- 引言 -

 

又到一年中秋季。夜空之中，那皎潔的明月和那仿佛閃爍的星星，總能給人帶來無限的遐思。

正如20世紀(jì)最偉大的古典恐怖故事作家洛夫克拉夫特（Howard Phillips Lovecraft）在他的啟示錄題材的科幻作品《克蘇魯神話》所描述的那樣：假設(shè)你的腳邊有一只螞蟻在爬，你不會在意有沒有踩死它，因為它太渺小了，是死還是活，對你來說沒有分毫影響。

在“克蘇魯神話”中描述的遠(yuǎn)古邪神的眼中，人類就是那只螞蟻。洛夫克拉夫特所倡導(dǎo)的“宇宙主義”，即人類遠(yuǎn)非世界的主宰者，在尚未探索的未知宇宙中，隱藏著超乎想象、不可名狀的恐怖真相，只是見上一眼就能讓人陷入瘋狂或者死亡。

正如作者本人所述：“人類最古老、最強烈的情感是恐懼；而最古老、最強烈的恐懼，是對未知的恐懼”。

事實可能就是如此。人類作為一個個體，對于我們賴以生存的這顆蔚藍(lán)色的星球來說，是如此的渺小，乃至不值一提的地步……而我們?nèi)祟愡@一整個物種——盡管我們的個體數(shù)量已經(jīng)幾乎快要用“百億”這個龐大的單位來度量了——但對于整個宇宙而言，也如同大海之中的一粒沙子，渺小到毫無意義。

實際上，如果我們將視角拔高到整個宇宙的高度，我們的地球確實面臨這樣的處境：它不過是一顆孤獨懸浮于遠(yuǎn)比深海龐大的宇宙之中的渺小星球……就好像獨身一人漂泊于一葉孤舟之上，他的面前是無際無邊的大海，而他的腳下也是黑暗幽深的無底深淵。

然而，也許正是這種深深的宇宙恐懼，激發(fā)了人類掙脫束縛的熱情和欲望，走出地球，走向浩瀚星空。

 

1934年的洛夫克拉夫特，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:H._P._Lovecraft,_June_1934.jpg#/media/File:H._P._Lovecraft,_June_1934.jpg

 

- 01 -

 

人類天生沒有翅膀，但人類從未停止追求飛行、探索浩瀚星空的腳步。而走向天空的夢想，是一代一代人，一步一個腳印走出來的，干出來的。

在中世紀(jì)的歐洲，就有人開始嘗試用鳥類的羽毛做成翅膀，嘗試飛行，但都未能成功。

文藝復(fù)興時期的達(dá)·芬奇，第一次提出了直升機的原始模型，但限于當(dāng)時整體落后的技術(shù)，相關(guān)的工作未能為推動航空事業(yè)發(fā)揮真正的作用。

1783年，法國人蒙哥爾費兄弟成功制成了可以載人的熱氣球，同年，羅奇埃乘坐這個熱氣球在凡爾賽宮上空飛行了25分鐘，人類真正開始了“空中時代”。

1903年，萊特兄弟等人在滑翔機的基礎(chǔ)上制成了“飛行者”號飛機，并完成了人類歷史上第一次持續(xù)的動力飛行。

1914年，世界首個固定翼民航航班從美國佛羅里達(dá)州圣彼得斯堡起飛前往坦帕。

1933年，波音247正式首飛，這架飛機融入了眾多現(xiàn)代化商業(yè)航空飛機特色，例如像可收起的起落架等。

1939年，俄裔美國人西科斯基制成了第一個現(xiàn)代意義上的直升機VS-300，十秒鐘的懸停，讓可控的全方位飛行成為現(xiàn)實。

1947年，美國人耶格爾駕駛 “貝爾X-1”型飛機，第一次超過了音速，人類的飛行開始突破“音障”。

1949年，世界首架噴氣客機德哈維蘭彗星首飛，并在1952年進(jìn)入市場服役。

1961年 4月12日，莫斯科時間上午9時07分，蘇聯(lián)成功將人類第一名航天員尤里·阿列克謝耶維奇·加加林送入太空。

1969年 7月，尼爾·阿姆斯特朗駕駛阿波羅11號成功登月并出艙活動。在這次“人類的一大步”中，阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林在月球表面進(jìn)行了兩個半小時的月表行走（邁克爾·科林斯在指令艙中環(huán)繞月球）。

1970年，世界首架波音747入列泛美航空，開始進(jìn)行服役。

1972年，世界首架空客A300進(jìn)入服役，空中客車公司生產(chǎn)的第一架雙通道寬體客機，由此拉開了空客進(jìn)軍世界航空市場的序幕。

1976年，協(xié)和號超音速客機進(jìn)入服役，蘇聯(lián)的圖144超音速客機隨后進(jìn)入市場。

1987年 世界首架A320首飛。

2003年 10月15日9時，中國首架載人航天飛行器“神舟五號”成功將航天員楊利偉送入太空。

2007年，首架全雙層客機空客A380正式進(jìn)入服役。

2011年，首架波音787夢想飛機正式交付給日本全日空航空公司。

2015年，由普惠靜潔動力齒輪渦扇發(fā)動機驅(qū)動的空客A320neo正式獲得FAA和EASA的認(rèn)證，標(biāo)志著該型機將交付并進(jìn)行商業(yè)使用。

