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干货 | 航空航天材料发展现状及前景全面解析

2018-01-04 10:19:43
作者:唐见茂
来源:中国材料研究学会

进入21 世纪,航空航天已展现出更加广阔的发展前景,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,对政治、经济、军事以至人类社会生活都会产生更广泛和更深远的影响。

    0 引言

 

    进入21 世纪,航空航天已展现出更加广阔的发展前景,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,对政治、经济、军事以至人类社会生活都会产生更广泛和更深远的影响。应该指出,航空航天事业所取得的巨大成就,与航空航天材料技术的发展和突破是分不开的。材料是现代高新技术和产业的基础与先导,很大程度上是高新技术取得突破的前提条件。例如20 世纪60 年代高纯硅半导体材料的突破,使人类进入信息化时代。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。21 世纪以来,航空航天事业的发展进入新的 阶段,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。

   

 

    1 航空航天材料的地位和作用

 

    航空航天材料泛指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。

 

    按使用范围,航空航天材料可分为结构材料与功能材料。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。结构材料总的发展趋势是轻质化、高强度、高模量、耐高温、低成本;而功能材料则朝着高性能、多功能、多品种、多规格的方向发展。出于现代高性能飞行器发展的需要,结构-功能一体化和智能化也是重要的材料发展方向。航空航天领域关键技术的突破都离不开航空航天材料的支撑,航空航天材料的地位与作用可归纳如下。

 

    1.1 高性能材料是发展高性能飞行器的基础保障

 

    自莱特兄弟制造的人类第一架飞机“飞行者一号”问世以来,航空技术取得了大跨越的发展,以战斗机为代表的军用飞机现已发展到第5 代,其最大飞行速度达4 倍声速。在此过程中,航空材料的发展所经历的阶段如表1所示。可以看到,材料的进步对飞机的升级换代起到关键的支撑作用。

 

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    发动机是飞机的“心脏”,其性能的优劣制约着飞机的能力,而发动机性能的提高又与所使用的耐高温结构材料密切相关。随着飞机航程的加长和速度的提高,要求发动机推力、推重比(发动机推力与重量之比)越来越大,这就意味着发动机的压力比、进口温度、燃烧室温度以及转速都须极大地提高。根据美国先进战斗歼击机研究计划和综合高性能发动机技术研究计划,发动机推重比要达到20,而其油耗比要比目前再降低50%。众所周知,推重比的提高取决于发动机涡轮前进口温度的提高:对于推重比在15~20 以上的发动机,其涡轮前进口温度最高达2227~2470 ℃。高性能航空发动机对材料的性能提出了更高要求,除高比强度、高比模量外,对耐高温性能需求更为突出[3]。由此可见,航空发动机性能的提高有赖于高性能材料的突破。

 

    图 1 是世界著名发动机公司罗尔斯-罗伊斯(Rolls-Royce)公司对航空发动机材料发展情况作出的统计和预估,其中2010 年前后为当时的预估数据。

 

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    由图 1 可以看出:传统的铝合金及结构钢在发动机中的用量会进一步减少,而镍基高温合金、钛合金等材料的使用在20 世纪末达到高峰期,到21 世纪初也有所降低;代之而起的将是一些新型高温结构材料,如金属间化合物(Ti3Al、Nb3Al等)、陶瓷基/金属基复合材料(CMC、MMC)。金属硅化物的熔点很高(高于2000 ℃),其在1600 ℃下具有很好的热稳定性、防氧化性以及良好的力学性能,近年来已成为高温材料研究的新热点,有代表性的产品如硅化镍(Nb5Si3)、硅化钛(Ti5Si3)、硅化锆(Zr5Si3)等。

 

    1.2 轻质高强度结构材料对降低结构重量和提高经济效益贡献显著

 

    轻质、高强度是航空航天结构材料永远追求的目标。碳纤维复合材料是20 世纪60 年代出现的新型轻质高强度结构材料,其比强度和比模量是目前所有航空航天材料中最高的。有数据表明:碳纤维复合材料的比强度和比刚度超出钢与铝合金的5~6 倍。复合材料在飞行器上的应用日益扩大,质量占比在不断增加。材料具有较高的比强度和比刚度,就意味着同样质量的材料具有更大的承受有效载荷的能力,即可增加运载能力。结构重量的减少意味着可多带燃油或其他有效载荷,不仅可以增加飞行距离,而且可以提高单位结构重量的效费比。飞行器的结构重量每减1 磅所获得的直接经济效益见表2。

 

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    1.3 材料的可靠性事关飞行安全

 

