引言

　　進入21 世紀，航空航天已展現出更加廣闊的發展前景，高水平或超高水平的航空航天活動更加頻繁，其作用將遠遠超出科學技術領域本身，對政治、經濟、軍事以至人類社會生活都會產生更廣泛和更深遠的影響。應該指出，航空航天事業所取得的巨大成就，與航空航天材料技術的發展和突破是分不開的。材料是現代高新技術和產業的基礎與先導，很大程度上是高新技術取得突破的前提條件。例如20 世紀60 年代高純硅半導體材料的突破，使人類進入信息化時代。航空航天材料的發展對航空航天技術起到強有力的支撐和保障作用；反過來，航空航天技術的發展需求又極大地引領和促進航空航天材料的發展。21 世紀以來，航空航天事業的發展進入新的 階段，將會推動航空航天材料朝著質量更高、品類更新、功能更強和更具經濟實效的方向發展。

   1 航空航天材料的地位和作用

    航空航天材料泛指用于制造航空航天飛行器的材料。一架現代飛行器要用到所有的4 大類材料，即金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料。

    按使用范圍，航空航天材料可分為結構材料與功能材料。結構材料主要用于制造飛行器各種結構部件，如飛機的機體、航天器的承力筒、發動機殼體等，其作用主要是承受各種載荷，包括由自重造成的靜態載荷和飛行中產生的各種動態載荷。功能材料主要是指在光、聲、電、磁、熱等方面具有特殊功能的材料，如飛行器測控系統所涉及的電子信息材料（包括用于微電子、光電子和傳感器件的功能材料），又如現代飛行器隱身技術用的透波和吸波材料，航天飛機表面的熱防護材料等。結構材料總的發展趨勢是輕質化、高強度、高模量、耐高溫、低成本；而功能材料則朝著高性能、多功能、多品種、多規格的方向發展。出于現代高性能飛行器發展的需要，結構-功能一體化和智能化也是重要的材料發展方向。航空航天領域關鍵技術的突破都離不開航空航天材料的支撐，航空航天材料的地位與作用可歸納如下。

    1.1 高性能材料是發展高性能飛行器的基礎保障

    自萊特兄弟制造的人類第一架飛機“飛行者一號”問世以來，航空技術取得了大跨越的發展，以戰斗機為代表的軍用飛機現已發展到第5 代，其最大飛行速度達4 倍聲速。在此過程中，航空材料的發展所經歷的階段如表1所示。可以看到，材料的進步對飛機的升級換代起到關鍵的支撐作用。

    發動機是飛機的“心臟”，其性能的優劣制約著飛機的能力，而發動機性能的提高又與所使用的耐高溫結構材料密切相關。隨著飛機航程的加長和速度的提高，要求發動機推力、推重比（發動機推力與重量之比）越來越大，這就意味著發動機的壓力比、進口溫度、燃燒室溫度以及轉速都須極大地提高。根據美國先進戰斗殲擊機研究計劃和綜合高性能發動機技術研究計劃，發動機推重比要達到20，而其油耗比要比目前再降低50%。眾所周知，推重比的提高取決于發動機渦輪前進口溫度的提高：對于推重比在15～20 以上的發動機，其渦輪前進口溫度最高達2227～2470 ℃。高性能航空發動機對材料的性能提出了更高要求，除高比強度、高比模量外，對耐高溫性能需求更為突出[3]。由此可見，航空發動機性能的提高有賴于高性能材料的突破。

    圖 1 是世界著名發動機公司羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce）公司對航空發動機材料發展情況作出的統計和預估，其中2010 年前后為當時的預估數據。

    由圖 1 可以看出：傳統的鋁合金及結構鋼在發動機中的用量會進一步減少，而鎳基高溫合金、鈦合金等材料的使用在20 世紀末達到高峰期，到21 世紀初也有所降低；代之而起的將是一些新型高溫結構材料，如金屬間化合物（Ti3Al、Nb3Al等）、陶瓷基/金屬基復合材料（CMC、MMC）。金屬硅化物的熔點很高（高于2000 ℃），其在1600 ℃下具有很好的熱穩定性、防氧化性以及良好的力學性能，近年來已成為高溫材料研究的新熱點，有代表性的產品如硅化鎳（Nb5Si3）、硅化鈦（Ti5Si3）、硅化鋯（Zr5Si3）等。