2017年，中國首架具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的中短程雙發(fā)窄體民用運輸機C919成功首飛，對標(biāo)波音空客兩巨頭，標(biāo)志著“中國智造”正式進(jìn)入世界民航領(lǐng)域。

2019年，嫦娥4號在月球背面軟著陸，這是人類探測器首次月背軟著陸，首次月背與地球的中繼通信。

 

中國南方航空公司A380從北京首都機場起飛，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:China_Southern_Airlines_Airbus_A380_Zhao-1.jpg#/media/File:China_Southern_Airlines_Airbus_A380_Zhao-1.jpg

 

嫦娥四號成功登陸月背（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

 

人類在航空航天事業(yè)中的探索歷程，不僅是一部人類科技的發(fā)展史，也是一部鐫刻著人類奮斗和犧牲的艱辛創(chuàng)業(yè)史。航天航空用材料，也是這么一步步發(fā)展起來的。

- 02 -

 

航空航天材料是指飛行器及其動力裝置、附件、儀表所用的各類材料，是航空航天工程技術(shù)發(fā)展的決定性因素之一。

飛行器的設(shè)計不斷地向材料科學(xué)提出新的課題，推動航空航天材料科學(xué)向前發(fā)展；各種新材料的出現(xiàn)也給飛行器的設(shè)計提供新的可能性，極大地促進(jìn)了航空航天技術(shù)的發(fā)展。

航空航天材料的進(jìn)展取決于下列3個因素：

1、材料科學(xué)理論的新發(fā)現(xiàn)：例如，鋁合金的時效強化理論導(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)致高強度、高模量芳綸有機纖維的發(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最優(yōu)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：

現(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。一種新型航空航天材料只有在這三個方面都已經(jīng)發(fā)展到成熟階段，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。

- 03 -

 

18世紀(jì)60年代發(fā)生的歐洲工業(yè)革命使紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、機器制造工業(yè)得到很大的發(fā)展，從而結(jié)束了人類只能利用自然材料向天空挑戰(zhàn)的時代。

1903年美國萊特兄弟制造出第一架裝有活塞式航空發(fā)動機的飛機，當(dāng)時使用的材料有木材（占47%），鋼（占35%）和布（占18%），飛機的飛行速度只有16公里/時。

1906年德國冶金學(xué)家發(fā)明了可以時效強化的硬鋁，使制造全金屬結(jié)構(gòu)的飛機成為可能。

40年代 出現(xiàn)的全金屬結(jié)構(gòu)飛機的承載能力已大大增加，飛行速度超過了600公里/時。在合金強化理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一系列高溫合金使得噴氣式發(fā)動機的性能得以不斷提高。

50年代 鈦合金的研制成功和應(yīng)用對克服機翼蒙皮的“熱障”問題起了重大作用，飛機的性能大幅度提高，最大飛行速度達(dá)到了3倍音速。

40年代初期出現(xiàn)的德國 V-2火箭只使用了一般的航空材料。

50年代以后，材料燒蝕防熱理論的出現(xiàn)以及燒蝕材料的研制成功，解決了彈道導(dǎo)彈彈頭的再入防熱問題。

60年代以來，航空航天材料性能的不斷提高，一些飛行器部件使用了更先進(jìn)的復(fù)合材料，如碳纖維或硼纖維增強的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等，以減輕結(jié)構(gòu)重量。

返回型航天器和航天飛機在再入大氣層時會遇到比彈道導(dǎo)彈彈頭再入時間長得多的空氣動力加熱過程，但加熱速度較慢，熱流較小。采用抗氧化性能更好的碳-碳復(fù)合材料、陶瓷隔熱瓦等特殊材料可以解決防熱問題。

飛行器發(fā)展到80年代已成為機械加電子的高度一體化的產(chǎn)品。它要求使用品種繁多的、具有先進(jìn)性能的結(jié)構(gòu)材料和具有電、光、熱和磁等多種性能的功能材料。

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航空航天材料按材料的使用對象不同可分為飛機材料、航空發(fā)動機材料、火箭和導(dǎo)彈材料和航天器材料等；按材料的化學(xué)成分不同可分為金屬與合金材料、有機非金屬材料、無機非金屬材料和復(fù)合材料。

飛行器是多系統(tǒng)集成體，所涉及的零部件達(dá)數(shù)十萬計，元器件達(dá)數(shù)百萬計，要用到上千種材料。

飛行器要在各種狀態(tài)和各種極端環(huán)境條件下飛行，如何確保其飛行安全至關(guān)重要。除設(shè)計、制造、使用和維護(hù)維修要有極其嚴(yán)格的質(zhì)量控制要求外，材料的可靠性顯得尤為關(guān)鍵。

飛行史上的許多事故教訓(xùn)表明，材料失效是導(dǎo)致飛行事故的重要原因之一：大到一個結(jié)構(gòu)件的斷裂，小到一個鉚釘或密封圈的失效，都可能導(dǎo)致飛行事故。

用航空航天材料制造的許多零件，往往需要在超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)力、強腐蝕等極端條件下工作。有的則受到重量和容納空間的限制，需要以最小的體積和質(zhì)量發(fā)揮在通常情況下等效的功能，有的需要在大氣層中或外層空間長期運行，不可能停機檢查或更換零件，因而要有極高的可靠性和質(zhì)量保證。

