航空材料技術進展 zund s3 m800-Sandblast foil台中切割加工－呂俊豪焦點新聞熱搜

    航空材料泛指用于制造航空飛行器的材料。一架軍用飛機包括機體、發動機、幾載電子和火力控制四大部分，一架民用客機包括機體、發動機、機載電子和機艙四大部分。機體材料和發動機材料是航空材料中重耍的結構材料，而電子信息材料是航空機載裝置中重要的功能性材料，但它一般不直接算作航空材料。出于航室飛行及其安全性的考慮，航空結構材料的特點是輕質、高強、高可靠。飛行器作白一個整體，還用到少量非結構性材料，如阻尼、減振、降噪、密封材料等。
　　在現代材料科學與技術的發展歷程中，航空材料一直扮演著先導和基礎作用，幾體材料的進步不僅推動飛行器本身的發展，而且帶動了地面交通工具及空間飛行器的進步，發動機材料的發展則推動著動力產業和能源行業的推陳出新。"一代材料，一代飛行器"是航空工業發展的生動寫照，也是航空材料帶動相關領域發展的真實描述。可以說，航空材料反映結構材料發展的前沿，航空材料代表了一個結構材料技術的高水平。
一、航空材料的研究與發展
1.機體材料
　　機體材料主要包括鋁合金、鈦合金和樹脂基復合材料等，發展重點集中在低成本、高性能的樹脂基復合材料技術。圖1是歐洲空中客車飛機的主要用材示例，其中顯著的先進材料包括鋁合金-玻璃纖維混雜復合材料GLARE，碳纖維復合材料GFRP，芳綸纖維復合材料AFRP，玻璃纖維復合材料GFRP以及韌性環氧樹脂、雙馬來醚亞胺樹脂和聚酚亞胺樹脂基復合材料等，它們覆蓋了航空飛行器機體的主要面積。
　　國際上航空先進樹脂基復合材料的主要性能要求是，較高的耐溫度使用性、盡可能高的抗損傷容限和盡可能低的濕熱環境效應。就民用飛機上用量大的碳纖維環氧樹脂復合材料而言，近年的趨勢是發展液態成型紡織復合材料和非熱壓罐成型技術如電子束輻照交聯技術等，即"用得起"的制造技術（Affordable Proccessing））。而對更高的溫度要求，雙馬來酚亞胺、特別是可以液態成型的聚酚亞胺樹脂基復合材料（如PETI系列）的前景看好。[-page-] 　　
    由于制造成本在復合材料構件總成本中所占份額大，因此低成本成型制造工藝技術是目前發展的重點，主要包括紡織復合材料和樹脂傳遞模塑（RTM或近似的RFI）液態成型技術等。通過編織、經編、針織、機織、縫紉等制造頂成型體，以及液態成型如樹脂浸滲（RI）和樹脂轉移模塑（RTM，使整體制造的成本降低，層間增強，并達到減重目標（圖2）。其中，RTM技術在美國軍用戰斗機Ｆ-35垂尾及Ｆ/A18-E/F襟翼整流罩上的應用是使用該項技術制造的大尺寸的零部件，前者長3.6ｍ，重約90Kg。我國在液態成型復合材料技術正在取得進展，圖3為北京航空材料研究院制備的中機身液態成型樹脂基復合材料剪切梁。
    為了進一步迎接先進復合材料更高性能－價格比的挑戰，歐洲空中客車公司提出的目標是更多地應用碳纖維復合材料CFRP以減重至30％，從而降低整個飛行成本40％。但是，CFRP技術在減重的同時，制造成本比金屬焊接結構高。應用目前空中客車公司已儲備的技術水平，可以達到減重15％、降低成本15％的目標；而采用新型金屬焊接結構制作機身，減重10％卻降低成本20％，可見在發展低成本、高性能復合材料方面還大有潛力。圖4是空中客車公司正在研制的全碳纖維復合材料機翼的靜力實驗。美國也有"高速民航機研究計劃"，其中心任務是開發聚醚亞胺復合材料和鈦／石墨纖維混雜復合材料等。
　　各國都非常重視擴展先進復合材料應用的技術平臺建設。目前，美國正在執行"汽車復合材料技術向航空轉移計劃"和"復合材料用得起計劃"。　　
