航空航天材料工程1緒論

航空航天材料工程1緒論第1頁(yè)/共33頁(yè)

嚴(yán)佳：jyan@，Tel（O）：84706692，

辦公室：綜合實(shí)驗(yàn)一號(hào)樓411A

史國(guó)棟：gdshi@，Tel（O）：84706791，

辦公室：綜合實(shí)驗(yàn)一號(hào)樓410A教師介紹課程安排考核方法9-12周：緒論、第1、6-9、13-14章，嚴(yán)佳13-16周：第2-5、10-12章，史國(guó)棟

平時(shí)表現(xiàn)：占40%，課堂表現(xiàn)、出勤率、課堂小考、

作業(yè)等期末集中周考試，閉卷第2頁(yè)/共33頁(yè)內(nèi)容提綱材料的概念與分類1.1航空航天材料簡(jiǎn)史1.2材料的性能1.3第3頁(yè)/共33頁(yè)材料的重要作用舉例：舊石器時(shí)代距今約250萬(wàn)年新石器時(shí)代距今1萬(wàn)年青銅時(shí)代 公元前3000年鐵器時(shí)代公元前1000年水泥、鋼、塑料；合成纖維（如尼龍）取代自然纖維（如棉、麻，蠶絲）

信息時(shí)代：20世紀(jì)50年代，基于硅的集成電路取代分立式晶體管 新材料時(shí)代：納米材料、復(fù)合材料……回顧歷史，任何一個(gè)時(shí)代的變革，都是以新材料的產(chǎn)生為基礎(chǔ)的，新材料總是：革命性的改變?nèi)藗兊纳詈臀幕倪M(jìn)程產(chǎn)生一種全新的工業(yè)第4頁(yè)/共33頁(yè)航空飛行器航天飛行器要求：輕質(zhì)高強(qiáng)：“克克計(jì)較”，對(duì)航天飛機(jī)來(lái)說(shuō)，每減重1kg的經(jīng)濟(jì)效益逾萬(wàn)美元。高溫耐蝕：發(fā)動(dòng)機(jī)材料、再入過(guò)程、宇宙射線、低地球軌道上原子氧等航空航天材料：泛指用于制造航空、航天飛行器的材料。重要作用：先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用?！耙淮牧?，一代飛行器”航空航天材料反映出材料發(fā)展的前沿，特別是代表了一個(gè)國(guó)家結(jié)構(gòu)材料技術(shù)的最高水平。大氣層內(nèi)航行如：飛機(jī)、飛艇、熱氣球等大氣層外航行如：人造衛(wèi)星、宇宙飛船、空間站等1.1材料的概念與分類第5頁(yè)/共33頁(yè)1.1材料的概念與分類復(fù)合材料金屬材料鐵合金材料鋼鐵非鐵合金材料鋁及其合金銅及其合金鈦及其合金鎂及其合金鎳及其合金非金屬材料有機(jī)聚合物纖維橡膠塑料無(wú)機(jī)材料水泥玻璃陶瓷樹脂基顆粒增強(qiáng)纖維增強(qiáng)晶須增強(qiáng)編織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料工程材料陶瓷基復(fù)合材料按組織成分分類用于機(jī)械或建筑工程經(jīng)人工提煉或制造，非自然直接提供固體材料第6頁(yè)/共33頁(yè)1.1材料的概念與分類工程材料按使用功能分類功能材料結(jié)構(gòu)材料用于制造實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和傳遞動(dòng)力的零件性能指標(biāo)：力學(xué)性能（強(qiáng)度、硬度、剛度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度、耐磨強(qiáng)度等）包括金屬、高分子、復(fù)合材料等利用物理特性及其對(duì)外部環(huán)境的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)信息處理和能量轉(zhuǎn)換性能指標(biāo)：聲、光、電、磁、熱等物理性能隱身、減振、隔熱、信息、電子材料第7頁(yè)/共33頁(yè)1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航空孔明燈和熱氣球：紙、漆布（亞麻）1903年12月17日，萊特兄弟制造出世界上第一架動(dòng)力飛機(jī)“飛行者1號(hào)”。這是一架用輕質(zhì)木料為骨架、帆布為蒙皮的雙翼機(jī)。其中木材占47％,鋼占35％，布占18％,飛機(jī)的飛行速度只有16公里/時(shí)。第8頁(yè)/共33頁(yè)鋁合金時(shí)代：鋁合金、鎂合金

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

40年代出現(xiàn)的全金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)的承載能力已大大增加，飛行速度超過(guò)了600公里/時(shí)。高溫合金時(shí)代：鈦基高溫合金、鎳基高溫合金在合金強(qiáng)化理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一系列高溫合金使得噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)克服機(jī)翼蒙皮的“熱障”問(wèn)題起了重大作用，飛機(jī)的性能大幅度提高,最大飛行速度達(dá)到了3倍音速。SR-71“黑鳥”（BlackBird），美國(guó)空軍高空高速偵察機(jī)。機(jī)身采用低重量、高強(qiáng)度的鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料最大飛行高度：30000米最大速度：3.5馬赫1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航空第9頁(yè)/共33頁(yè)先進(jìn)復(fù)合材料時(shí)代（現(xiàn)階段）：聚合物基、陶瓷基、金屬基、金屬間化物基復(fù)合材料復(fù)合材料代替鋁，可實(shí)現(xiàn)20-40%的減重。復(fù)合材料的用量及其性能水平已成為飛行器先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。