不同的工作環(huán)境要求航空航天材料具有不同的特性。

高的比強度和比剛度對飛行器材料的基本要求是：材質(zhì)輕、強度高、剛度好。減輕飛行器本身的結(jié)構(gòu)重量就意味著增加運載能力，提高機動性能，加大飛行距離或射程，減少燃油或推進(jìn)劑的消耗。

比強度和比剛度是衡量航空航天材料力學(xué)性能優(yōu)劣的重要參數(shù)：

比強度=σ/ρ比剛度=E/ρ式中σ為材料的強度，E為材料的彈性模量，ρ為材料的比重。

飛行器除了受靜載荷的作用外，還要經(jīng)受由于起飛和降落、發(fā)動機振動、轉(zhuǎn)動件的高速旋轉(zhuǎn)、機動飛行和突風(fēng)等因素產(chǎn)生的交變載荷，因此材料的疲勞性能也受到人們極大的重視。

- 05 -

 

耐高低溫是對航空航天材料的基本要求。

飛行器所經(jīng)受的高溫環(huán)境是空氣動力加熱、發(fā)動機燃?xì)庖约疤罩刑柕妮椪赵斐傻摹?/span>

航空器要長時間在空氣中飛行，有的飛行速度高達(dá)3倍音速，所使用的高溫材料要具有良好的高溫持久強度、蠕變強度、熱疲勞強度，在空氣和腐蝕介質(zhì)中要有高的抗氧化性能和抗熱腐蝕性能，并應(yīng)具有在高溫下長期工作的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

火箭發(fā)動機燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)3000°C以上，噴射速度可達(dá)十余個馬赫數(shù)，而且固體火箭燃?xì)庵羞€夾雜有固體粒子。

彈道導(dǎo)彈頭部在再入大氣層時速度高達(dá)20個馬赫數(shù)以上，溫度高達(dá)上萬攝氏度，有時還會受到粒子云的侵蝕，因此在航天技術(shù)領(lǐng)域中所涉及的高溫環(huán)境往往同時包括高溫高速氣流和粒子的沖刷。

在這種條件下需要利用材料所具有的熔解熱、蒸發(fā)熱、升華熱、分解熱、化合熱以及高溫粘性等物理性能來設(shè)計高溫耐燒蝕材料和發(fā)汗冷卻材料以滿足高溫環(huán)境的要求。

太陽輻照會造成在外層空間運行的衛(wèi)星和飛船表面溫度的交變，一般采用溫控涂層和隔熱材料來解決。低溫環(huán)境的形成來自大自然和低溫推進(jìn)劑。

飛機在同溫層以亞音速飛行時表面溫度會降到-50°C左右，極圈以內(nèi)各地域的嚴(yán)冬會使機場環(huán)境溫度下降到-40°C以下。在這種環(huán)境下要求金屬構(gòu)件或橡膠輪胎不產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。

液體火箭使用液氧（沸點為-183°C）和液氫（沸點為-253°C）作推進(jìn)劑，這為材料提出了更嚴(yán)峻的環(huán)境條件。部分金屬材料和絕大多數(shù)高分子材料在這種條件下都會變脆。通過發(fā)展或選擇合適的材料，如純鋁和鋁合金、鈦合金、低溫鋼、聚四氟乙烯、聚酰亞胺和全氟聚醚等，才能解決超低溫下結(jié)構(gòu)承受載荷的能力和密封等問題。

 

火箭發(fā)動機示意圖（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

 

- 06 -

 

航空航天材料還需要具備耐老化腐蝕性，能適應(yīng)空間環(huán)境和具有絕對可靠的安全壽命。

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)是飛機用燃料（如汽油、煤油）、火箭用推進(jìn)劑（如濃硝酸、四氧化二氮、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烈的腐蝕作用或溶脹作用。在大氣中受太陽的輻照、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。

空間環(huán)境對材料的作用主要表現(xiàn)為高真空（1.33×10帕）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。

為了減輕飛行器的結(jié)構(gòu)重量，選取盡可能小的安全余量而達(dá)到絕對可靠的安全壽命，這被認(rèn)為是飛行器設(shè)計的奮斗目標(biāo)。對于導(dǎo)彈或運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。

- 07 -

 

以下介紹當(dāng)前主流的幾種航空器用結(jié)構(gòu)材料。

目前，航空器上使用的材料主要有鋁合金、鎂合金、鈦合金和高溫合金，超高強度鋼和復(fù)合材料，其中鋁合金材料占飛機用料50%--70%左右，鎂合金材料占飛機用料5%--10%左右，現(xiàn)代化的飛機，鈦合金的用量比重越來越大，而高溫合金則用于飛機發(fā)動機。

鋁合金

 

1903年，美國萊特兄弟發(fā)明了世界上第一架飛機，所選用的材料是木材和帆布，飛行速度只有每小時16公里，和騎自行車的速度相差無幾。

1911年，鋁合金研制成功，并很快取代了木材和帆布，成為制造飛機的主要材料。第一次世界大戰(zhàn)期間，全金屬結(jié)構(gòu)的飛機已經(jīng)很普遍了。