2.發動機材料
　　目前先進的軍用航空發動機主要材料有鈦合金、高溫合金以及各類高溫和超高溫復合材料等。在21世紀前10年的葉片材料中，單晶葉片材料仍占主導地位。葉片材料經歷了鑄造合金、定向凝固合金和單晶合金的發展歷程，國外現役發動機葉片材料主要采用第二代和第三代單晶合金。這些單晶合金由于富錸易產生脆性相，近年來研究加入釕或銥以減少脆性傾向，開發出第四代單晶。葉片技術發展的趨勢是將結構一材料－工藝統一考慮，即開發lamiloy技術，采用鑄造及激光打孔工藝直按制造發散冷卻孔道。
　　除提高葉片材料的耐溫等級外，將金屬間化合物與韌性金屬組成的微疊層復合材料作為葉片的"熱障涂層"受到重視。該技術依靠耐高溫金屬間化合物提供高溫強度和蠕變抗力，利用高溫金屬作韌化元素，從而很好地克服了金屬間化合物的脆性。目前采用真空熱壓箔、物理氣相沉積、鑄造和固態反應等方法已研制出幾種微米層次的微疊層復合材料，包括Nb-Cr2Nb、NB-Nb5Si3以及Nb-MoSi2等。微疊層納米熱障涂層可望將葉片的耐溫能力提高260℃。除用于葉片外，微疊層復合材料在無疲勞合金涂層、抗砂蝕樹脂基復合材料風扇葉片涂層等方面也有應用機遇。
　　我國發動機葉片材料發展態勢良好，僅鑄造渦輪葉片材料就超過20種，并開展了單晶鎳基高溫合金、金屬間化合物、陶瓷和C/C復合材料的研制。我國低密變、低成本的代單晶合金DD3性能與國外同代合金相當，已用于直升機小發動凱渦輪葉片；第二代單晶高溫合金DD6正在推廣應用于先進的渦輪發動機葉片，其承溫能力相當于國外同代合金，而成本更低。就渦輪盤材料而論，除廣泛使用的粉末盤及其發展型的雙性能粉末盤、三性指粉末盤外，細晶變形盤由于成本低也被看好。俄羅斯就堅恃認為采用傳統熔鑄變形盤，完全可滿足第四、五代發動機的需要。作為一種新的渦輪盤方案，近年丕開發了無夾雜的噴射盤。該技術與粉末冶金工藝相比具有工序簡化、成本降低的優勢，其快凝組織特性又奠定了其性能優勢，包括遠優于鑄鍛工藝、相當或高Ｆ粉末冶金工藝的強度與持久壽命，優于粉末冶金工藝的塑性、韌性及低周疲勞壽命，因晶粒細化而改善的熱加工性能等。由于傳統變形盤的工藝設備均能使藹用，且材料利用率高，成本明顯低于粉末盤，因此，噴射盤有可能成為粉末盤的強勁對手。 [-page-]
二、航空材料發展趨勢
　　航空材料的發展趨勢是種類增多，成本降低，性能提高。具體體現為：傳統材料大有可為，新型材料亟待應用，新興材料層出不窮；材料的通用化、標準化勢在必行，可靠性、可維修性、低成本和環保性要求日趨嚴格。
1.傳統材料大有可為
        傳統航空材料凝結了大量的研究成果，也積累了可貢的使用經驗，輕易放棄這些傳統材料劃不來。正如美國"先進民用飛機新材料專業委員會"、"材料咨詢局"、"航空航天工程局"、"工程和技術系統專業委員會"和"研究委員會"等五大單位在《用于下一代民用運輸機的新材料》的聯合研究報告中所指出的，即"目前影響民航業、制造商和材料工業的動蕩不定的經濟氣候，己經使先進材料的應用準則發生了重大的變化，從而使材料性能不再是選材的首要標準。飛機制造商對民航業降低總成本（包括采購和維修成本）的耍求也正在做出反應，要求材料的變化方式是逐步改善，即漸進演化式的，而不是革命性的"。
這種漸進演化式發展反映為，在復合材料改進、傳統金屬材料超純熔煉，以及鑄、鍛件的研制、試驗和生產過程中，拋棄了試湊的傳統方法，代之以材料性能和產品制造一體化的可設計和可預測的全新概念，廣泛引人仿真及人工智能技術，特別是在制蚤制造技術方面不斷取得進展和開拓創新。這種高技術含量、高附加值的航空材料的發展以信息技術、自動化技術和先進制造技術的高速發展為依托，將對航空材料的發展產生著深遠的影響。
