航天常用結構材料

1、空間結構材料分類1、空間結構用金屬材料2、纖維增強樹脂基復合材料3、顆粒增強金屬基復合材料4、纖維增強陶瓷基復合材料5、結構功能材料先進航天器對材料要求越來越高先進航天器對材料要求越來越高: : 輕量化、高強、高模量輕量化、高強、高模量 高尺寸穩(wěn)定、高導熱高尺寸穩(wěn)定、高導熱 高耐磨、高阻尼高耐磨、高阻尼 抗空間輻照抗空間輻照某些關鍵結構和機構：某些關鍵結構和機構： 鋼、鈦：重，導熱差鋼、鈦：重，導熱差 鋁合金：剛性差，不耐磨鋁合金：剛性差，不耐磨 聚合物復合材料：不耐輻射，老化聚合物復合材料：不耐輻射，老化 先進樹脂基、金屬基、陶瓷基復合材料！先進樹脂基、金屬基、陶瓷基復合材料！ 航天需求航天

2、需求（輕質高強高模量、高尺寸穩(wěn)定、抗空間射線輻照輕質高強高模量、高尺寸穩(wěn)定、抗空間射線輻照）空間結構材料結構材料是宇航制造的重要物質基礎，隨著航天領域的不斷發(fā)展，對空間結構材料的要求也不斷提高。具體要求為：優(yōu)良的耐高低溫性能輕質、高模量、高強度適應空間環(huán)境高壽命和安全可靠性材料密度（g/cm3）E彈性模量（GPa）強度（MPa）熱膨脹系數(shù)（10-6/）熱導系數(shù)（W/m）鎂鋰合金LA1411.3543160(拉伸)80鎂MB51.845255（拉伸）23134鋁LY12CZ2.8687239044121.6159低組分硅鋁(15%含量)2.7595985001718140硼鋁復合材料2.7795

3、110520（拉伸）1416140殷鋼8.05141470（4J32）0.52.01015鈦合金（ZTC4）4.431001178928.4510鈹1.8528724311.3216俄鈹鋁ABM-40-32.216518016121美鈹鋁AlBeMet1622.1200452（拉伸）14210碳纖維1.5614015432369（0拉伸）0.5735空間結構-常用金屬材料 空間常用金屬結構材料：鋁合金、鎂合金、鋼、鈦合金、鈹及鈹合金。 金屬材料的特點：強度高、彈性模量高、穩(wěn)定性好、加工工藝性能好、材料規(guī)格齊全。 通常用于本體結構、支撐結構、壓力容器、各種連接件和機構零件。常用金屬材料特點鋁合金

4、鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優(yōu)質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導電性、導熱性和抗蝕性。鎂合金密度小，相對比強度、比剛度高，具有很好的減重作用。鋼具有良好的綜合力學性能，質量穩(wěn)定，價格低廉。鈦合金密度低，比強度高，耐腐蝕性好，并具有超導、貯氫、記憶等優(yōu)點。鈹及鈹合金比重低，彈性模量高，各向異性小，具有良好的減振效果。用于結構件，光學件3D打印(3DP):是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術?？臻g結構-常用金屬材料優(yōu)勢：可加工高熔點、高硬度材料（高溫合金、鈦合金等）,優(yōu)于傳統(tǒng)制造工藝材料利用率很高，可實現(xiàn)復雜結構零件近

5、似成型。制造速度快，縮短周期?？芍苯由a大型復雜構件。制造異質材料（如功能梯度材料、復合材料等）的最佳工藝。能實現(xiàn)單一零件中材料成分的連續(xù)變化。裝備零部件快速修復。纖維增強樹脂基復合材料空間結構-常用復合材料l復合材料特點：連續(xù)相的基體+增強體。不同材料取長補短，協(xié)同作用，產生原本單一材料本身所沒有的新性能。高比模量/比強度值、耐腐蝕、材料可設計性。l 基體材料金屬和非金屬兩大類。 金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、石墨、橡膠、陶瓷等。l增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、石棉纖維、碳化硅纖維、晶須、金屬絲和硬質細粒等。l復合材料應用：衛(wèi)星結構本體