從木布結(jié)構(gòu)過渡到金屬結(jié)構(gòu)，飛機的速度和其他性能實現(xiàn)了一次飛躍。例如，到1939年，螺旋槳飛機創(chuàng)造的最高時速已達(dá)755公里，僅36年的時間，飛機的飛行速度提高了47倍。如今，在飛機所使用的金屬材料中，鋁合金仍占有重要地位。

航空用鋁合金密度低、耐腐蝕性能好，且具有較高的比強度、比剛度，容易加工成型，有足夠的使用經(jīng)驗，這些優(yōu)點使其成為飛機結(jié)構(gòu)的理想材料。

從誕生以來，鋁合金隨著飛機設(shè)計的要求而不斷發(fā)展，其性能也日益強大。

例如，1954年，英國的3架“彗星”飛機先后墜毀，事故分析表明，墜機的主要原因是材料疲勞以及部分7075-T6鋁合金構(gòu)件被嚴(yán)重腐蝕。經(jīng)過探索，研究人員突破了過時效熱處理問題，研制出第二代耐腐蝕鋁合金，有效提升了飛機的安全水平。

如今，航空鋁合金的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入第六階段。2005年4月27日，世界上最大的寬體客機空客A380在圖盧茲機場成功首飛。A380能夠取得成功，先進(jìn)材料的應(yīng)用立下了汗馬功勞。其中，加拿大鋁業(yè)公司和美國鋁業(yè)公司就為A380開發(fā)了新型鋁合金材料。

鎂合金

 

鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強度高、抗震能力強、可承受較大沖擊載荷等特點。

國外最早針對鎂合金的研究主要是在航天器的應(yīng)用領(lǐng)域，后來逐漸發(fā)展到航空領(lǐng)域。

1934年，德國開始將鎂合金制造的飛機零部件應(yīng)用到福克Fw-200飛機上，主要用在飛機的發(fā)動機罩、機翼蒙皮及座位框架上，每架飛機共用鎂合金材料大約650kg。

目前，鎂合金材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：飛機框架、座椅、發(fā)動機機匣、齒輪箱等。2010年，美國聯(lián)邦航空管理局針對用AZ31、WE43等制造的鎂合金飛機座椅，開展了大量的整機可燃性試驗，比較了這兩種鎂合金的可燃性、燃燒持續(xù)時間等性能。

埃塞克斯飛機公司用鎂合金板材及型材制造的190-8327L飛機油箱，與用鋁合金制造的油箱相比，每升容積可減重0.144?0.168kg，整架飛機的最大減重可達(dá)454kg。

目前，一些高溫鎂合金如WE43、WE54等已被廣泛應(yīng)用于新型航空發(fā)動機齒輪箱和直升機的變速系統(tǒng)中，如西科斯基的S-92直升機。這些鎂合金材料能較好地適應(yīng)高溫、腐蝕、震動和沙塵等比較惡劣的環(huán)境。

伴隨著航空金屬材料的不斷發(fā)展，飛機金屬加工工藝也在迅速發(fā)展，如大型壁板時效成型技術(shù)、大型模鍛件制造、3D打印技術(shù)、先進(jìn)膠結(jié)技術(shù)、先進(jìn)焊接技術(shù)等。

在飛機設(shè)計時，一定要綜合材料優(yōu)勢，揚長避短，物盡其用，這樣才能最大限度地發(fā)揮材料的性能，真正實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)的安全、高效，達(dá)到減少重量、降低制造和運營成本的目的。

鈦合金

 

鈦及鈦合金材料密度低、比強度高（目前金屬材料中最高）、耐腐蝕、耐高溫、無磁、組織性能和穩(wěn)定性好，可以與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)直接連接，而且兩者之間的熱膨脹系數(shù)相近，不易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，具有優(yōu)良的綜合性能。因此，鈦合金在航空領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1949年，美國道格拉斯公司在DC-7運輸機的發(fā)動機艙和隔熱板上，第一次使用了鈦合金。

洛克希德公司的“黑鳥”高空高速戰(zhàn)略偵察機SR-71，飛行速度超過3馬赫，在高速飛行時，機體表面溫度將超過常規(guī)鋁合金蒙皮的極限，如果用鋼制造，飛機重量會大大增加，影響飛行速度和升限等性能。因此，SR-71的機身大量采用了鈦合金，總重達(dá)30多噸，占飛機結(jié)構(gòu)重量的93%。

隨著人們對飛機性能要求的不斷提高，民用飛機的鈦合金用量也在逐漸增加。早期波音707上的鈦合金部件用量僅占結(jié)構(gòu)總重量的0.2%，到最新的波音787，占比高達(dá)15%。

此外，鈦合金也是制造航空發(fā)動機的主要材料。早期美國F-4戰(zhàn)斗機使用的J79發(fā)動機，鈦合金的用量只有50千克，不到總重量的2%。而現(xiàn)在大多數(shù)航空發(fā)動機的鈦用量已經(jīng)達(dá)到發(fā)動機總重量的25%~30%。如波音747、767的發(fā)動機JT9D，其用鈦量為總重量的25%；空客A320的V2500發(fā)動機，其用鈦量為總重量的31%。

