先进材料在飞机上的应用.docx
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先进材料在飞机上的应用
先进材料在飞机上的应用
【摘要】
本论文主要阐述了先进材料在飞机上的应用。
首先介绍了先进材料的分类及其特点；其次对先进材料在飞机上的应用作了说明；在各章节列举例子（A380客机）上的先进材料进行了了具体分析。
关键词：
先进材料的分类、先进材料在飞机上的应用（新型且先进的金属材料、复合材料）、先进材料的加工技术（GLARE技术、激光焊技术）、举例A380客机上的新型材料分析。
Abstract:
Thispapermainlyexpoundstheadvancedmaterialsintheplaneoftheapplication.Firstlyintroducestheclassificationofadvancedmaterialsanditscharacteristics,Secondofadvancedmaterialsintheplaneoftheapplicationareexplained;Ineverychapterenumeratedexample（A380）oftheadvancedmaterialshowconcreteanalysis.
Keywords:
Advancedmaterialsclassification,advancedmaterialsintheplaneoftheapplication（newandadvancedmetalmaterials,compositematerials）,advancedmaterialsprocessingtechnology（suretechnology,laserweldingtechnology）,forexampleA380ofnewmaterialanalysis.
目录
1.进材料的概述3
1.1传统的飞机材料4
1.2现代飞机上的新型材料4
2.新型且先进的金属材料5
2.1.高温合金5
2.2.铝合金5
2.3.钛合金7
2.4.超高强度钢8
2.5新型且先进的金属材料在飞机上的应用9
3.复合材料10
3.1复合材料的介绍10
3.2复合材料的分类10
3.3树脂基复合材料的发展史12
3.4复合材料环氧树脂的品种、性能和特性13
3.5复合材料的应用13
3.5.1．应用先进复合材料可以显著提高战斗机作战性能。
14
3.5.2．应用复合材料可增大军机载量。
14
3.5.3．应用先进复合材料是高超声速飞行器能否上天的关键因素。
14
3.5.4．应用先进复合材料能大幅增加无人战斗机载油量。
15
4.先进材料的加工技术16
4.1先进材料的加工技术的介绍16
4.2先进材料的加工技术的分类16
4.2.1．GLARE技术16
4.2.2.激光焊技术18
5.结论20
结束语21
谢辞22
文献23
1.进材料的概述
飞机的寿命要达到40-50年，因此必须选用先进且新型材料和工艺技术，为未来飞机搭建技术平台。
这些技术不仅经过了大量全尺寸试验验证而且经过了航空公司维修专家的评审（符合检查和维修标准）。
A380结构设计准则（图1）。
重复的拉伸载荷加上载荷的变化将会在金属结构内产生微小的疲劳裂纹。
裂纹增长速度以及残余强度（当裂纹产生时）将指导选择何种材料。
为了防止结构由外物损伤，需要考虑材料的损伤容限性能。
图1A380结构
压力载荷需要考虑采用屈服强度和刚度好的材料，以增加稳定性。
抗腐蚀能力是选择材料和工艺的另一个重要准则，尤其是在机身下部。
选择材料和工艺目标的一部分是使结构轻量化。
因此，复合材料是很好的选择，但必须了解设计准则和维修需要。
材料的选择不仅仅是考虑设计准则，同时还要考虑生产成本和采购问题。
1.1传统的飞机材料
飞机材料的范围较广，分为机体材料（包括结构材料和非结构材料）、发动机材料和涂料，其中最主要的是机体结构材料和发动机材料。
非结构材料包括：
透明材料，舱内设施和装饰材料，液压、空调等系统用的附件和管道材料，天线罩和电磁材料，轮胎材料等。
非结构材料量少而品种多，有：
玻璃、塑料、纺织品、橡胶、铝合金、镁合金、铜合金和不锈钢等。
1.2现代飞机上的新型材料
机翼是飞机的主要部件，早期的低速飞机的机翼为木结构，用布作蒙皮。
这种机翼的结构强度低，气动效率差，早已被金属机翼所取代。
机翼内部的梁是机翼的主要受力件，一般采用超硬铝和钢或钛合金；翼梁与机身的接头部分采用高强度结构钢。
机翼蒙皮因上下翼面的受力情况不同，分别采用抗压性能好的超硬铝及抗拉和疲劳性能好的硬铝。
