航空材料概论 第1章 绪论

第五阶段：21世纪初～, 复合材料、铝、钛、 钢结构（以复合材料为主）
二十一世纪初起，复合材料开始在飞机 材料中占据主动地位，其结构重量百分比甚 至超过了50%，有人说航空复合材料时代已经 到来。
二、材料的选择
合理的选材，直接影响飞机的战术性能、 设计定型进度、生产可行性、寿命和可靠性 等，也直接导致飞机结构效率的提高、重量 的减轻、推重比的增加、机动性的改善、载 重量的提高以及航程的增大等一系列结果。
但是在现代航空工业技术中，功能材 料用于制造各种传感器、换能器和信息处 理器，已成为航空器制导、测控、电子、 电气、通信、武器火控系统以及生命保障 系统中不可缺少的重要材料，是现代航空 技术先进性的决定因素之一。微电子器件 材料、光电子器件材料、传感器敏感元件 材料、信息材料和智能结构材料等关键功 能材料是发展的重点，将对未来的航空工 业与其他国防工业及国民经济产生极其重 要的作用。
3.1 引言 3.2 高温合金基本性能概述 3.3 常用耐热钢及其热处理
3.4 镍基高温合金
3.5 高温钛合金和金属间化合物
3.6 高温合金在航空航天中的应用
重点：航空高温结构部件的工作特点及对材料的要 求
第四章 先进聚合物基复合材料
4.1 引言
4.2
复合材料增强体材料
4.3 复合材料聚合物基体材料
4.4 聚合物基复合材料制件的基本成型方法
4.5 功能聚合物基复合材料 重点：了解复合材料增强体材料、聚合物基体材 料的种类及特点，了解聚合物基复合材料制件的 基本成型方法，了解一些功能聚合物基复合材料
第五章 先进金属基及无机非金属基复合材料
5.1 引言
5.2 先进金属基复合材料
5.3 先进金属间化合物基复合材料
8.5 空心微球
8.6 超细纤维
第一章 航空材料概述
1.1 航空材料的特殊性
一、几个概念
航空: 地球大气层以内的航行活动。 航空材料： 泛指用于制造航空飞行器的材料。
一架军用飞机包括机体、发动机、机载电子和火力控 制四大部分
一架民用客机包括机体、发动机、机载电子和机舱四 大部分
可以说，航空材料涵盖了当前材料科技
(4) 智能化。采用智能材料和结构,能实现 自诊断、自适应、自修复和寿命预测。 (5) 低成本。包括原材料、制备和加工、检 验、评价以及维修方面的低成本。 (6) 环境相容性。要求低/无污染,有良好的 可回收性。
1.2 航空材料的分类
航空材料有不同的分类方式： 一、按成份可分为四大类：

金属材料：铝合金、镁合金、钛合金、钢、高温合 金、粉末冶金合金等。

F-14的机体结构中有25%的钛合金、15%的钢、36% 的铝合金、还有4%的非金属材料和20%的复合材料。
图1.3 F-14“雄猫”可变后掠翼战斗机

由于采用了可变后掠翼，F-14背部有着结构 复杂的箱形结构——翼盒。翼盒两端容纳可 变翼翼根转轴。此部分是可变翼设计飞机的 重点，也是飞机死重的来源。为了使翼盒重 量尽可轻而又不应影响强度，格鲁曼采用高 强度轻重量的钛合金来制造。
蜂 蜂窝夹层结构
窝
钛合金
以TC4、TB5、TB6、TB8、TA15、TC16等为代表 的结构、高强减轻了结构重量，提高了飞机飞行性 能。
钛合金机翼接头
飞机承力框 异型筒状零件
飞机钛合金接头
四、欧美新一代大型飞机的材料技 术特色
1. 复合材料和钛合金的用量创历史新高
机型 钛合金 复合 材料
B707 0.2

所谓“轻质高强”是指，要求材料的比强度高，即 要求材料不但强度（静强度高、能承受大过载、疲 劳强度高）高而且密度小。航空工业有一句口号叫 做“为每一克减重而奋斗”，反映了减重对于航空 产品的重大经济意义（见表1.1）。而且材料减重 对飞机减重的贡献也越来越大，所以轻质高强是航 空材料必须满足的首要性能要求。
图1.1 飞行者一号 （复制品）

第二阶段：1920-1949，铝、钢结构.
（a）Me 109型战斗机 （德国，1935年）
（b）喷火式战斗机 （英国，1936年）
图1.2

第三阶段：1950 ～ 1969年,铝、钛、钢结构. SR-71“黑鸟”（3倍声速） 第四阶段： 1970 ～ 21世纪初, 铝、钛、钢、 复合材料结构（以铝为主） 如F-14（美国，1970年，图1.3）
பைடு நூலகம்航空材料 概论
参考书目
1 .《材料世界的天之骄子—航空材料》，清华大学 出版社/暨南大学出版社，曹春晓，郝应其 编著
2 .《航空航天材料》，国防工业出版社，李成功，
傅恒志，于翘等 编著 3 .《航空材料学》，哈尔滨工程大学出版社，张耀 良，韩广才 4. 《航空材料学》，上海科学技术出版社，北京航 空材料研究所
无机非金属材料：玻璃、陶瓷等。