鈦合金的另一大用途是作為螺栓、鉚釘?shù)染o固件材料。這些緊固件雖小，但用量卻很大，使用鈦合金緊固件可以大大減輕重量。據(jù)估算，C-5大型運輸機有70%的緊固件為鈦合金緊固件，飛機因此而減重1噸左右。

現(xiàn)在鈦合金3D打印技術(shù)已用于飛機制造。鈦合金3D打印技術(shù)由于擺脫了傳統(tǒng)的模具制造這一顯著延長研發(fā)時間的環(huán)節(jié)，可以制造高精度、高性能、高柔性和快速制造結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的金屬零件，因而為先進(jìn)飛機結(jié)構(gòu)的快速研發(fā)提供了有力的技術(shù)手段。

 

Titanium support structure for a jet engine thrust reverser（噴氣發(fā)動機推力反向器的鈦支撐結(jié)構(gòu)），By Markus Schwei? at German Wikipedia - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=326345

 

高溫合金

 

高溫合金是為了滿足噴氣發(fā)動機對材料的苛刻要求而研制的，至今已成為軍用和民用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機熱端部件不可替代的一類關(guān)鍵材料。目前，在先進(jìn)的航空發(fā)動機中，高溫合金用量所占比例已高達(dá)50%以上。

高溫合金的發(fā)展與航空發(fā)動機的技術(shù)進(jìn)步密切相關(guān)，尤其是發(fā)動機熱端部件渦輪盤、渦輪葉片材料和制造工藝是發(fā)動機發(fā)展的重要標(biāo)志。

由于對材料的耐高溫性能和應(yīng)力承受能力提出很高要求，早期英國研制了Ni3（Al、Ti）強化的Nimonic80合金，用作渦輪噴氣發(fā)動機渦輪葉片材料，此后，又相繼發(fā)展了Nimonic系列合金。

美國開發(fā)了含鋁、鈦的彌散強化型鎳基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金屬公司分別開發(fā)出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。

在高溫合金發(fā)展過程中，制造工藝對合金的發(fā)展起著極大的推進(jìn)作用。由于真空熔煉技術(shù)的出現(xiàn)，合金中有害雜質(zhì)和氣體的去除，特別是合金成分的精確控制，使高溫合金性能不斷提高。隨后，定向凝固、單晶生長、粉末冶金、機械合金化、陶瓷型芯、陶瓷過濾、等溫鍛造等新型工藝的研究成功，推動了高溫合金的迅猛發(fā)展。

其中定向凝固技術(shù)最為突出，采用定向凝固工藝制出的定向、單晶合金，其使用溫度接近初熔點的90%。因此，目前各國先進(jìn)航空發(fā)動機葉片都采用定向、單晶合金制造渦輪葉片。

 

從國際范圍來看，鎳基鑄造高溫合金已形成等軸晶、定向凝固柱晶和單晶合金體系。粉末高溫合金也由第一代650℃發(fā)展到750℃、850℃粉末渦輪盤和雙性能粉末盤，用于先進(jìn)高性能發(fā)動機。

以下為典型燃?xì)廨啓C噴氣發(fā)動機示意圖：空氣進(jìn)入發(fā)動機時被風(fēng)扇葉片壓縮，在燃燒段與燃料混合燃燒。熱廢氣提供向前推力，并帶動驅(qū)動壓縮機風(fēng)扇葉片的渦輪。

 

1.空氣吸入段2.低壓壓縮段3.高壓壓縮段4.燃燒段5.排氣段6.高溫區(qū)7.低壓渦輪和高壓渦輪8.燃燒室9.冷區(qū)10.進(jìn)氣口；https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Jet_engine_numbered.svg#/media/File:Jet_engine_numbered.svg

 

 

渦輪噴氣發(fā)動機工作示意圖，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbofan_operation.png#/media/File:Turbofan_operation.png

 

超高強度鋼

 

超高強度鋼在強度、剛性、韌性以及價格等方面具有很多優(yōu)勢，且擁有在承受極高載荷條件下保持高壽命和高可靠性的特點，在航空領(lǐng)域得到廣泛使用。

例如，飛機的起落架要承受沖擊等復(fù)雜載荷，而且載荷巨大，同時還要求起落架艙容積盡可能小，超高強度鋼絕對強度大、穩(wěn)定性好，因此成為起落架的首選材料。

第二代飛機采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A鋼，抗拉強度為1700MPa，這種起落架的壽命較短，約2000飛行小時。

第三代戰(zhàn)機設(shè)計要起落架求壽命超過5000飛行小時，同時由于機載設(shè)備增多，飛機結(jié)構(gòu)重量系數(shù)下降，對起落架選材和制造技術(shù)提出更高要求。

美國和我國的第三代戰(zhàn)機均采用300M鋼（抗拉強度1950MPa）起落架制造技術(shù)。300M鋼的抗拉強度高，橫向塑性高，斷裂韌性好，與同強度低合金超高強度鋼相比，300M鋼的抗疲勞性能更好，在介質(zhì)中的裂紋擴展速率低。這些特點使得300M鋼成為大型飛機起落架的主要材料。

應(yīng)該指出的是，材料應(yīng)用技術(shù)水平的提高也在推動起落架壽命的進(jìn)一步延長和適應(yīng)性的擴大。

如空客A380飛機起落架采用了超大型整體鍛件鍛造技術(shù)、新型氣氛保護(hù)熱處理技術(shù)和高速火焰噴涂技術(shù)，使得起落架壽命滿足設(shè)計要求。由此，新材料和制造技術(shù)的進(jìn)步確保了飛機的更新?lián)Q代。