为了减轻重量，机翼的前后缘常采用玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）或铝蜂窝夹层（芯）结构。
尾翼结构材料一般采用超硬铝。
有时歼击机选用硼或碳纤维环氧复合材料，以减轻尾部重量，提高作战性能。
尾翼上的方向舵和升降舵采用硬铝。
飞机在高空飞行时，机身增压座舱承受内压力，需要采用抗拉强度高、耐疲劳的硬铝作蒙皮材料。
机身隔框一般采用超硬铝，承受较大载荷的加强框采用高强度结构钢或钛合金。
很多飞机的机载雷达装在机身头部，一般采用玻璃纤维增强塑料做成的头锥将它罩住以便能透过电磁波。
驾驶舱的座舱盖和风挡玻璃采用丙烯酸酯透明塑料（有机玻璃）。
飞机在着陆时主起落架要在一瞬间承受几百千牛乃至几兆牛（几十吨力至几百吨力）的撞击力，因此必须采用冲击韧性好的超高强度结构钢。
前起落架受力较小，通常采用普通合金钢或超硬铝。
从60年代末期开始，在飞机上使用的复合材料，已由当初只应用于口盖和舱门等非承力构件，逐步扩大应用到减速板和尾翼等次承力构件，而且正向用于机翼甚至前机身等主承力构件的方向发展。
另外，为提高突防攻击能力、不被敌方雷达捕获，已在飞机上采用吸波材料.
2.新型且先进的金属材料
2.1.高温合金
高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。
目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。
高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关，尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。
由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出很高要求，早期英国研制了Ni3（Al、Ti）强化的Nimonic80合金，用作涡轮喷气发动机涡轮叶片材料，同时，又相继发展了Nimonic系列合金。
美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和Udmit等合金系列。
在高温合金发展过程中，制造工艺对合金的发展起着极大的推进作用。
由于真空熔炼技术的出现，合金中有害杂质和气体的去除，特别是合金成分的精确控制，使高温合金性能不断提高。
随后，定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究成功，推动了高温合金的迅猛发展。
其中定向凝固技术最为突出，采用定向凝固工艺制出的定向、单晶合金，其使用温度接近初熔点的90%。
因此，目前各国先进航空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。
从国际范围来看，镍基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。
粉末高温合金也由第一代650℃发展到750℃、850℃粉末涡轮盘和双性能粉末盘，用于先进高性能发动机。
我国高温合金随航空发动机的发展研制和生产需求而发展。
我国高温合金的创业和起步于20世纪70年代前，由于我国第一、二代发动机的需求，我国研制和发展了GH系列的变形高温合金以及K系列的铸造高温合金，同时发展了许多新的制造技术，如真空熔炼和铸造、空心叶片铸造、等温锻造等。
70年代后，在高温合金的研制中，我国引进了欧美技术，按国外的技术标准进行研制和生产，对材料的纯洁度和综合性能提出了更高要求，研制了高性能变形高温合金、铸造高温合金。
尤其是DZ系列的定向凝固柱晶合金和DD系列的单晶合金的研究与发展，使我国高温合金在生产工艺技术和产品质量控制上了一个新台阶。
近几年来，根据新型飞机的研制发展需求，我国高温合金研发又进入新阶段。
通过新材料、新工艺的发展和应用，我国研制和生产了一系列高性能新合金。
2.2.铝合金
铝合金的比强度和比刚度与钢相似，但由于其密度较低，在同样的强度水平下可提供截面更厚的材料，在受压时的抗屈曲能力更佳，因此铝合金成了经典的飞机结构材料。
20世纪80年代末至90年代中期，精密热处理技术及合金成分精确控制等关键技术取得突破，第四代耐损伤铝合金2524-T3和7150-T77研制成功，这是航空铝合金研究跨时代的进步。
传统铝合金因此完成了向高性能铝合金的里程碑式大发展。
在第四代铝合金技术发展的同时，铝锂合金也被运用在先进的特大型民用飞机上。
空客A380选用铝锂合金制造地板梁，空客A350选用铝锂合金制造机身蒙皮和地板结构等，其用量预计高达总结构重量的23%。
第四代铝合金技术研制成功之后，国际上正在进行低成本铝合金的研制开发工作。
.
