万博士的航空讲堂

万博士的航空讲堂五、飞行器的常用材料材料在飞行器研制中必不可少相比于其他工程，航空 航天工程对材料的要求更高，既要保证材料有足够的强度和 刚度，材料的相对重量也必须满足近乎苛刻的要求为了减 轻结构重量，除了采用合理的结构形式外，非常有效的方法 是选用强度、刚度大而重量轻的材料所谓强度是指结构抵 抗破坏的能力，强度越大则抵抗破坏的能力越强；所谓刚度 则是指结构抵抗变形的能力，刚度越大则相同载荷情况下的 变形越小通常用相对参数来表示材料的强度和刚度，即比 强度和比刚度，如下式比强度=抗拉强度（）/密度（）比刚度二弹性模量（E） /密度（）在选用结构材料时，首先尽量采用比强度和比刚度大的 材料其次，根据不同的飞行和环境条件，所选材料要具有 一定的耐高温和耐低温性能、良好的抗老化和耐腐蚀能力， 以及有足够的断裂韧性和良好的抗疲劳性能另外，材料还 应具有良好的加工性能，且资源丰富、价格低廉下面，简 单介绍一下飞行器常用材料的种类、选材要求和发展趋势1. 常用材料1） 铝、镁合金类金属中铝合金在航空航天中应用最为广泛（图 1），这与 铝合金有较高的比强度和比刚度（密度约为钢的 1/3，强度 约为普通钢的 1/2）、具有良好的耐腐蚀性和低温性能、且价 格低廉有关。

而镁合金的密度更小，其比强度和比刚度与铝 合金和合金钢相当镁合金的机械加工性能优良，只是耐腐 蚀性较差，适合用于制造承力较小、壁厚较大的零件在飞 机上，铝合金主要用于制作各种板材，如机翼的上下蒙板、 机身蒙皮等2） 合金钢类合金钢包括高强度的结构钢和耐高温耐腐蚀的不锈钢 高强度合金钢具有比强度高、工艺简单、性能稳定、价格低 廉等特点，适合制造承受大载荷的接头、起落架和机翼大梁 等构件不锈钢具有良好的耐腐蚀性和耐低温性，可以制造存放 液氢、液氧的容器耐高温的不锈钢还是制造发动机的主要 材料美国SR-71高空侦察机由于飞行速度达到3.0倍声速 以上，气动加热比较严重，使用铝合金已经不能满足耐高温 的要求，因此采用了较多的不锈钢（图 2）因为不锈钢中合 金含量较高，所以价格比结构钢高得多3） 钛合金类钛合金的密度虽不到钢的 2/3，但强度却近于合金钢， 具有较高的比强度钛合金还有较好的耐热性，工作温度可 达400-550©，在该温度范围内的比强度明显优于耐热不锈 钢，因此在一些需要耐高温的结构上被广泛使用另外它在 潮湿的大气和海水中的耐腐蚀性也优于不锈钢但钛合金也 存在缺点，加工成型较困难，价格比较昂贵。

钛合金常被选为机翼主要结构受力部位的材料，如欧洲 的“狂风”、俄罗斯的苏-27战斗机的主翼盒就都采用了大量 的钛合金材料，并获得了良好的减重效果（图 3）4） 复合材料复合材料是指由两种或多种材料复合而成的多相材料 复合材料中起增强作用的材料称为增强体，起粘接作用的材 料称为基体一般增强体为高强度的纤维材料，主要有玻璃 纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳纤维等基体材料则是具有一 定韧性的树脂，主要有环氧树脂、聚酰亚胺树脂等以及铝合 金和钛合金等复合材料的密度低，比强度、比刚度很高，抗疲劳性能、 减震性能和工艺成型性能都很好，在飞行器和模型飞机上得 到广泛应用（图 4-图6）玻璃纤维增强塑料（俗称“玻璃钢”）是在民用方面使 用较为普遍的复合材料其比强度约为铝合金的 3 倍，但相 对刚度较低，约为铝合金的 50% ，因此在航空航天领域的应 用受到了限制不过由于加工成型相对容易且成本抵，玻璃 钢在一些轻型飞机和航空模型上被广泛使用（图7）凯芙拉复合材料，是以凯芙拉（一种芳纶纤维）作为增 强体，树脂作为基体的复合材料其比强度约为强度较高的 玻璃钢的1.8倍，刚度约为玻璃钢的两倍，用它制造的固体 火箭发动机壳体能比玻璃钢轻35%以上。