飛機在耐腐蝕環(huán)境中的長壽命設(shè)計對材料提出了更高要求，1992年，美國又開發(fā)了AreMet100。AreMet100與300M的強度級別相同，但耐腐蝕性能和耐應(yīng)力腐蝕性能較300M鋼有較大提高，是目前綜合性能最好的超高強度鋼。

AerMet100鋼較300M鋼而言，強度級別相當(dāng)，而耐一般腐蝕性能和耐應(yīng)力腐蝕性能明顯優(yōu)于300M鋼，與之相配套的起落架制造技術(shù)已應(yīng)用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先進(jìn)飛機上。更高強度的Aermet310鋼斷裂韌性較低，正在研究中。

損傷容限超高強度鋼AF1410的裂紋擴展速率極慢，用作B-1飛機機翼作動筒接頭，比Ti-6Al-4V減重10.6%，加工性能提高60%，成本降低 30.3%。

俄羅斯米格－1.42上高強度不銹鋼用量高達(dá)30%。PH13-8Mo是唯一的高強度馬氏體沉淀硬化不銹鋼，廣泛用作耐蝕構(gòu)件。國內(nèi)探索超高強度不銹鋼取得初步效果。

超高強度鋼的另一應(yīng)用是作為一些特殊傳動部件的基體材料，如航空發(fā)動機中的軸承和傳動齒輪。

航空發(fā)動機的軸承和齒輪的工作環(huán)境完全可以用“煉獄”來形容，它們不僅要承受各種應(yīng)力的擠壓和摩擦，而且絕不允許在使用過程中出現(xiàn)裂紋等損傷，只有超高強度鋼才可擔(dān)此重任。

目前，世界上只有極少數(shù)國家掌握航空發(fā)動機傳動部件超高強度鋼的制造技術(shù)，例如國外發(fā)展了超高強度齒輪（軸承）鋼，如CSS-42L、GearmetC69等，已在發(fā)動機、直升機和宇航應(yīng)用中試用。

先進(jìn)復(fù)合材料

 

根據(jù)用途不同，航空航天用復(fù)合材料可分為機身復(fù)合材料、引擎蓋復(fù)合材料、發(fā)動機復(fù)合材料、飛機內(nèi)部裝飾復(fù)合材料。

2013年，機身所用復(fù)合材料，航空發(fā)動機復(fù)合材料，飛行器內(nèi)飾所用材料分別占64.6%，6.9%，28.5%；統(tǒng)計數(shù)據(jù)指出到2018年，機身所占比重會達(dá)到77.4%，其中航空發(fā)動機和飛行器分別占4.8%和17.8%。

現(xiàn)階段復(fù)合材料主要用于制造航空航天器械的外飾和內(nèi)飾部件，比如座椅、肋板、內(nèi)部裝飾、舷窗、扶手、引擎罩蓋、機翼、機身和導(dǎo)流罩等。

1、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)志是看聚合物復(fù)合材料使用數(shù)量的多少。聚合物復(fù)合材料在比強度和比剛度方面具有非常明顯的優(yōu)越性，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飛機使用聚合物復(fù)合材料的比例將達(dá)到25%。

作為結(jié)構(gòu)材料，新型復(fù)合材料-有機塑料將發(fā)揮越來越大的作用。最近幾年，正在研制第二代有機塑料。

單一用途的有機塑料的Rm值達(dá)到3000-3200Mpa，E值提高到130Gpa。試驗研究表明，有可能獲得彈性模量為200-250Gpa的有機塑料。需要指出的是，這實際上就是將工作溫度范圍擴大1倍，還可顯著降低復(fù)合材料的吸水率。

在比強度和比彈性模量方面，現(xiàn)代的有機塑料，特別是未來的有機塑料，將超過所有已知的以聚合物、金屬和陶瓷為基體的復(fù)合材料。

2、陶瓷基復(fù)合材料

 

說到陶瓷，人們很自然想到它的特點就是脆性。十幾年前，如果把它用于工程領(lǐng)域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到現(xiàn)在說到陶瓷復(fù)合材料，也可能還會有些人不清楚，認(rèn)為陶瓷和金屬原本就是兩種不相關(guān)的基本材料，但是自從人們巧妙地將陶瓷和金屬結(jié)合后，才使人們對這種材料的概念發(fā)生了根本的變化，這就是陶瓷基復(fù)合材料。

陶瓷基復(fù)合材料在航空工業(yè)領(lǐng)域是一種非常有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料，特別是在航空發(fā)動機制造應(yīng)用中，越來越顯示出它的獨到之處。陶瓷基復(fù)合材料除了具有重量輕，硬度高的優(yōu)點以外，還具有優(yōu)異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。

目前陶瓷基復(fù)合材料在承受高溫方面已經(jīng)超過了金屬耐熱材料，并具有很好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是高性能渦輪發(fā)動機高溫區(qū)理想的極好材料。

目前世界各國針對下一代先進(jìn)發(fā)動機對材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增強陶瓷材料，并取得了較大進(jìn)展，有的已開始應(yīng)用在現(xiàn)代航空發(fā)動機中。