2.新型材料亟待應用
　　冷戰時期的積累和長期的超前研究儲備了相當數量的新材料，但它們至今仍在候選名單上等待應用，典型例子有高性能的雙馬來醚亞胺樹脂基復合材料、熱塑性樹脂基復合材料和各種金屬基復合材料等。暫時不應用這些材料的原因很復雜，其中之一是新材料過高的成本-效益比，包括采購、制造、取證和全壽命等。對先進的高性能復合材料及其結構而言，至今仍對其基本的失效機理及其相互間的作用缺乏深刻而本質的認識，因此，工業界出于技術和安全風險的考慮，缺乏了解先進材料的熱情，也沒有使用先進材料的經驗，更沒有等待先進材料發展成熟的耐心。范圍內的激烈競爭使材料主管部門很難為中長期的發展計劃做出長期的財務承諾，結果是很難建立起精干而專業性的材料研究、發展和供應基地。
3.新興材料層出不窮
　　新技術特別是納米技術為航空材料的發展開拓了新的思路，人們充滿熱情地研究由片狀納米黏土改性的環氧樹脂、雙馬來醚亞胺樹脂和聚醚亞胺樹脂，研究納米改性的鋁合金，期望在性能上獲得顯著提高。英、德等國對由碳納米管增強的樹脂基復合材料開展了許多研究工作，結果表明，無論力學性能還是電磁性能均有改進。納米技術的發展還有力地帶動了航空材料的發展，如雷達罩納米防雨涂層以及隱身材料的納米化等。[-page-]
４.材料標準化、通用化勢在必行
　　隨著國際經濟的一體化，航空材料在國際材料市場上的流通以標準化、通用化為前提。目前，國際航空材料的發展趨勢是在國內取消軍用標準，而代之以軍民兩用標準。在國際范圍內實施國際化標準，有利于國際合作與交流及市場開拓，如俄羅斯在鋁鋰合金和欽合金的出口問題上，以往因未與國際標準接軌，使上述材料出口受阻。為擴大出口，俄羅斯己逐步改用國際標準。已經進人ＷＴＯ，但我國航空材料的體系建設以及航空材料的通用化、標準化現狀卻很落后。原因主要在于我國航空材料多是在跟蹤和引進的基礎上發展而來，形成了各國航空材料在我國并存的混亂局面。國防工業科學技術委員會和航空工業正著手開展航空材料體系的建設工作，這將為我國航空材料的健康發展創造更好的發展前提。
5.低成本和可維修性成為趨勢
　　航空材料的高技術特征必然帶來高成本。目前環氧樹脂的價格大約是每磅７美元，鈦為每磅10美元，先進復合材料為每磅60美元。降低航空產品采購成本的主要途徑是改變設計概念、采用低成本材料和成形加工技術等，降低航空產品使用成本或全壽本成本的主耍途徑是提高材料的可靠性和壽命。航空產品在選材時不僅要考慮使用性能，而且還必須考慮可維修性。如果航空產品的全壽命成本及維修費用為采購成本的兩倍時，就需重新考慮選材問題，發展高可靠性、維修性能好的航空材料，以延長結構使命壽命和簡化維修越來越受到重視。
三、發展我國航空材料的建議
　　我國航空材料工業存在的主要問題可以總結為"五多五少"∶仿制材料多而創斤材料少，低水乎材料多而高水乎材料少，立項研制的材料多而改進改型的材料少，獲獎勵的材料多而真正用上的材料少，和單一用途的材料多而一材多用的材料少。此外，部門之間的協調機制也不夠健全，低水乎重復、各自為政和無序競爭嚴重困擾著我國航空材料科研和生產的健康發展。根據"有限目標，突出重點"的原則，我國航空材料界對關鍵技術的篩選進輛〔深人討論，普遍認同的三大關鍵技術是復合材料技術、渦輪盤材料技術和渦輪叫≠材料技術。目前正在實施的"十五"科技發展汁劃將針對這些問題，集中力量攻關，以開創我國航空材料發展的嶄新局面。

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