-1959年，聚丙烯腈（PAN）基碳纖維在日本問(wèn)世

-60年代中期生產(chǎn)出碳纖維復(fù)合材料

-70年代初碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料被首先應(yīng)用于軍機(jī)1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航空第10頁(yè)/共33頁(yè)1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航空飛機(jī)型號(hào)設(shè)計(jì)年代鈦合金（%）復(fù)合材料（%）鋁合金（%）鋼（%）F1419692413917F18197813124917F2219894124115B219882650196軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料用量對(duì)比（整機(jī)重量百分比）第11頁(yè)/共33頁(yè)1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航空三代戰(zhàn)機(jī)：F-14：平尾等受力小的部分，復(fù)合材料用量1%F-18：機(jī)翼等部位，復(fù)合材料用量12%F14戰(zhàn)斗機(jī)F18戰(zhàn)斗機(jī)第12頁(yè)/共33頁(yè)1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航空四代戰(zhàn)機(jī)：機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、平尾、進(jìn)氣道、起落架等大面積使用復(fù)合材料，

F-22：24%，鈦合金41%F-35：35%第13頁(yè)/共33頁(yè)1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航空其他軍機(jī)：B-2隱形轟炸機(jī)：50%Tiger虎式武裝直升機(jī)：45%第14頁(yè)/共33頁(yè)1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航空我國(guó)的殲-10：三代半戰(zhàn)機(jī)，機(jī)翼為全金屬，復(fù)合材料用量很少殲-10戰(zhàn)斗機(jī)是我國(guó)第一架完全獨(dú)立擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的戰(zhàn)斗機(jī)，2005年正式裝備部隊(duì)并在很短的時(shí)間內(nèi)成建制、系統(tǒng)地形成了戰(zhàn)斗力。第15頁(yè)/共33頁(yè)大型客機(jī)：鋁合金（%）鋼（%）鈦合金（%）復(fù)合材料（%）B-747811341B-757781263B-767801423B-77770117101.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航空A-380:25%，中心翼盒用復(fù)合材料5.3噸，實(shí)現(xiàn)減重1.5噸。B-787:50%，有史以來(lái)第一款在主體結(jié)構(gòu)（機(jī)翼和機(jī)身）上采用先進(jìn)復(fù)合材料的大型客機(jī)。A-350：~40%波音與空客對(duì)決的關(guān)鍵：復(fù)合材料！第16頁(yè)/共33頁(yè)2008年6月2日，在四川省北川縣擂鼓鎮(zhèn)，一架前蘇聯(lián)米－26直升機(jī)完成唐家山堰塞湖搶險(xiǎn)設(shè)備向外吊運(yùn)工作后離開。

通用飛機(jī)：除從事定期客運(yùn)、貨運(yùn)等公共航空運(yùn)輸飛機(jī)之外的其他民用航空活動(dòng)的所有飛機(jī)的總稱。賽斯納172超輕型噴氣飛機(jī)Learjet85：全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航空第17頁(yè)/共33頁(yè)總結(jié)：通過(guò)以上對(duì)航空材料發(fā)展歷程的回顧，我們看到，無(wú)論是軍機(jī)還是民機(jī)，鋼和鋁合金的用量都在日漸減少，而高溫鈦合金和先進(jìn)復(fù)合材料是今后重點(diǎn)發(fā)展的航空材料。1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航空第18頁(yè)/共33頁(yè)1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航天航天與航空材料有什么相同點(diǎn)和不同點(diǎn)？應(yīng)用背景：當(dāng)航天飛行器（導(dǎo)彈、火箭、飛船等）以高超音速?zèng)_出大氣和返回地面時(shí)，在氣動(dòng)加熱下，其表面溫度可達(dá)1000~3000oC。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃燒室壓強(qiáng)可達(dá)200個(gè)大氣壓，產(chǎn)生>2000oC的高溫，燃?xì)庠趪姾硖幍牧魉龠_(dá)1馬赫數(shù)。航天材料要求：不僅要輕質(zhì)高強(qiáng)，還要耐高溫耐腐蝕熱防護(hù)是關(guān)鍵問(wèn)題！第19頁(yè)/共33頁(yè)熱防護(hù)材料發(fā)展：20世紀(jì)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)彈彈頭及航天器的再入防熱問(wèn)題。