例如美國驗證機的F120型發(fā)動機，它的高壓渦輪密封裝置，燃燒室的部分高溫零件，均采用了陶瓷材料。法國的M88-2型發(fā)動機的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復(fù)合材料。據(jù)專家估計，到2000年陶瓷材料將占高性能渦輪發(fā)動機重量的30％。

3、金屬間化合物

 

高性能、高推重比航空發(fā)動機的研制，促進(jìn)了金屬間化合物的開發(fā)與應(yīng)用。如今金屬間化合物已經(jīng)發(fā)展成為多種多樣的族，它們一般都是由二元三元或多元素金屬元素組成的化合物。

金屬間化合物在高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面具有巨大的潛力，它具有高的使用溫度以及比強度、導(dǎo)熱率，尤其是在高溫狀態(tài)下，還具有很好的抗氧化，高腐蝕性和高的蠕變強度。

另外由于金屬間化合物是處于高溫合金與陶瓷材料之間的一種新材料，它填補了這兩種材料之間的空檔，因而成為航空發(fā)動機高溫部件的理想材料之一。

目前在航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)中，致力于研究開發(fā)的主要是以鈦鋁（TiAl）和鎳鋁等為重點的金屬間化合物。這些鈦鋁化合物與鈦的密度基本相同，但卻有更高的使用溫度。例如Ti和TiAl的使用溫度分別為816℃和982℃。

金屬間化合物原子間的結(jié)合力強，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成了它的變形困難，在室溫下顯現(xiàn)出硬而脆的特點。目前經(jīng)過多年的試驗研究，一種具有高溫強度和室溫塑性與韌性的新型合金已經(jīng)研制成功，并已裝機使用，效果很好。

例如美國的高性能F119型發(fā)動機的外涵機匣、渦輪盤都是采用的金屬間化合物，驗證機F120型發(fā)動機的壓氣機葉片和盤，均采用了新的鈦鋁金屬間化合物。

4、C/C基復(fù)合材料

 

C/C基復(fù)合材料（碳/碳復(fù)合材料）是近年來最受重視的一種更耐高溫的新材料。

到目前為止，只有C/C復(fù)合材料是被認(rèn)為唯一可做為推重比20以上，發(fā)動機進(jìn)口溫度可達(dá)1930-2227℃渦輪轉(zhuǎn)子葉片的后繼材料，是美國21世紀(jì)重點發(fā)展的耐高溫材料，世界先進(jìn)工業(yè)國家竭力追求的最高目標(biāo)。

C/C基復(fù)合材料，即碳纖維增強碳基本復(fù)合材料，它把碳的難熔性與碳纖維的高強度及高剛性結(jié)合于一體，使其呈現(xiàn)出非脆性破壞。由于它具有重量輕、高強度，優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導(dǎo)性，是當(dāng)今最理想的耐高溫材料，特別是在1000-1300℃的高溫環(huán)境下，它的強度不僅沒有下降，反而有所提高。在1650℃以下時依然還保持著室溫環(huán)境下的強度和風(fēng)度。因此C/C基復(fù)合材料在宇航制造業(yè)中具有很大的發(fā)展前途。

C/C基復(fù)合材料在航空發(fā)動機上應(yīng)用的主要問題是抗氧化性能較差，近幾年美國通過采取一系列的工藝措施，使這一問題不斷得到解決，逐步應(yīng)用在新型發(fā)動機上。

例如美國的F119發(fā)動機上的加力燃燒室的尾噴管，F(xiàn)100發(fā)動機的噴嘴及燃燒室噴管，F(xiàn)120驗證機燃燒室的部分零件已采用C/C基復(fù)合材料制造。法國的M88-2發(fā)動機，幻影2000型發(fā)動機的加力燃燒室噴油桿、隔熱屏、噴管等也都采用了C/C基復(fù)合材料。

- 08 -

 

業(yè)內(nèi)專家指出，當(dāng)前航空航天材料的發(fā)展有如下幾個方向：

1）高性能

 

高性能是指輕質(zhì)、高強度、高模量、高韌性、耐高溫、耐低溫，抗氧化、耐腐蝕等。材料的高性能對降低飛行器結(jié)構(gòu)重量和提高結(jié)構(gòu)效率、提高服役可靠性及延長使用壽命極為重要，是航空航天材料研究不斷追求的目標(biāo)。

2）特殊功能

 

材料在光、電、聲、熱、磁上的特殊功能是支撐某些關(guān)鍵技術(shù)以提高飛行器機動性能和突防能力的重要保證。如以紅外材料為基礎(chǔ)的光電成像夜視技術(shù)能增強坦克、裝甲車、飛機、軍艦及步兵的夜戰(zhàn)能力，紅外成像制導(dǎo)技術(shù)可大大提高導(dǎo)彈的命中率和抗干擾能力，以新型固體激光材料為基礎(chǔ)的激光測距和火控系統(tǒng)等可使靈活作戰(zhàn)能力大大加強。

3）復(fù)合化

 