    1.2 輕質高強度結構材料對降低結構重量和提高經濟效益貢獻顯著

    輕質、高強度是航空航天結構材料永遠追求的目標。碳纖維復合材料是20 世紀60 年代出現的新型輕質高強度結構材料，其比強度和比模量是目前所有航空航天材料中最高的。有數據表明：碳纖維復合材料的比強度和比剛度超出鋼與鋁合金的5～6 倍。復合材料在飛行器上的應用日益擴大，質量占比在不斷增加。材料具有較高的比強度和比剛度，就意味著同樣質量的材料具有更大的承受有效載荷的能力，即可增加運載能力。結構重量的減少意味著可多帶燃油或其他有效載荷，不僅可以增加飛行距離，而且可以提高單位結構重量的效費比。飛行器的結構重量每減1 磅所獲得的直接經濟效益見表2。

    1.3 材料的可靠性事關飛行安全

    飛行器是多系統集成體，所涉及的零部件達數十萬計，元器件達數百萬計，要用到上千種材料。飛行器要在各種狀態和各種極端環境條件下飛行，如何確保其飛行安全至關重要。除設計、制造、使用和維護維修要有極其嚴格的質量控制要求外，材料的可靠性顯得尤為關鍵。飛行史上的許多事故教訓表明，材料失效是導致飛行事故的重要原因之一：大到一個結構件的斷裂，小到一個鉚釘或密封圈的失效，都可能導致飛行事故。因此，加強材料的可靠性評價研究對于提高飛行安全性有不可忽視的意義。

    1.4 航空航天材料引領材料技術發展

    航空航天材料性能和質量要求極端嚴格，產品制造技術復雜，成本居高不下，這些都嚴重制約著材料應用和發展。由于飛行器要在各種極端環境條件下飛行，其材料所涉及的技術問題非常復雜，是材料領域爭相研究的重點和熱點。航空航天材料及其制備技術的突破，無疑對現代材料技術有著極強的引領和促進作用。如航空發動機對高溫結構材料的需求強烈地推動高溫合金、金屬間化合物、陶瓷基和金屬基復合材料、碳-碳復合材料以及金屬陶瓷的迅速發展：首先應用于飛機結構的碳纖維增強復合材料，現已迅速推廣到其他領域。飛行器的輕質化推動了復合材料的發展，使材料復合化成為新材料的重要發展趨勢之一。

    2 航空航天結構材料

    航空航天結構材料主要有鋁合金、鈦合金、纖維復合材料和高溫結構材料。

    2.1 鋁合金

    近100 年來，鋁合金在航空航天器機體結構材料的應用一直長盛不衰。鋁合金具有輕質、易加工、抗腐蝕的優點，其比強度高過很多合金鋼，成為理想的結構材料。

    人們對航空航天用的鋁合金在成分及合成方法、軋制/擠壓/鍛造/熱處理等工藝、零件加工、材料及結構服役性能表征等方面都開展了深入的系統研究，材料產品發展已形成系列化，在應用方面也取得了一系列顯著成果。特別是20 世紀80 年代末以來，隨著飛行器損傷容限和耐久性設計準則逐漸形成，對材料的強度、斷裂韌性、耐蝕性、抗疲勞等綜合性能提出了更高要求。當前鋁合金的發展方向是開發低內應力的厚板材料，且在制造工藝上大量采用厚板以實現整體結構部件成型，來代替以前用很多零件裝配的部件（圖2）。廣泛采用大型整體壁板結構已經成為新一代飛機提高結構效率、減少零件數量、降低成本和縮短研制周期的重要手段。如波音B747 飛機采用整體帶筋壁板后，零件數量從129 個減少到7 個，成本降低了25%，而裂紋擴展壽命和殘余強度均提高了3 倍。