图2-1A380选材分布
铝合金占的比重最大，达机体结构重量的61%，因此要实现性能改进，必须开发创新的铝合金材料和工艺技术，具体是提高强度和损伤容限，加强稳定性并提高抗腐蚀能力。
尤其是在A380机翼部位（机翼的80%以上是铝合金材料）要提高性能。
A380-800飞机在铝合金结构上取得的主要成就包括：
（1）在机身壁板上引用了很宽的钣金材料，减少了连接件从而减轻了重量在主地板横梁上采用了先进的铝锂合金挤压件，在这一部位的应用可与碳纤维增强塑料相媲美。
（2）在机翼大梁和翼肋上选择了新型7085合金，这种合金在很薄的板材和很大锻件上性能优于通常的高强度合金；钛合金由于具有高强度、低密度，高损伤容限和抗腐蚀能力使其代替钢而广泛应用，但是它的高价格使其应用受到限制。
在A380的结构中，钛合金用量较空中客车其它机型有所增加，达到10%。
仅仅挂架和起落架的钛合金用量就增加了2%。
（3）A380挂架的主要结构是空中客车公司第一次采用全钛设计。
在A380飞机上采用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V，在B退火状态下最大的断裂韧性和最小的裂纹增长速度。
（4）在A380上第一次采用了新型钛合金VST55531，这种新的钛合金是空中客车公司与俄罗斯制造商共同开发的，能够为设计者提供良好的断裂韧性和高强度综合性能。
这种合金目前用于A380飞机的机翼和挂架之间的连接件，进一步的应用还在研究当中。
2.3.钛合金
钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好和耐高温等一系列优点，能够进行各种方式的零件成形、焊接和机械加工，因而在先进飞机及发动机上获得了广泛应用。
当今，钛合金用量占飞机结构重量的百分比已成为衡量飞机用材先进程度的重要标志之一。
钛合金占F-22战斗机机体结构重量的39%。
钛合金在国外民用飞机上的用量也随飞机设计和性能水平的提高而不断增加。
图2-2钛合金材料起落架
铝合金所能承受的温度载荷有限，20世纪70年代，航空材料进入钛合金时代。
由于钛合金成形及切削加工非常困难、与某些化学品接触时性能会发生变化等特点，各飞机制造公司为钛合金材料的研制付出巨大努力。
首先.飞机结构钛合金材料。
高损伤容限性能是新一代战斗机（包括高推比发动机）长寿命、高机动性、低成本和损伤容限设计需要的重要材料性能指标。
美国率先把破损安全设计概念和损伤容限设计准则成功应用在先进战斗机上，F-22战斗机大量采用损伤容限型钛合金及其大型整体构件，以满足高减重和长寿命的设计需求。
Ti-6Al-4VELI在美国C-17军用运输机上的特大型锻件上得到重要应用，高强度钛合金Ti-6-22-22S也在C-17飞机上的水平尾翼接头（转轴）等关键部位上得到应用。
这两种钛合金的使用，使大型运输机的寿命高达60000飞行小时以上。
在欧洲，空客A380是首架全钛挂架的飞机，未来的A350也将采用全钛挂架。
第二.航空发动机用高温钛合金
高温钛合金主要用于制造航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件，这些零件要求材料在高温工作条件下（300~600℃）具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。
随着航空发动机推重比的提高，高压压气机出口温度升高导致高温钛合金叶片和盘的工作温度不断升高。
经过几十年的发展，固溶强化型的高温钛合金最高工作温度由350℃提高到了600℃。
我国在航空发动机上使用的工作温度在400℃以下的高温钛合金主要有TC4和TC6，应用于发动机工作温度较低的风扇叶片和压气机第1、2级叶片。
500℃左右工作的高温钛合金有TC11、TA15和TA7合金，其中TC11是我国目前航空发动机上用量最大的钛合金。
单纯采用固溶强化的钛合金难以满足600℃以上温度环境对蠕变抗力和强度的要求。
有序强化的钛-铝系金属间化合物因其高比强度、比刚度、高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，而成为600℃以上温度非常有使用潜力的候选材料，其中Ti3Al基合金长期工作温度在650℃左右，而TiAl基合金工作温度可达760℃~800℃。
2.4.超高强度钢
超高强度钢作为起落架材料应用在飞机上。
第二代飞机采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A钢，抗拉强度为1700MPa，这种起落架的寿命较短，约2000飞行小时。
第三代战机设计要起落架求寿命超过5000飞行小时，同时由于机载设备增多，飞机结构重量系数下降，对起落架选材和制造技术提出更高要求。
美国和我国的第三代战机均采用300M钢（抗拉强度1950MPa）起落架制造技术。
应该指出的是，材料应用技术水平的提高也在推动起落架寿命的进一步延长和适应性的扩大。
如空客A380飞机起落架采用了超大型整体锻件锻造技术、新型气氛保护热处理技术和高速火焰喷涂技术，使得起落架寿命满足设计要求。
由此，新材料和制造技术的进步确保了飞机的更新换代。
2.5新型且先进的金属材料在飞机上的应用
飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计对材料提出了更高要求，AerMet100钢较300M钢而言，强度级别相当，而耐一般腐蚀性能和耐应力腐蚀性能明显优于300M钢，与之相配套的起落架制造技术已应用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先进飞机上。