6、、太陽電池陣結構、天線結構、桿及支架結構鋁蜂窩夾層結構板(衛(wèi)星結構)由上面板、下面板和多孔蜂窩夾芯組成。承受軸壓、側壓、彎曲時能發(fā)揮較高的材料性能，可阻止結構失穩(wěn)，起結構隔離和隔熱作用。l 纖維增強樹脂基復合材料 常用的樹脂為環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂。樹脂基體以熱固性樹脂為主。 纖維材料有玻璃纖維，芳綸纖維和碳纖維。 主要成型工藝有接觸成型、纏繞成型、真空成型及層壓和模壓成型等。l 碳纖維增強樹脂基復合材料在空間結構廣泛應用，具有如下優(yōu)點： 高比強度（抗拉強度與材料表觀密度之）和比模量, ，耐疲勞 導熱、導電性能良好 熱膨脹系數(shù)小。 易于整體成型，根據性能要求，設計編織與熱固化成型工藝 密度小

7、，重量輕，可比常規(guī)金屬結構減重30%左右。l 碳纖維復合材料一般以疊合制成多層板使用，通常有兩種復合形式 每層的纖維方向相同排列，為單向纖維復合材料。 各層纖維方向呈不同角度，通常稱為多向纖維復合材料。碳纖維多向鋪層方式空間結構-常用復合材料顆粒增強金屬基復合材料 （典型：鋁基SiC）低膨脹低膨脹尺寸穩(wěn)定尺寸穩(wěn)定抗輻射抗輻射中子吸收中子吸收阻尼阻尼減振減振耐磨耐磨耐熱耐熱高強高強高模高模增強體增強體復合化復合化賦予金屬新性能及功能！賦予金屬新性能及功能！金屬金屬固溶固溶強化強化形變形變強化強化時效時效強化強化細晶細晶強化強化相變相變強化強化經濟發(fā)展經濟發(fā)展 科技進步科技進步結構功能一體化結構功

8、能一體化輕質高強多功能輕質高強多功能金屬基復合材料l鋁、鎂、鈦是金屬基復合材料的主要基體，增強材料一般可分為纖維、顆粒和晶須三類。l金屬基復合材料的特點：高比強度、高比剛度、良好的高溫性能、低熱膨脹系數(shù)、良好的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)異的導電導熱性。 鋁基復合材料:性能優(yōu)異/價低/工藝相容性好/用途廣 鎂基復合材料:輕質/比強度高，用于特殊結構件 鈦基復合材料:輕質/高強/耐高溫，發(fā)動機部件 金屬陶瓷(Ni/Fe):硬度/強度高/耐高溫，耐磨部件/工模具l其中以非連續(xù)增強鋁基復合材料(DRA)最為應用廣泛 高比強度、高比模量。適中的斷裂韌性。 低熱膨脹、高導熱。 尺寸穩(wěn)定性好，各向同性 耐磨、耐疲勞。金

9、屬基復合材料固態(tài)法：DRA的粉末冶金制備過程l液態(tài)法：液態(tài)法： 液態(tài)金屬復合熔煉法，液態(tài)金屬復合熔煉法， 液態(tài)金屬浸漬法液態(tài)金屬浸漬法 真空壓力浸漬、擠壓鑄造、無壓浸滲真空壓力浸漬、擠壓鑄造、無壓浸滲l固體法：固體法：粉末冶金粉末冶金性能要求：性能要求：低膨脹低膨脹高尺寸穩(wěn)定高尺寸穩(wěn)定高剛性高剛性材料：材料：SiC含量較高含量較高尺寸：壁厚差別大尺寸：壁厚差別大形狀：復雜形狀：復雜+液態(tài)模鍛成型液態(tài)模鍛成型復合材料磨損率復合材料磨損率對偶磨損率對偶磨損率(GR15 steel)比鋁青銅優(yōu)異的耐磨性比鋁青銅優(yōu)異的耐磨性與陶瓷等耐磨材料相比，對偶與陶瓷等耐磨材料相比，對偶損傷小損傷小理想的耐磨材料