    2.2 鈦合金

    鈦合金是20 世紀50 年代發展起來的一種重要的新型結構材料，因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性強等特點而被廣泛用于各個領域。20 世紀50 年代，美國首次將鈦合金用在F-84轟炸機上作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60 年代開始，鈦合金在軍用飛機中的用量迅速增加，占到飛機結構重量的20%～25%，使用部位從后機身移向中機身，部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。70 年代起，民用飛機也開始大量使用鈦合金，如波音B747客機的鈦合金用量達3640 kg 以上。在馬赫數小于2.5 的飛機上，用鈦合金來代替鋼，可以減輕結構重量。例如美國SR-71 高空高速偵察機（飛行馬赫數為3，飛行高度26 212m），鈦合金用量占飛機結構重量的93%，號稱“全鈦”飛機。20 世紀70 年代，鈦合金在航空發動機中主要用于制造壓氣機部件，如風扇、壓氣機盤和葉片、壓氣機機匣、中介機匣、軸承殼體等，其用量一般占到結構總重量的20%～30%。當航空發動機的推重比從4～6 提高到8～10，壓氣機出口溫度相應地從200～300 ℃ 升高到500～600 ℃ 時，原來用鋁合金制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金，或用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片，以減輕結構重量。因鈦合金具有較高比強度和較好的耐腐蝕和耐低溫性能，其在航天器上主要用來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體，也有人造地球衛星、登月艙、載人飛船和航天飛機使用了鈦合金板材焊接件。航空航天用鈦合金的當前發展重點是多用途和多品種化。為滿足高推重比發動機研制的需要，開展了高溫、高強度合金及其他功能合金的研究，如高溫鈦合金和鈦-鋁金屬間化合物（最高使用溫度可達982 ℃）、高強度鈦合金（抗拉強度在1000MPa以上）、阻燃鈦合金（以解決航空發動機用鈦合金材料的“鈦燃燒”問題）等。圖3 為用阻燃鈦合金Ti40 制造的飛機發動機壓氣機機匣零件。

    2.3 先進復合材料

    碳纖維增強樹脂基復合材料的最優異特點是相對于鋁、鋼等金屬結構材料具有極高的比強度和比剛度，目前是一種理想的輕質高強度航空航天結構材料。同鋁合金相比，用碳纖維復合材料制造的飛機結構，減重效果可達20%～40%。

    20 世紀90 年代以來，美國等發達國家的先進戰斗機無一例外地大量采用復合材料結構，幾乎遍布飛機各個部位，包括垂尾、平尾、機身蒙皮以及機翼壁板和蒙皮等。如F-22 戰斗機的復合材料用量占飛機總重量的24%，F-35 戰斗機達到36%，EF-2000 飛機達到43%。在民用飛機上，復合材料在波音飛機和空客飛機上的用量近年來持續上升，進入21 世紀更是突飛猛進：如在波音B787“夢想飛機”上，復合材料的重量占比達50%；而在空客公司已交付使用的空中巨無霸A-380 飛機上，復合材料的重量占比為25%。空客計劃推出超寬體客機A-380 XWB，復合材料用量將達52%。由于采用復合材料，不僅可降低結構重量，而且還將提供更大的設計空間和更舒適的乘坐體驗。在航天領域，復合材料廣泛應用于航天器結構件，包括衛星中心承力筒、各種儀器安裝結構板等。在運載火箭上被用于火箭的排氣錐體，發動機的蓋、燃燒室殼體、噴管、喉襯、擴散段，以及整流罩等部位，與鋁合金相比重量可減輕10%～25%。隨著復合材料的用量急劇增加，其制造的高成本問題變得日益突出。因此，復合材料的低成本化已成為目前研究的重點。復合材料的低成本研制技術主要包括：發展以DFM（design for manufacture）為核心的設計制造一體化技術；發展大絲束碳纖維的應用、低溫快速固化樹脂體系開發、熱塑性復合材料的合理使用等低成本的材料技術；發展以自動鋪帶（ATL）和纖維自動鋪放（AFP）為主的低成本自動化制造技術，和以樹脂傳遞成型（RTM）技術為核心的低成本制造技術；發展以共固化/共膠接為核心的大制件整體成型技術、非熱壓罐外成型技術等。