    飞行器是多系统集成体,所涉及的零部件达数十万计,元器件达数百万计,要用到上千种材料。飞行器要在各种状态和各种极端环境条件下飞行,如何确保其飞行安全至关重要。除设计、制造、使用和维护维修要有极其严格的质量控制要求外,材料的可靠性显得尤为关键。飞行史上的许多事故教训表明,材料失效是导致飞行事故的重要原因之一:大到一个结构件的断裂,小到一个铆钉或密封圈的失效,都可能导致飞行事故。因此,加强材料的可靠性评价研究对于提高飞行安全性有不可忽视的意义。

 

    1.4 航空航天材料引领材料技术发展

 

    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。

 

 

    2 航空航天结构材料

 

 

    航空航天结构材料主要有铝合金、钛合金、纤维复合材料和高温结构材料。

 

    2.1 铝合金

 

    近100 年来,铝合金在航空航天器机体结构材料的应用一直长盛不衰。铝合金具有轻质、易加工、抗腐蚀的优点,其比强度高过很多合金钢,成为理想的结构材料。

 

    人们对航空航天用的铝合金在成分及合成方法、轧制/挤压/锻造/热处理等工艺、零件加工、材料及结构服役性能表征等方面都开展了深入的系统研究,材料产品发展已形成系列化,在应用方面也取得了一系列显著成果。特别是20 世纪80 年代末以来,随着飞行器损伤容限和耐久性设计准则逐渐形成,对材料的强度、断裂韧性、耐蚀性、抗疲劳等综合性能提出了更高要求。当前铝合金的发展方向是开发低内应力的厚板材料,且在制造工艺上大量采用厚板以实现整体结构部件成型,来代替以前用很多零件装配的部件(图2)。广泛采用大型整体壁板结构已经成为新一代飞机提高结构效率、减少零件数量、降低成本和缩短研制周期的重要手段。如波音B747 飞机采用整体带筋壁板后,零件数量从129 个减少到7 个,成本降低了25%,而裂纹扩展寿命和残余强度均提高了3 倍。

 

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    2.2 钛合金

 

    钛合金是20 世纪50 年代发展起来的一种重要的新型结构材料,因具有强度高、耐蚀性好、耐热性强等特点而被广泛用于各个领域。20 世纪50 年代,美国首次将钛合金用在F-84轰炸机上作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60 年代开始,钛合金在军用飞机中的用量迅速增加,占到飞机结构重量的20%~25%,使用部位从后机身移向中机身,部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。70 年代起,民用飞机也开始大量使用钛合金,如波音B747客机的钛合金用量达3640 kg 以上。在马赫数小于2.5 的飞机上,用钛合金来代替钢,可以减轻结构重量。例如美国SR-71 高空高速侦察机(飞行马赫数为3,飞行高度26 212m),钛合金用量占飞机结构重量的93%,号称“全钛”飞机。20 世纪70 年代,钛合金在航空发动机中主要用于制造压气机部件,如风扇、压气机盘和叶片、压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等,其用量一般占到结构总重量的20%~30%。当航空发动机的推重比从4~6 提高到8~10,压气机出口温度相应地从200~300 ℃ 升高到500~600 ℃ 时,原来用铝合金制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金,或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片,以减轻结构重量。因钛合金具有较高比强度和较好的耐腐蚀和耐低温性能,其在航天器上主要用来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体,也有人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机使用了钛合金板材焊接件。航空航天用钛合金的当前发展重点是多用途和多品种化。为满足高推重比发动机研制的需要,开展了高温、高强度合金及其他功能合金的研究,如高温钛合金和钛-铝金属间化合物(最高使用温度可达982 ℃)、高强度钛合金(抗拉强度在1000MPa以上)、阻燃钛合金(以解决航空发动机用钛合金材料的“钛燃烧”问题)等。图3 为用阻燃钛合金Ti40 制造的飞机发动机压气机机匣零件。

 

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    2.3 先进复合材料

 

    碳纤维增强树脂基复合材料的最优异特点是相对于铝、钢等金属结构材料具有极高的比强度和比刚度,目前是一种理想的轻质高强度航空航天结构材料。同铝合金相比,用碳纤维复合材料制造的飞机结构,减重效果可达20%~40%。

 