石墨-环氧复合材料 是以石墨纤维作增强体、以环氧树脂作基体的复合材料它 的比强度超过凯芙拉，刚度约为凯芙拉的两倍，用其制造固 体火箭发动机壳体比用凯芙拉复合材料轻20%-30% （图8）不同基体材料的复合材料耐热性能也不同，采用钛合金基体材料的使用温度可达500-600©，但采用树脂为基体的 复合材料的使用温度不能太高陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体的复合材料常用的增 强材料有碳化硅、氮化硅、氧化铝纤维等基体与增强材料 均有低密度、高强度、高刚度、耐腐蚀、耐高温等特性陶 瓷基复合材料在800-1 650©都有良好的力学性能碳-碳复合材料是以碳纤维增强碳为基体的复合材料将 碳纤维预制件反复浸渍合成树脂后，经高温碳化制成，或用 碳氧化合物化学沉积制成在1 000-2 00©0的高温下碳-碳复合材料仍有相当高的强 度和韧性，其耐热性远高于其他任何高温合金此外，它的 热膨胀系数低（只有金属的1/10-1/5）、导热性能良好、摩擦 特性优异可用于制造再入大气层的头锥及飞机刹车盘等（图9）其寿命是钢烧结材料刹车盘的6-7倍 由 于复合材料具有着非常优越的性能，因此航空、航天飞行器 的结构将越来越多地采用复合材料。

21世纪会是复合材料大 显身手的时代2. 现代飞机的选材 现代飞机在选材时主要考虑以下几个方面的因素1） 高结构效率提高结构效率，可达到减轻飞机重量、提高飞机经济性 的目的（图10）采用复合材料就是一种提高结构效率的有 效途径例如，波音757的油耗占飞机使用成本的50% 该 飞机仅采用了3%的复合材料，就达到了降低油耗1.5%的目 的2） 长寿命、高可靠性飞机对于使用寿命和可靠性具有非常严格的要求，且这 种要求随着时代的发展越来越高例如，米格-15寿命为1 700 飞行小时，20年日历寿命；米格-29寿命为3 000小时，30 年日历寿命民用飞机的使用寿命更长，例如空客330寿命 为60 000飞行小时、 40 000起落因此，选材时必须考虑 长寿命、高可靠性的要求3）低成本、易加工在考虑以上因素情况下，应该尽可能选用低成本和易加 工的材料3. 材料使用随年代的变化随着材料制造水平的不断提高，飞机结构呈现出金属材 料越用越少、复合材料比例越来越高的发展趋势（图 11） 以不同年代波音 757的选材为例（图12），随着时间的推移， 钛合金和复合材料两种新型材料所占比例大幅提高而一些 新研制的现代飞机，复合材料的使用比例更高，如波音 787 飞机的机翼、机身、尾翼的大部分结构都采用了复合材料。

4. 航模常用材料制作航模所用的材料品种很多，有木材、竹材、塑料、 复合材料、纸、纺织品等非金属材料，还有少量的铝、钢、 铜、钛合金等金属材料1） 木材航模目前虽然应用了许多新型材料，如碳纤维、玻璃钢 等，但木材仍然占有相当重要的地位航模制作中常用的木材主要有：轻木、桐木、松木、榉 木、椴木、云杉等在制造航模时，要根据模型部件的受力 条件和工作环境对木材进行选择和搭配，不同的部件应选用 不同的材料（图 13-图 15）2） 金属金属材料虽然在航模中应用量不大，但随着模型尺寸的 不断加大，其使用量也有所增加目前，在航模上使用的金 属材料主要有铝、钢、铜、钛合金等（图 16-图 18）3） 复合材料和塑料航模常用的复合材料有玻璃钢、碳纤维，常用的塑料有 硬质泡沫塑料、注塑件、板压热压件等（图 19、图20）另 外，热缩型的塑料蒙皮已经逐步代替传统的棉纸和尼龙绢蒙 皮（图 21）4） 其它非金属材料航模上常用的其它非金属材料主要有纺织品、橡胶、棉 纸、无纺布等（图 22）未完待续）有关航模常用材料的详细介绍，请参考《航空模型》2014 年第10期《万博士的航空讲堂--提高篇（10）》。