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標(biāo)題: [科普] 航空材料二三事兒 [打印本頁]

作者: gj5202014gs 時間: 2016-2-16 12:39
標(biāo)題: [科普] 航空材料二三事兒
航空材料發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

① 來自工業(yè)裝備的快速發(fā)展；目前產(chǎn)品設(shè)計方法止步于設(shè)計選材，未來航空產(chǎn)品創(chuàng)新與協(xié)同設(shè)計，期望材料本身將納入產(chǎn)品設(shè)計過程。
② 航空全壽命數(shù)字化體系建設(shè)需要；材料與工程數(shù)字化是航空裝備壽命數(shù)字化應(yīng)用的短板與瓶頸，通過建立航空工業(yè)材料與制造過程數(shù)字化系統(tǒng)，以期支撐性能仿真，設(shè)計選材，全流程制造，虛擬裝配，故障預(yù)測，壽命預(yù)測。
③ 工藝組織性能關(guān)系更復(fù)雜；從材料的成分設(shè)計開始，材料的化學(xué)成分，組織結(jié)構(gòu)，性能特質(zhì)到成型工藝，加工工藝，最后成品，其關(guān)系越發(fā)負(fù)責(zé)與耦合，相互之間互相影響。

影響航空航天材料的發(fā)展的三個關(guān)鍵的影響因素：

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)也有了飛速的進步。

航空航天材料的服役環(huán)境：
超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)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(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。

航空航天材料的基本特性
高的比強度和比剛度。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(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；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。

各種介質(zhì)和大氣環(huán)境對材料的作用表現(xiàn)
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)
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。

部分航空航天材料的設(shè)計原則
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到絕對可靠的安全壽命，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。

作者: 鋼鐵俠2015 時間: 2016-2-19 16:11
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