更高强度的Aermet310钢断裂韧性较低，正在研究中。
损伤容限超高强度钢AF1410的裂纹扩展速率极慢，用作B-1飞机机翼作动筒接头，比Ti-6Al-4V减重10.6%，加工性能提高60%，成本降低30.3%。
俄罗斯米格－1.42上高强度不锈钢用量高达30%。
PH13-8Mo是唯一的高强度马氏体沉淀硬化不锈钢，广泛用作耐蚀构件。
国内探索超高强度不锈钢取得初步效果。
国外还发展了超高强度齿轮（轴承）钢，如CSS-42L、GearmetC69等，并在发动机、直升机和宇航中试用。
国内发动机、直升机传动材料技术十分落后，北京航空材料研究院已自主研究开发了一种超高强度轴承齿轮钢。
3.复合材料
3.1复合材料的介绍
复合材料与金属、高聚物、陶瓷并称为四大材料。
今天，一个国家或地区的复合材料工业水平，已成为衡量其科技与经济实力的标志之一。
先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。
到2020年，只有复合材料才有潜力获得20-25%的性能提升。
环氧树脂是优良的反应固化型性树脂。
在纤维增强复合材料领域中，环氧树脂大显身手。
它与高性能纤维:
PAN基碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玄武岩纤维、S或E玻璃纤维复合，便成为不可替代的重要的基体材料和结构材料，广泛运用在电子电力、航天航空、运动器材、建筑补强、压力管雄、化工防腐等六个领域。
本文重点论述航空航天先进树脂基体复合材料的国内外现状及中国的技术软肋问题。
3.2复合材料的分类
复合材料是一种混合物。
在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。
复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。
按其结构特点又分为：
①纤维复合材料。
将各种纤维强体置于基体材料内复合而成。
如纤维增强塑料、纤维增强金属等。
②夹层复合材料。
由性质不同的表面材料和芯材组合而成。
通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。
分为实心夹层和蜂窝夹层两种。
③细粒复合材料。
将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。
④混杂复合材料。
由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。
与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。
分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内／层间混杂和超混杂复合材料。
60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。
为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。
按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。
其使用温度分别达250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。
先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料（材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料）、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。
表1对一些材料的性能进行了比较。
性能
拉伸强度/MPa
拉伸模量/GPa
密度/（g/cm3）
比模量×109/cm
比强度×107/cm
产地
30CrMnSi
1100
205
7.8
0.26
0.14
-
S-玻璃纤维
3200
85
2.5
0.34
1.28
-
F12有机纤维
4300
145
1.44
1.00
2.99
俄罗斯
IM6碳纤维
5200
276
1.7
1.62
3.06
美国
IM9碳纤维
6343
290
2.0
1.45
3.17
P30碳纤维
4000
210
1.76
1.19
2.27
日本
T700碳纤维
4800
230
1.80
1.28
2.67
T800碳纤维
5490
294
1.80
1.62
3.03
表2-1各种纤维材料性能比较
由表2-1可见，仅玻璃纤维就比金属材料的比强度、比模量分别提高了540%、31%，碳纤维的提高则更为显著。
据文献报道，由键能和键密度计算得出的单晶石墨理论强度高达150GPa[1]。
因此碳纤维的进一步开发潜力是十分巨大的。
日本东丽公司的近期目标是使碳纤维抗拉强度达到8.5GPa、模量730GPa。
毋庸置言，碳纤维仍将是今后固体火箭发动机壳体和喷管的主要材料。
开发碳纤维复合材料的其他应用大有作为，如飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动器材（如滑雪板、球拍、渔杆）等。
