例如，在固体火箭推进剂中添加纳米级铝粉或镍粉.推进剂燃烧效率可得到较大提 高、燃速显著增大。含有纳米金属铝粉的固体推进剂燃速比含有常规铝粉的固体推 进剂的燃速高5 20倍。总而言之, 材料的不断发展可以极大的促进航天事业的发展。航空材料也变得 多种多样，例如现在的智能材料。 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，而随着 高技术群的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标 志。现代社会，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。