10、理想的耐磨材料摩擦磨損性能金屬基復合材料第16頁在在“玉兔號玉兔號”月球車移動機構上的應用月球車移動機構上的應用纖維增強陶瓷基復合材料纖維增強陶瓷基復合材料 （典型：C-SiC）陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料是一種兼有金屬材料、陶瓷材料和碳材料性能優(yōu)點的熱結構是一種兼有金屬材料、陶瓷材料和碳材料性能優(yōu)點的熱結構/ /功能一體化新型材料，克服了傳統(tǒng)金屬材料密度高功能一體化新型材料，克服了傳統(tǒng)金屬材料密度高, ,陶瓷材料脆性大和可靠性差、陶瓷材料脆性大和可靠性差、碳材料抗氧化性差和強度低等缺點，具有碳材料抗氧化性差和強度低等缺點，具有耐高溫耐高溫、低密度低密度、高比強高比強、高比模高比模、抗抗氧化氧

11、化、抗燒蝕抗燒蝕，對裂紋不敏感對裂紋不敏感，不發(fā)生災難性毀損不發(fā)生災難性毀損等特點。同時，陶瓷基復合材等特點。同時，陶瓷基復合材料具有優(yōu)良的料具有優(yōu)良的超低溫性超低溫性能和能和抗輻照抗輻照性能。性能。陶瓷基復合材料的特性決定了其能夠滿足航空航天器高速度、高精度、高搭陶瓷基復合材料的特性決定了其能夠滿足航空航天器高速度、高精度、高搭載和長壽命對于結構材料的需求。載和長壽命對于結構材料的需求。采用化學氣相滲透沉積工藝（采用化學氣相滲透沉積工藝（CVICVI），可制作各種輕型高強度，低膨脹，耐高），可制作各種輕型高強度，低膨脹，耐高溫抗氧化構件。溫抗氧化構件。纖維纖維基體基體界面界面組織 纖維增強體

12、+ 基體+纖維/基體界面層組成的復合體。纖維增強陶瓷基復合材料纖維增強陶瓷基復合材料165020002800350( (數(shù)十分鐘至數(shù)小時數(shù)十分鐘至數(shù)小時) ) ( (數(shù)十秒至數(shù)分鐘數(shù)十秒至數(shù)分鐘) )-180( (數(shù)百上千小時數(shù)百上千小時) )覆蓋的使用溫度寬，應用領域廣，覆蓋的使用溫度寬，應用領域廣，纖維增強陶瓷基復合材料纖維增強陶瓷基復合材料 CMC材料空間應用主要包括： 推進系統(tǒng)液體火箭和固體火箭發(fā)動機，以及衛(wèi)星動力系統(tǒng)；頭錐、前緣、機身襟翼、艙體結構 熱防護系統(tǒng)可重復使用飛行器（空天飛行器超高速飛行器）的長壽命TPS和熱結構構件； 熱端部件航空與火箭發(fā)動機燃燒室內襯、火焰筒、噴口導流葉

13、片、渦輪導向葉片、渦輪外環(huán)及尾噴管相關構件；飛機剎車盤 輕量化光學部件衛(wèi)星通信、高能量激光傳輸和衛(wèi)星觀測反射鏡及反射鏡支撐結構。纖維增強陶瓷基復合材料纖維增強陶瓷基復合材料結構功能材料結構功能材料結構功能材料l智能材料是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術發(fā)展，實現(xiàn)結構功能化、功能多樣化。智能材料七大功能傳感功能反饋功能信息識別與積累功能響應功能自診斷能力自修復能力自適應能力l 超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。通過在材料的關鍵物理尺寸上的結構有序設計，可以突破某些表現(xiàn)自然規(guī)律的限制，從而獲得超常的材料功能。智能材料與超材料在空間有著廣泛的應用前景形狀記憶合金在發(fā)生塑性變形后，經過合適的熱過程，能夠回復到變形前的形狀，這種材料已應用到航空航天裝置中。美國成功利用記憶合金將月球天線體積縮小到原來的千分之一。壓電陶瓷具有把電能轉變?yōu)闄C械能的能力，是高精度、高速驅動器所必須的材料，已應用在各種跟蹤系統(tǒng)、自適應光學系統(tǒng)、機器人微定位器等。需求：高性能疊層式壓電陶瓷(帶應變反饋)。需求：記憶合金展開，解鎖機構結構功能材料NASA的科學家已經在實驗一種由聚合物