    20 世纪90 年代以来,美国等发达国家的先进战斗机无一例外地大量采用复合材料结构,几乎遍布飞机各个部位,包括垂尾、平尾、机身蒙皮以及机翼壁板和蒙皮等。如F-22 战斗机的复合材料用量占飞机总重量的24%,F-35 战斗机达到36%,EF-2000 飞机达到43%。在民用飞机上,复合材料在波音飞机和空客飞机上的用量近年来持续上升,进入21 世纪更是突飞猛进:如在波音B787“梦想飞机”上,复合材料的重量占比达50%;而在空客公司已交付使用的空中巨无霸A-380 飞机上,复合材料的重量占比为25%。空客计划推出超宽体客机A-380 XWB,复合材料用量将达52%。由于采用复合材料,不仅可降低结构重量,而且还将提供更大的设计空间和更舒适的乘坐体验。在航天领域,复合材料广泛应用于航天器结构件,包括卫星中心承力筒、各种仪器安装结构板等。在运载火箭上被用于火箭的排气锥体,发动机的盖、燃烧室壳体、喷管、喉衬、扩散段,以及整流罩等部位,与铝合金相比重量可减轻10%~25%。随着复合材料的用量急剧增加,其制造的高成本问题变得日益突出。因此,复合材料的低成本化已成为目前研究的重点。复合材料的低成本研制技术主要包括:发展以DFM(design for manufacture)为核心的设计制造一体化技术;发展大丝束碳纤维的应用、低温快速固化树脂体系开发、热塑性复合材料的合理使用等低成本的材料技术;发展以自动铺带(ATL)和纤维自动铺放(AFP)为主的低成本自动化制造技术,和以树脂传递成型(RTM)技术为核心的低成本制造技术;发展以共固化/共胶接为核心的大制件整体成型技术、非热压罐外成型技术等。

 

 

    3 航空航天功能材料

 

 

    现代飞行器对机动性、灵敏性、控制精确性和制导准确性提出更高要求,这些都依赖于功能材料的发展和应用。

 

    鉴于功能材料的重要地位,世界各国都十分重视功能材料技术的发展。美国20 世纪末支持的6类材料中有5 类属于功能材料,其他各国也都在大力发展各种新型功能材料。

 

    航空航天功能材料的特点有:1)应用面宽;2)研制周期短;3)性价比高;4)小批量,多品种,多规格。

 

    3.1 航空功能材料

 

    航空功能材料主要包括机载设备的微电子和光电子材料、压电敏感元件材料、透波材料、吸波材料、红外敏感材料、激光晶体及低膨胀微晶玻璃等。

 

    20 世纪90 年代的海湾战争是航空新型功能材料的大检阅,尤其是由吸波材料结合隐身结构设计实现隐身技术,使飞机的突防能力极大地提高。有观点认为,现代军用飞机已进入隐身时代。

 

    1)透波复合材料

 

    它是以透电磁波的低介电材料与基体复合而成的一类功能材料,也是集结构与功能于一体的新型复合材料。透波复合材料具有良好的综合性能,包括优异的介电性能,良好的耐热性、环境适应性及较高的机械强度,广泛地应用于各种飞机雷达、导弹、卫星的天线罩和天线窗。

 

    2)吸波隐身复合材料

 

    它是当代最具代表性的结构-功能一体化新型复合材料,结构形状特殊,整体化程度高,从设计到材料成型都有不同于一般复合材料的要求,集多种现代高新技术于一体,代表了目前复合材料的发展水平。实现飞机隐身主要有两种技术途径,即外形结构设计和采用隐身材料,而前者不是本文要重点介绍的内容。目前,探测飞机的遥感设备主要有雷达、红外、光学和声波探测系统4 种,因此隐身技术也可分为雷达隐身、红外隐身、可见光隐身和声波隐身4 大类。由于雷达探测占60 %以上,因而隐身的重点是雷达隐身,主要利用吸波材料来实现。

 

    3.2 航天功能材料

 

    航天功能材料应用更为广泛,其中最典型的是防热耐烧蚀复合材料和梯度功能材料。

 

    1)防热耐烧蚀复合材料

 

    当航天飞行器以高超声速往返大气时,在气动加热下,其表面温度高达4000~8000 ℃;固体和液体火箭发动机工作时,燃烧室产生的高速气流冲刷喷管,烧蚀最苛刻的喉衬部位温度瞬间可超过3000 ℃。因此必须采取有效的热防护方法,以保护内部结构在一定温度范围内正常工作。目前主要的方法是通过表面材料的自身烧蚀引起质量损失,吸收并带走大量的热量,从而阻止外部热量向结构内部传递。

 

    防热耐烧蚀复合材料是为了满足航天器极端高温要求而发展起来的一种新型复合材料,主要包括碳/碳复合材料、碳/酚醛复合材料、碳纤维/陶瓷复合材料等。这些材料具有高比强度、高比模量、耐高温、抗烧蚀、抗冲击等特点,目前正逐步取代黑色金属、有色金属等传统材料,成为轻质化结构和防热结构的主要材料。

