[科普] 航空材料二三事兒

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航空材料發展面臨的挑戰
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① 來自工業裝備的快速發展；目前產品設計方法止步于設計選材，未來航空產品創新與協同設計，期望材料本身將納入產品設計過程。
② 航空全壽命數字化體系建設需要；材料與工程數字化是航空裝備壽命數字化應用的短板與瓶頸，通過建立航空工業材料與制造過程數字化系統，以期支撐性能仿真，設計選材，全流程制造，虛擬裝配，故障預測，壽命預測。
③ 工藝組織性能關系更復雜；從材料的成分設計開始，材料的化學成分，組織結構，性能特質到成型工藝，加工工藝，最后成品，其關系越發負責與耦合，相互之間互相影響。
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6 Z; ^0 f# |3 s1 I7 G影響航空航天材料的發展的三個關鍵的影響因素：
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* W' B4 d- y1 i  S9 y①材料科學理論的新發現：例如，鋁合金的時效強化理論導致硬鋁合金的發展；高分子材料剛性分子鏈的定向排列理論導致高強度、高模量芳綸有機纖維的發展。
②材料加工工藝的進展：例如，古老的鑄、鍛技術已發展成為定向凝固技術、精密鍛壓技術，從而使高性能的葉片材料得到實際應用；復合材料增強纖維鋪層設計和工藝技術的發展，使它在不同的受力方向上具有最優特性，從而使復合材料具有“可設計性”，并為它的應用開拓了廣闊的前景；熱等靜壓技術、超細粉末制造技術等新型工藝技術的成就創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的進步：現代電子光學儀器已經可以觀察到材料的分子結構；材料機械性能的測試裝置已經可以模擬飛行器的載荷譜，而且無損檢測技術也有了飛速的進步。
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# r0 E7 W7 P" E3 T: b航空航天材料的服役環境：
) b/ m# j7 ]! V. y% W5 @' L( f7 x: {$ Z超高溫、超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等極端條件；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量發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量保證。不同的工作環境要求航空航天材料具有不同的特性。

' }' [+ I" g3 G! `/ S9 @" {航空航天材料的基本特性
高的比強度和比剛度。材質輕、強度高、剛度好。減輕飛行器本身的結構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，減少燃油或推進劑的消耗。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，在空氣和腐蝕介質中要有高的抗氧化性能和抗熱腐蝕性能，并應具有在高溫下長期工作的組織結構穩定性；耐腐蝕性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料應該具備的良好特性。
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' `; o4 W) r: R7 C% i8 Z各種介質和大氣環境對材料的作用表現
; S8 ^' e; T# ^6 _, M, F  Y- `. a腐蝕和老化。航空航天材料接觸的介質是飛機用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推進劑（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、風雨的侵蝕、地下潮濕環境中長期貯存時產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該具備的良好特性。
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9 ~0 I* c8 @; e( w. q空間環境對材料的作用主要表現
6 A% }/ ?" E  a) e空間環境對材料的作用主要表現為高真空(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境所凈化而加速了分子擴散過程，出現“冷焊”現象；非金屬材料在高真空和宇宙射線輻照下會加速揮發和老化，有時這種現象會使光學鏡頭因揮發物沉積而被污染，密封結構因老化而失效。航天材料一般是通過地面模擬試驗來選擇和發展的，以求適應于空間環境。
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部分航空航天材料的設計原則
' o2 ?( z  a# A為了減輕飛行器的結構重量，選取盡可能小的安全余量而達到絕對可靠的安全壽命，被認為是飛行器設計的奮斗目標。對于導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，對于金屬材料已經使用“損傷容限設計原則”。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據，并計算出允許的裂紋長度和相應的壽命，以此作為設計、生產和使用的重要依據。對于有機非金屬材料則要求進行自然老化和人工加速老化試驗，確定其壽命的保險期。復合材料的破損模式、壽命和安全也是一項重要的研究課題。

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