高分子材料：透明材料、胶粘剂、橡胶及密封剂、 涂料、工程塑料等。
先进复合材料：聚合物基复合材料、金属基复合材 料、无机非金属基复合材料、碳/碳复合材料等。

二、按使用功能可分为两大类：
结构材料
功能材料
1.3 航空材料的演变
一、飞机结构材料的演变（5个阶段） 第一阶段：1903-1919，木、布结构.
第七章 先进功能材料
7.1 引言
7.5 功能陶瓷与敏
感材料
7.2 微电子材料
7.3 光电子材料
7.6 隐身材料
7.7 智能结构材料
7.4 信息显示、存储与传 输材料
重点：先进功能材料的特点以及在航空领域的应用
第八章 航空新材料
8.1 超塑性合金
8.2 快凝颗粒合金
8.3 非晶态金属
8.4 纳米材料
B727 1
B737 2.2
B747 2.5
B747SP 4 1
B757 6 3
B767 2 3
B777 7 11
B787 15 50
机型 客机 A320 客机 A340 新推出客机 A380 研制中客机 A350
钛合金
复合材料
4.5 6 10 9
5.5 8 22 37
空客民机机体上钛合金和复合材料的用量（%）

新型号的先进飞机价格不断攀升，各航空技术领先 的国家和地区都先后对航空产品提出了“买得起” 的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占 有相当份额，所以科学地选材和努力发展低成本材 料技术是航空材料发展的重要方向。
二、航空材料性能特点
高的比强度和比刚度
优良的耐高低温性能
耐老化和耐腐蚀 适应空间环境 寿命和安全
二、航空材料的特殊性 航空材料是航空工业主要基础。 航空材料与航空技术的关系极为密切，航空 航天材料在航空产品发展中具有极其重要的 地位和作用：航空材料既是研制生产航空产 品的物质保障，又是推动航空产品更新换代 的技术基础。

1、航空产品特殊的工作环境对航空材料的性 能要求集中表现在“轻质高强、高温耐蚀”。

铝合金材料
橡胶紧箍件铝合金臂板
接头（7055）铝合金
机翼前缘（上）／飞机油泵 安装口框（下）

树脂基复合材料
芳纶铝合金层
各种飞机复合材料结构件
蜂窝材料
是一种用于夹层结构的轻质材料。芳 纶纸（Nomex）蜂窝具有高的比强度和比刚度， 突出的耐腐蚀性和自熄性，优良的耐环境性 和热绝缘性，独特的介电性能和高温稳定性， 优异的工艺性，广泛用于航空航天、船舶、 火车和体育用品。
5.4 先进陶瓷基复合材料
5.5 先进C/C复合材料
重点：掌握先进的金属基复合材料、金属间化合物基复合 材料、陶瓷基复合材料以及C/C复合材料的性能特征以及 它们在航空领域的应用
第六章 高分子材料
6.1 塑料 6.2 合成纤维 6.4 透明材料 6.5 胶黏剂
6.3 橡胶及密封剂
6.6 涂料
重点：掌握塑料、合成纤维、合成橡胶的特性 以及它们在航空领域的应用

“高温耐蚀”的“高温”是指航空材料要能耐受较 高的工作温度。对机身材料，气动力加热效应使表 面温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对
发动机材料，要求涡轮盘和涡轮叶片材料要有好的
高温强度和耐高温腐蚀性能。

“耐蚀”是指航空材料要有优良的抗腐蚀，特别是 抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力。

当然，除以上性能外，对某些材料还要求有 其他方面的性能，如：非金属材料要具有良 好的耐老化性能和耐气候性能；透明材料要 具有良好的光学性能；电工材料具有良好的 电学性能；以及防火安全性能等等。
最后，飞机的选材还要满足制造经济性要求。设计 师需要保证飞机材料在整个批生产期间内均能符合 成本效率原则。除了与材料重量有关，经济性还受 新合金的选用、材料工艺的特性、压缩材料的品种 和规格、材料选用的继承性等因素影响。

三、机体结构用材料的主要特点
大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、 高模材料，从而提高飞机的结构效率，降低飞机结 构重量系数。其中又以先进复合材料和钛合金用量 的增加，传统铝合金和钢材的用量相应减少的特点 最为突出。先进复合材料和钛合金的用量、材料本 身的性能指标、结构设计水平和零组件加工质量已 成为这些航空产品先进性的主要表现之一。
三、 航空材料的发展方向
(1) 高性能。要求质轻、高强、高模、高韧、抗疲 劳、抗振动、耐高温、耐低温、抗氧化、耐腐蚀。 (2) 高功能、多功能。用于雷达火控和隐身结构的 材料要求有高功能的光、电、热、磁特性;承载和 功能一体化以及多功能化。 (3) 复合化。采用树脂基、金属基（以铝、钛及金 属间化合物）、陶瓷基(SiC 或C 纤维增强的SiC 和Si3N4 基)、C/ C 复合材料。
主要内容
第一章 绪论
1.1 航空材料的特殊性