 

    2)梯度功能复合材料

 

    航天器在大气层中以高超声速飞行,其头部和发动机燃烧室内壁的温度高达 2100 ℃以上,因此材料必须能耐受2100 ℃的高温,另外,航天器各部分的温差极大(最高达1600 ℃),服役条件极为恶劣。1984 年,日本学者首先提出了梯度功能复合材料的概念,其设计思想之一是采用耐热性及隔热性的陶瓷材料以适应几千度高温气体的环境;之二是采用导热性能好和机械强度高的金属材料,通过控制材料的组分、结构和显微气孔率,使之沿厚度方向连续变化,即可得到陶瓷/金属梯度功能复合材料,如图4 所示。该材料内部不存在明显的界面,陶瓷和金属的组分和结构呈连续变化,因而物性参数也呈连续变化。高温侧壁采用耐热性好的陶瓷材料,低温侧壁使用导热和强度好的金属材料;材料从陶瓷过渡到金属的过程中,其耐热性逐渐降低,而机械强度逐渐升高,并具有热应力缓和功能即热应力在材料两端均很小,在材料中部达到峰值,成为可应用于高温环境下的新一代功能材料。

 

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    4 航空航天材料发展方向

    1)高性能

 

    高性能是指轻质、高强度、高模量、高韧性、耐高温、耐低温,抗氧化、耐腐蚀等。材料的高性能对降低飞行器结构重量和提高结构效率、提高服役可靠性及延长使用寿命极为重要,是航空航天材料研究不断追求的目标。

 

    2)特殊功能

 

    材料在光、电、声、热、磁上的特殊功能是支撑某些关键技术以提高飞行器机动性能和突防能力的重要保证。如以红外材料为基础的光电成像夜视技术能增强坦克、装甲车、飞机、军舰及步兵的夜战能力,红外成像制导技术可大大提高导弹的命中率和抗干扰能力,以新型固体激光材料为基础的激光测距和火控系统等可使灵活作战能力大大加强。

 

    3)复合化

 

    复合化已成为新材料的重要发展趁势之一。业内专家指出,航空复合材料未来20~30 年将迎来新的发展时期,甚至引发航空产业链的革命性变革,包括设计理念的创新和设计团队知识的更新,航空产品供应链的战略性改变,新型复合材料技术不断出现(如混杂复合技术、源于自然界中珍珠贝壳结构启发的仿生复合技术),以及对航空维修业提出前所未有的挑战。

 

    4)智能化

 

    智能化是航空航天材料重要发展趁势之一。智能复合材料将复合材料技术与现代传感技术、信息处理技术和功能驱动技术集成于一体,将感知单元(传感器)、信息处理单元(微处理器)与执行单元(功能驱动器)联成一个回路,通过埋置在复合材料内部不同部位的传感器感知内外环境和受力状态的变化,并将感知到的变化信号通过微处理器进行处理并作出判断,向功能驱动器发出指令信号;而功能驱动器可根据指令信号的性质和大小进行相应的调节,使构件适应有关变化。整个过程完全自动化,从而实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自保护等多种特殊功能。智能复合材料是传感技术、计算机技术与材料科学交叉融合的产物,在许多领域展现了广阔的应用前景,例如飞机的智能蒙皮与自适应机翼就是由智能复合材料构成的一种高端的智能结构。

 

    5)整体化

 

    整体化制造不仅可减少机械装配件数量,节约材料和工时,还能减少因装配失误埋下的事故隐患。铝合金一直是航空航天重要结构材料,用铝合金厚板(厚度>6 mm)制造飞机整体部件如机身框架、机翼壁板、翼梁、翼肋等是重要发展趋势之一。

 

    6)低维化

 

    低维化是指维数小于 3 的材料的应用,具体来说包括二维(超薄膜)、一维(碳纳米管)和准零维(纳米颗粒)材料。其中碳纳米管在航空航天中的应用得到了广泛的研究,用它制备复合材料也取得了较大进展。

 

    7)低成本化

 

    航空航天材料从过去单纯追求高性能发展到今天综合考虑性能与价格的平衡,低成本化贯穿材料、结构设计、制造、检测评价以及维护维修等全过程。对碳纤维复合材料而言,其制造成本在整个成本中占有相当大的比例;因此,对其低成本制造技术应投入足够关注。各种低成本制造技术发展很快,尤其是以树脂传递成型(RTM)为代表的液体成型技术和以大型复杂构件的共固化/共胶接为代表的整体化成型技术等均得到了很大的发展。

 

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责任编辑:王元


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标签: 航空航天, 材料, 高性能, 飞行器

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