保定市第一中学498班，河北保定，071000
摘要：文章首先针对航空航天领域材料的价值与地位进行了深入的说明和分析，而后进一步在此基础之上，对于当前在该领域中主要存在的几类材料展开讨论，深入探究了不同材料的主要应用领域与特征。
关键字：航空；航天；复合；材料
航空航天领域的相关技术，在21世纪得到进一步的继承和发扬。更为频繁的航空航天活动，以及客观上更为积极的运输需求，都成为推动该领域相关技术不断发展的重要力量。而在该领域的诸多技术之中，材料作为直接关系到其安全和经济特征的重要因素之一，唯有不断深入地获取到材料工程领域的发展动态，切实考察材料自身特征以及航空航天需求，才能实现该领域在技术层面上的合理配给，才能推动二者的双向发展。
一、航空航天领域材料的价值与地位
航空航天材料泛指用于制造航空航天飞行器的材料。依据材料的构成区分，现代化的飞行器需要涉及四个方面的材料，即金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料；而从应用的角度看，航空航天材料则可以分为结构材料和功能材料两个主要方面。结构材料在航空航天领域中主要负责面向飞行器各类结构组件，诸如机体、航天器承力筒以及发动机壳体等，其价值主要在于实现对于各种机械力的承受，并且进一步考虑到结构材料在航空航天领域的位置，其发展呈现出轻质化高强度特征，同时兼顾经济属性。而功能材料则主要指在光、声、电、磁、热等方面具有特殊功能的材料，诸如航空航天中涉及到的信息材料，用于微电子或者光电子等领域材料，同时功能材料也包括在现代军事领域中，用于实现飞行器隐身的透波或者吸波材料，以及热防护用材料等。功能材料在发展方面与结构材料有所不同，更多关注智能以及数字化领域。但实际材料领域，结构与功能一体化的趋势，在当前已经十分突出，必然会成为未来发展的重要表现。
从航空航天材料的发展角度看，耐高温和质轻是材料发展的两个突出方向。耐高温材料多用于发动机制作方面。随着飞机航程的加长和速度的提高，要求发动机推力、推重比越来越大，因此对应的发动机的压力比、进口温度、燃烧室温度以及转速等方面也呈现出更多的压力。而推重比的提升取决于发动机涡轮前进口温度的提升，因此对于高性能的航空发动机而言，除了高比强度以及比模量以外，对耐高温的材料的依赖十分突出。就目前的材料应用情况看，传统的铝合金以及结构钢在发动机中的用量会进一步被限制，镍基高温合金、钛合金等材料进入到21世纪之后也开始日趋淘汰，新型的高温结构材料开始产生，包括金属间化合物、陶瓷基或者金属基复合材料等层出不穷，成为耐高温材料的主要发展方向。
而质轻材料作为结构材料领域永恒的发展方向，以20世纪60年代出现的碳纤维复合材料作为发展的里程碑。碳纤维复合材料，其比强度和比模量在当前的材料领域中居于领先，具体而言，比强度和比刚度能够达到钢与铝合金的5-6倍。这意味着同样质量的材料，碳纤维复合材料具有更大的承受有效载荷的能力，对于增加飞行距离以及提升单位结构重量效费比有着毋庸置疑的价值。这种特性决定了该种材料在飞行器上的应用日渐扩大，并且占据了应用环境中的大部分市场占有。
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二、复合材料领域的发展探析
所谓复合材料，即由有机高分子、无机非金属或金属等几种不同物理、化学性质的材料，通过复合工艺，以微观、细观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的新的材料系统。复合材料不是不同材料的简单混合，而是借由材料设计技术使得原来多种材料的组分性能实现关联与互补，从而获取到更优越的性能。新的复合材料既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。
在航空航天领域中，目前较为常见的复合材料包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳复合材料等几个大类，并且仍然在不断的扩充之中。其中树脂基复合材料以树脂作为基体，以连续纤维作为增强材料复合而成，其密度约为钢的20%，为铝合金的一半，并且比强度和比模量要远超二者。常见的树脂基复合材料主要指碳纤维复合材料，其中环氧树脂基碳纤维复合材料为典型代表。环氧树脂基碳纤维在实际应用环境中表现出良好的综合性能，并且在经济层面上同样状态良好。为了提升树脂基复合材料的使用性能，在环氧的基础之上，进一步研发除了双马来亚胺基和耐高温聚酰亚胺基等符合材料，推动了该材料系列的整体发展，并且在多个领域都得到了广泛应用，其中既包括规模较大的整体厚壁板、加筋壁板、双曲度加筋壁板、骨架和蒙皮的整体结构等，也包括各种复合材料管材和旋转体构件，如火箭发动机壳体、雷达罩等，并且在机械化程度要求高的小型制件等方面同样有所应用。
在金属基复合材料方面，在航空航天领域涉及到的主要是指以Al、Mg、Ti等轻金属作为基体，以高强度的第二相为增强体的复合材料制成。这一类的材料在导电、导热、耐高温方面表现良好，并且具有横向性能、低消耗并且易于加工的特点。尤其是纤维增强钛基复合材料，是先进航空承力部件的候选材料，并且碳化硅纤维增强的钛基复合材料也因为其良好的比刚度和比强度，在压气机的多个组件上得到了广泛应用。
对于陶瓷基复合材料而言，复合技术使得陶瓷材料的韧性得到改善，同时在强度和模量等方面也有显著提升。当前连续纤维增强陶瓷基复合材料以其良好的密度表现，以及较高的比模量和比强度，成为未来航天科技发展的重要支撑材料。此种材料在热机械性能和抗热振冲击方面同样有着良好表现，也因此具有更高的断裂韧性及断裂功、完全的非脆性破坏形式、优异的耐烧蚀性能或者绝热性能。
最后，在碳复合材料则是以碳作为基体，由碳纤维或者相关制品增强的材料，其具有碳本身的惰性和碳纤维的高强度特征，并且在热膨胀系数方面表现良好，热导率较低且抗热冲击性能好，耐腐蚀、耐含固体微粒的燃气侵蚀等性能特征，密度小并且在比强度和比弹性模量方面就有优势。这些特征都决定了其在航空航天领域中必然会有更为广泛的应用。
三、结论
经过多年的研发和积累，复合材料已经形成具有较大规模的体系，并且部分已经完全能够满足当前航空航天领域对于材料的要求。但目前总体状况，我国与发达国家的材料研发工作仍然存在差距，必须加强该领域的投入，才能为国防以及航空航天工作奠定坚实基础。
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论文作者:张泽群
论文发表刊物:《科技中国》2016年12期
论文发表时间:2017/3/15
标签：材料论文; 复合材料论文; 航空航天论文; 领域论文; 耐高温论文; 碳纤维论文; 结构论文; 《科技中国》2016年12期论文;