復(fù)合化已成為新材料的重要發(fā)展趨勢之一。業(yè)內(nèi)專家指出，航空復(fù)合材料未來20～30 年將迎來新的發(fā)展時期，甚至引發(fā)航空產(chǎn)業(yè)鏈的革命性變革，包括設(shè)計理念的創(chuàng)新和設(shè)計團隊知識的更新，航空產(chǎn)品供應(yīng)鏈的戰(zhàn)略性改變，新型復(fù)合材料技術(shù)不斷出現(xiàn)（如混雜復(fù)合技術(shù)、源于自然界中珍珠貝殼結(jié)構(gòu)啟發(fā)的仿生復(fù)合技術(shù)），以及對航空維修業(yè)提出前所未有的挑戰(zhàn)。

4）智能化

 

智能化是航空航天材料重要發(fā)展趨勢之一。

智能復(fù)合材料將復(fù)合材料技術(shù)與現(xiàn)代傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)和功能驅(qū)動技術(shù)集成于一體，將感知單元（傳感器）、信息處理單元（微處理器）與執(zhí)行單元（功能驅(qū)動器）聯(lián)成一個回路，通過埋置在復(fù)合材料內(nèi)部不同部位的傳感器感知內(nèi)外環(huán)境和受力狀態(tài)的變化，并將感知到的變化信號通過微處理器進(jìn)行處理并作出判斷，向功能驅(qū)動器發(fā)出指令信號；而功能驅(qū)動器可根據(jù)指令信號的性質(zhì)和大小進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，使構(gòu)件適應(yīng)有關(guān)變化。

整個過程完全自動化，從而實現(xiàn)自檢測、自診斷、自調(diào)節(jié)、自恢復(fù)、自保護(hù)等多種特殊功能。智能復(fù)合材料是傳感技術(shù)、計算機技術(shù)與材料科學(xué)交叉融合的產(chǎn)物，在許多領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，例如飛機的智能蒙皮與自適應(yīng)機翼就是由智能復(fù)合材料構(gòu)成的一種高端的智能結(jié)構(gòu)。

5）整體化

 

整體化制造不僅可減少機械裝配件數(shù)量，節(jié)約材料和工時，還能減少因裝配失誤埋下的事故隱患。鋁合金一直是航空航天重要結(jié)構(gòu)材料，用鋁合金厚板（厚度＞6 mm）制造飛機整體部件如機身框架、機翼壁板、翼梁、翼肋等是重要發(fā)展趨勢之一。

6）低維化

 

低維化是指維數(shù)小于 3 的材料的應(yīng)用，具體來說包括二維（超薄膜）、一維（碳納米管）和準(zhǔn)零維（納米顆粒）材料。其中碳納米管在航空航天中的應(yīng)用得到了廣泛的研究，用它制備復(fù)合材料也取得了較大進(jìn)展。

7）低成本

 

化航空航天材料從過去單純追求高性能發(fā)展到今天綜合考慮性能與價格的平衡，低成本化貫穿材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、檢測評價以及維護(hù)維修等全過程。對碳纖維復(fù)合材料而言，其制造成本在整個成本中占有相當(dāng)大的比例；因此，對其低成本制造技術(shù)應(yīng)投入足夠關(guān)注。

各種低成本制造技術(shù)發(fā)展很快，尤其是以樹脂傳遞成型（RTM）為代表的液體成型技術(shù)和以大型復(fù)雜構(gòu)件的共固化/共膠接為代表的整體化成型技術(shù)等均得到了很大的發(fā)展。

- 09 -

 

昨晚，在2019籃球世界杯17-32名排位賽中，中國男籃以73：86不敵尼日利亞隊，無緣直通東京奧運會，中國男籃遭遇至暗時刻。新華網(wǎng)客戶端的新聞標(biāo)題是“奇跡未能出現(xiàn)，中國男籃未能直通東京”。

確實，決定比賽成績的關(guān)鍵，是全方位的綜合實力，運氣總是青睞有準(zhǔn)備的一方，奇跡不是總會發(fā)生。

正如姚明在賽后接受采訪時所說的，世界杯給了中國籃球人睜眼看世界的機會，發(fā)現(xiàn)了與世界強隊之間的差距，改革不能半途而廢，失敗絕不會影響改革決心。

“當(dāng)我們知道了世界籃球的發(fā)展方向，我們必須要向世界看齊，更加堅定地走下去。”盡管紅著眼，姚明依然話語堅定。在競爭更為激烈的世界男子籃壇，中國男籃與世界強隊之間的實力差距是全方位的，唯有加倍進(jìn)步，才能早日彌補與趕超。

人類探索星空，走向日月星辰的歷史也告訴我們同樣一個道理，羅馬不是一天建成的，也不是隨隨便便就可以建成的。

所以，在抬頭仰望星空之際，勿忘腳踏實地。只有好好學(xué)習(xí)，才能天天向上。

2019年9月9日寫于上海東鼎國際大廈B座5樓參考資料：

https://kknews.cc/society/qyy6lr.html

 

https://baike.baidu.com/item/%E8%88%AA%E7%A9%BA%E8%88%AA%E5%A4%A9%E6%9D%90%E6%96%99/1234376

 

https://kknews.cc/tech/kzm5rqp.html

 

http://www.360doc.com/content/17/1122/15/48110136_706158478.shtml

 

https://en.wikipedia.org/wiki/Components_of_jet_engines

 

http://www.ecorr.org/news/science/2018-01-04/167939.html