1969年7月20日人類首次登月，此后航天事業(yè)大發(fā)展！

1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航天第20頁(yè)/共33頁(yè)天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)載工具：載人飛船、航天飛機(jī)第一代航天飛機(jī)：垂直起飛，水平降落，部分多次重復(fù)使用，飛行次數(shù)100次。采用防熱-結(jié)構(gòu)分開設(shè)計(jì)的思想：冷結(jié)構(gòu)+熱防護(hù)系統(tǒng)第二代航天飛機(jī)：水平起飛，二級(jí)入軌，部分重復(fù)使用。部分熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主與冷結(jié)構(gòu)+熱防護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合創(chuàng)新處：1.二級(jí)入軌：用超高音速飛機(jī)把二級(jí)飛行器用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)送入空間軌道，飛機(jī)返回地面。

2.熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：把承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱防護(hù)的隔熱防熱設(shè)計(jì)結(jié)合在一起?？仗祜w機(jī)：水平起飛，一級(jí)入軌，完全重復(fù)使用全機(jī)采用熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航天第21頁(yè)/共33頁(yè)應(yīng)用部位材料適用范圍備注頭錐帽，機(jī)翼前緣抗氧化碳/碳>1260oC已實(shí)用機(jī)身，機(jī)翼下表面剛性陶瓷瓦650-1260oC已實(shí)用機(jī)身，機(jī)翼上表面柔性陶瓷隔熱氈370-650oC已實(shí)用美國(guó)航天飛機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)所用材料情況1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航天第22頁(yè)/共33頁(yè)美研制X-37高速飛行

(2005年6月21日搭乘“白騎士”首次飛行

)無(wú)人駕駛，全機(jī)身復(fù)合材料，二級(jí)入軌，水平降落。若成功可在兩小時(shí)內(nèi)對(duì)地球任何地點(diǎn)進(jìn)行打擊1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航天第23頁(yè)/共33頁(yè)X-33飛行器TPS美研制X-33無(wú)人駕駛、一級(jí)入軌。

2001年3月，由于存在諸多難以突破的技術(shù)難關(guān)，NASA取消了已經(jīng)耗資了13億美元的X-33項(xiàng)目1.2航空航天材料簡(jiǎn)史：航天第24頁(yè)/共33頁(yè)1.3材料的性能1.3.1靜載荷作用下材料的力學(xué)性能1.強(qiáng)度（1）彈性極限和彈性模量（2）屈服強(qiáng)度（3）抗拉強(qiáng)度2.塑性（1）延伸率（2）斷面收縮率3.硬度（1）布氏硬度：適用于較軟材料（2）洛氏硬度：適用于較硬材料飛行器選材與設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮材料的使用性能和工藝性能。第25頁(yè)/共33頁(yè)1.3材料的性能1.3.2動(dòng)載荷作用下材料的力學(xué)性能1.沖擊韌性：材料在沖擊力作用下所具有的抵抗變形和斷裂的能力2.斷裂韌性：材料的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI在動(dòng)載荷加載過(guò)程中增大至某一數(shù)值時(shí)，突然快速脆斷，這一臨界值稱為斷裂韌性，用KIC表示。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：美國(guó)ASTMD5045-99試驗(yàn)方法1：三點(diǎn)彎試驗(yàn)試驗(yàn)方法2：拉伸試驗(yàn)第26頁(yè)/共33頁(yè)1.3材料的性能3.疲勞強(qiáng)度：在交變載荷下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，材料發(fā)生斷裂，此時(shí)材料所受的應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。測(cè)試方法：通過(guò)測(cè)定鋼在106~107周期和非鐵金屬在107~108周期加載而不斷裂的最大應(yīng)力而得到，單位MPa。4.磨損（1）磨粒磨損（2）黏著磨損（3）接觸疲勞磨損第27頁(yè)/共33頁(yè)1.3材料的性能1.3.3材料高溫和低溫下的力學(xué)性能高溫性能蠕變：當(dāng)材料在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作，應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)發(fā)生緩慢塑性變形

現(xiàn)象，稱為蠕變。蠕變程度的指標(biāo)：蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度低溫性能在低溫環(huán)境下，大多數(shù)材料會(huì)出現(xiàn)脆性，使其在不大的應(yīng)力下發(fā)生斷裂，稱作脆斷。脆化溫度TK越低，材料越不易脆斷，其低溫韌性越好。第28頁(yè)/共33頁(yè)1.3材料的性能1.3.4材料的物理性能密度比強(qiáng)度：σb/ρ比彈性模量：E/ρ2.導(dǎo)電性金屬>合金>非金屬3.磁性軟磁材料：容易磁化，也容易退磁，如硅鋼片硬磁材料：外磁場(chǎng)去掉后，仍能保持磁性，如稀土鈷銅、鋁、鉛、非金屬為無(wú)磁性材料。第29頁(yè)/共33頁(yè)1.3材料的性能4.導(dǎo)熱性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)中及液氧貯箱結(jié)構(gòu)中都應(yīng)用了最好的絕熱材料。5.熔點(diǎn)航空航天器上的高溫部件使用高熔點(diǎn)材料。6.熱膨脹性線膨脹系數(shù)：?jiǎn)挝粶囟壬咭鸬牟牧蟽牲c(diǎn)之間距離的膨脹或收縮與這兩

點(diǎn)之間原距離的比值