随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的逐步下降，在增强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用也必将迅速扩大[2～4]。
我国为配合北京奥运会,拟大力开发新型CFRP建材及与环保，日用消费品相关的高科技CFRP新市场[5]。
3.3树脂基复合材料的发展史
树脂基复合材料（ResinMatrixComposite）也称纤维增强塑料（FiberReinforcedPlastics），是技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料。
这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，经复合而成。
以玻璃纤维作为增强相的树脂基复合材料在世界范围内已形成了产业，在我国不科学地俗称为玻璃钢。
树脂基复合材料于1932年在美国出现，1940年以手糊成型制成了玻璃纤维增强聚酯的军用飞机的雷达罩，其后不久，美国莱特空军发展中心设计制造了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的飞机，并于1944年3月在莱特-帕特空军基地试飞成功。
1946年纤维缠绕成型技术在美国出现，为纤维缠绕压力容器的制造提供了技术贮备。
1949年研究成功玻璃纤维预混料并制出了表面光洁，尺寸、形状准确的复合材料模压件。
1950年真空袋和压力袋成型工艺研究成功，并制成直升飞机的螺旋桨。
60年代在美国利用纤维缠绕技术，制造出北极星、土星等大型固体火箭发动机的壳体，为航天技术开辟了轻质高强结构的最佳途径。
在此期间，玻璃纤维-聚酯树脂喷射成型技术得到了应用，使手糊工艺的质量和生产效率大为提高。
1961年片状模塑料（SheetMoldingCompound,简称SMC）在法国问世，利用这种技术可制出大幅面表面光洁，尺寸、形状稳定的制品，如汽车、船的壳体以及卫生洁具等大型制件，从而更扩大了树脂基复合材料的应用领域。
1963年前后在美、法、日等国先后开发了高产量、大幅宽、连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产线，使复合材料制品形成了规模化生产。
拉挤成型工艺的研究始于50年代，60年代中期实现了连续化生产，在70年代拉挤技术又有了重大的突破。
在70年代树脂反应注射成型（ReactionInjectionMolding,简称RIM）和增强树脂反应注射成型（ReinforcedReactionInjectionMolding,简称RRIM）两种技术研究成功，现已大量用于卫生洁具和汽车的零件生产。
1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模型料成型技术，1975年投入生产。
80年代又发展了离心浇铸成型法，英国曾使用这种工艺生产10m长的复合材料电线杆、大口径受外压的管道等。
从上述可知，新生产工艺的不断出现推动着聚合物复合材料工业的发展。
进入20世纪70年代，对复合材料的研究发迹了仅仅采用玻璃纤维增强树脂的局面，人们一方面不断开辟玻纤-树脂复合材料的新用途，同时也开发了一批如碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用高性能树脂、金属与陶瓷为基体，制成先进复合材料（AdvancedCompositeMaterials,简称ACM）。
这种先进复合材料具有比玻璃纤维复合材料更好的性能，是用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器的理想材料。
自从先进复合材料投入应用以来，有三件值得一提的成果。
第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机--里尔芳2100号，并试飞成功。
第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长18.2m、宽4.6m的主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器。
在这架代表近代最尖端技术成果的航天收音机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料。
第三件是使用了先进复合材料作为主承力结构，制造了这架可载80人的波音-767大型客运飞机，不仅减轻了重量，还提高了飞机的各种飞行性能。
复合材料在这几个飞行器上的成功应用，表明了复合材料的良好性能和技术的成熟，这对于复合材料在重要工程结构上的应用是一个极大的推动。
3.4复合材料环氧树脂的品种、性能和特性
复合材料工业上使用量最大的环氧树脂品种是缩水甘油醚类环氧树脂，而其中又以双酚A型环氧树脂为主，双酚F型环氧树脂（DGEBF）和双酚S型环氧树脂。
其次是缩水甘油胺类环氧树脂和缩水甘油酯类环氧树脂。
其他还有酚醛环氧树脂；间苯二酚型环氧树脂、间苯二酚-甲醛型环氧树脂、四酚基乙烷型环氧树脂、三羟苯基甲烷型环氧树脂、富有柔韧性脂肪族多元醇缩水甘油醚型环氧树脂、环氧丙烯酸树脂和耐候性的脂环族环氧树脂，其可单独或者与通用E型树脂共混，供作高性能复合材料（ACM）。
缩水甘油胺类环氧树脂的
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