　　3 航空航天功能材料

    現代飛行器對機動性、靈敏性、控制精確性和制導準確性提出更高要求，這些都依賴于功能材料的發展和應用。

    鑒于功能材料的重要地位，世界各國都十分重視功能材料技術的發展。美國20 世紀末支持的6類材料中有5 類屬于功能材料，其他各國也都在大力發展各種新型功能材料。

    航空航天功能材料的特點有：1）應用面寬；2）研制周期短；3）性價比高；4）小批量，多品種，多規格。

    3.1 航空功能材料

    航空功能材料主要包括機載設備的微電子和光電子材料、壓電敏感元件材料、透波材料、吸波材料、紅外敏感材料、激光晶體及低膨脹微晶玻璃等。

    20 世紀90 年代的海灣戰爭是航空新型功能材料的大檢閱，尤其是由吸波材料結合隱身結構設計實現隱身技術，使飛機的突防能力極大地提高。有觀點認為，現代軍用飛機已進入隱身時代。

    1）透波復合材料

    它是以透電磁波的低介電材料與基體復合而成的一類功能材料，也是集結構與功能于一體的新型復合材料。透波復合材料具有良好的綜合性能，包括優異的介電性能，良好的耐熱性、環境適應性及較高的機械強度，廣泛地應用于各種飛機雷達、導彈、衛星的天線罩和天線窗。

    2）吸波隱身復合材料

    它是當代最具代表性的結構-功能一體化新型復合材料，結構形狀特殊，整體化程度高，從設計到材料成型都有不同于一般復合材料的要求，集多種現代高新技術于一體，代表了目前復合材料的發展水平。實現飛機隱身主要有兩種技術途徑，即外形結構設計和采用隱身材料，而前者不是本文要重點介紹的內容。目前，探測飛機的遙感設備主要有雷達、紅外、光學和聲波探測系統4 種，因此隱身技術也可分為雷達隱身、紅外隱身、可見光隱身和聲波隱身4 大類。由于雷達探測占60 %以上，因而隱身的重點是雷達隱身，主要利用吸波材料來實現。

    3.2 航天功能材料

    航天功能材料應用更為廣泛，其中最典型的是防熱耐燒蝕復合材料和梯度功能材料。

    1）防熱耐燒蝕復合材料

    當航天飛行器以高超聲速往返大氣時，在氣動加熱下，其表面溫度高達4000～8000 ℃；固體和液體火箭發動機工作時，燃燒室產生的高速氣流沖刷噴管，燒蝕最苛刻的喉襯部位溫度瞬間可超過3000 ℃。因此必須采取有效的熱防護方法，以保護內部結構在一定溫度范圍內正常工作。目前主要的方法是通過表面材料的自身燒蝕引起質量損失，吸收并帶走大量的熱量，從而阻止外部熱量向結構內部傳遞。

    防熱耐燒蝕復合材料是為了滿足航天器極端高溫要求而發展起來的一種新型復合材料，主要包括碳/碳復合材料、碳/酚醛復合材料、碳纖維/陶瓷復合材料等。這些材料具有高比強度、高比模量、耐高溫、抗燒蝕、抗沖擊等特點，目前正逐步取代黑色金屬、有色金屬等傳統材料，成為輕質化結構和防熱結構的主要材料。

    2）梯度功能復合材料

    航天器在大氣層中以高超聲速飛行，其頭部和發動機燃燒室內壁的溫度高達 2100 ℃以上，因此材料必須能耐受2100 ℃的高溫，另外，航天器各部分的溫差極大（最高達1600 ℃），服役條件極為惡劣。1984 年，日本學者首先提出了梯度功能復合材料的概念，其設計思想之一是采用耐熱性及隔熱性的陶瓷材料以適應幾千度高溫氣體的環境；之二是采用導熱性能好和機械強度高的金屬材料，通過控制材料的組分、結構和顯微氣孔率，使之沿厚度方向連續變化，即可得到陶瓷/金屬梯度功能復合材料，如圖4 所示。該材料內部不存在明顯的界面，陶瓷和金屬的組分和結構呈連續變化，因而物性參數也呈連續變化。高溫側壁采用耐熱性好的陶瓷材料，低溫側壁使用導熱和強度好的金屬材料；材料從陶瓷過渡到金屬的過程中，其耐熱性逐漸降低，而機械強度逐漸升高，并具有熱應力緩和功能即熱應力在材料兩端均很小，在材料中部達到峰值，成為可應用于高溫環境下的新一代功能材料。

　　4 航空航天材料發展方向

    1）高性能

    高性能是指輕質、高強度、高模量、高韌性、耐高溫、耐低溫，抗氧化、耐腐蝕等。材料的高性能對降低飛行器結構重量和提高結構效率、提高服役可靠性及延長使用壽命極為重要，是航空航天材料研究不斷追求的目標。

    2）特殊功能

    材料在光、電、聲、熱、磁上的特殊功能是支撐某些關鍵技術以提高飛行器機動性能和突防能力的重要保證。如以紅外材料為基礎的光電成像夜視技術能增強坦克、裝甲車、飛機、軍艦及步兵的夜戰能力，紅外成像制導技術可大大提高導彈的命中率和抗干擾能力，以新型固體激光材料為基礎的激光測距和火控系統等可使靈活作戰能力大大加強。

    3）復合化

    復合化已成為新材料的重要發展趁勢之一。業內專家指出，航空復合材料未來20～30 年將迎來新的發展時期，甚至引發航空產業鏈的革命性變革，包括設計理念的創新和設計團隊知識的更新，航空產品供應鏈的戰略性改變，新型復合材料技術不斷出現（如混雜復合技術、源于自然界中珍珠貝殼結構啟發的仿生復合技術），以及對航空維修業提出前所未有的挑戰。

    4）智能化

    智能化是航空航天材料重要發展趁勢之一。智能復合材料將復合材料技術與現代傳感技術、信息處理技術和功能驅動技術集成于一體，將感知單元（傳感器）、信息處理單元（微處理器）與執行單元（功能驅動器）聯成一個回路，通過埋置在復合材料內部不同部位的傳感器感知內外環境和受力狀態的變化，并將感知到的變化信號通過微處理器進行處理并作出判斷，向功能驅動器發出指令信號；而功能驅動器可根據指令信號的性質和大小進行相應的調節，使構件適應有關變化。整個過程完全自動化，從而實現自檢測、自診斷、自調節、自恢復、自保護等多種特殊功能。智能復合材料是傳感技術、計算機技術與材料科學交叉融合的產物，在許多領域展現了廣闊的應用前景，例如飛機的智能蒙皮與自適應機翼就是由智能復合材料構成的一種高端的智能結構。

    5）整體化

    整體化制造不僅可減少機械裝配件數量，節約材料和工時，還能減少因裝配失誤埋下的事故隱患。鋁合金一直是航空航天重要結構材料，用鋁合金厚板（厚度＞6 mm）制造飛機整體部件如機身框架、機翼壁板、翼梁、翼肋等是重要發展趨勢之一。

    6）低維化

    低維化是指維數小于 3 的材料的應用，具體來說包括二維（超薄膜）、一維（碳納米管）和準零維（納米顆粒）材料。其中碳納米管在航空航天中的應用得到了廣泛的研究，用它制備復合材料也取得了較大進展。

    7）低成本化

    航空航天材料從過去單純追求高性能發展到今天綜合考慮性能與價格的平衡，低成本化貫穿材料、結構設計、制造、檢測評價以及維護維修等全過程。對碳纖維復合材料而言，其制造成本在整個成本中占有相當大的比例；因此，對其低成本制造技術應投入足夠關注。各種低成本制造技術發展很快，尤其是以樹脂傳遞成型（RTM）為代表的液體成型技術和以大型復雜構件的共固化/共膠接為代表的整體化成型技術等均得到了很大的發展。