祝贺！神州十五号发射成功 航空航天发动机用的前沿材料有哪些？

【蜂耘网  新材料】北京时间11月29日晚上11点08分，神州十五号载人飞船成功发射。此次飞行乘组的成员包括费俊龙、邓清明和张陆3名航天员。

 

 

按计划，神舟十五号载人飞船入轨后，将采用自主快速交会对接模式，对接于天和核心舱前向端口，形成三舱三船组合体，这是中国空间站目前的最大构型，总质量近百吨。

 

 

据报道，航天员乘组将在轨工作生活6个月，任务主要目的为：验证空间站支持乘组轮换能力，实现航天员乘组首次在轨轮换；开展空间站舱内外设备及空间应用任务相关设施设备安装与调试，进行空间科学实验与技术试验；进行空间站日常维护维修；验证空间站三舱组合体常态化运行模式。

 

 

期间，神舟十五号航天员乘组将重点开展6个方面工作：一是开展空间站三舱状态长期驻留验证工作；二是完成15个科学实验机柜解锁、安装与测试，开展涵盖空间科学研究与应用、航天医学、航天技术等领域的40余项空间科学实验和技术试验；三是实施3-4次出舱活动，完成梦天舱扩展泵组和载荷暴露平台设备安装等工作；四是验证货物气闸舱出舱工作模式，与地面协同完成6次货物出舱任务；五是开展常态化的平台测试、维护及站务管理工作；六是开展在轨健康防护锻炼、在轨训练与演练等工作。

 

回首中国航天事业从无到有、从小到大，已经走过整整六十六个年头。

 

六十六年来的重大事件，若只是简单将其缩影，它可以只是一段文字亦或者一张图片，但航天人勇攀天地之梯的接力，如同圣火传递，在一代一代的传承着，材料人亦是其中重要的一环。

 

纵观航空航天技术发展史，屡见新材料应用或技术突破带来的重大进步。借神州十五号飞天之际，新材料在线®为大家总结了航空航天发动机用材料、近10余年与新材料紧密相关的航空航天技术突破、我国材料人为航空航天国之重器书写过的精彩篇章。

 

01-揭秘航空航天发动机用材料

 

在航空航天领域，发动机是重点，也是工业基础和技术水平的体现。

 

 

合金

 

1、铝合金

 

铝合金具有比模量与比强度高、耐腐蚀性能好、加工性能好、成本低廉等突出优点，因此被认为是航空航天工业中用量最起着至关重要的作用。

 

主要应用位置：发动机舱、舱体结构、承载壁板、梁、仪器安装框架、燃料储箱等。

 

2、钛合金

 

与铝、镁、钢等金属材料相比，钛合金具有比强度很高、抗腐蚀性能良好、抗疲劳性能良好、热导率和线膨胀系数小等优点，可以在350~450℃以下长期使用，低温可使用到-196℃。

 

主要应用位置：航空发动机的压气机叶片、机匣、发动机舱和隔热板等。

 

3、超高强度钢

 

超高强度钢具有很高的抗拉强度和足够的韧性，并且有良好的焊接性和成形性。

 

主要应用位置：航天发动机壳体、发动机喷管、轴承和传动齿轮。

 

 

4、镁合金

 

镁合金是最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度高、抗震能力强、可承受较大冲击载荷等特点。

 

主要应用位置：航天发动机机匣、齿轮箱等。

 

复合材料

 

航空发动机的发展之快，尤其是越来越严苛的温度和重量要求，渐进提高的传统材料已然不能满足，转而呼唤材料科学开辟新的体系，那就是复合材料。根据复合材料各自的特点，可用于发动机不同的零部件上。

 

1、碳碳复合材料

 

C/C基复合材料，即碳纤维增强碳基本复合材料，它把碳的难熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体，使其呈现出非脆性破坏。由于它具有重量轻、高强度，优越的热稳定性和极好的热传导性，是当今最理想的耐高温材料，特别是在 1000-1300℃的高温环境下，它的强度不仅没有下降，反而有所提高。是近年来最受重视的一种更耐高温的新材料。最显著的优点是耐高温（大约2200℃）和低密度，可使发动机大幅度减重，以提高推重比。

 

主要应用位置：碳碳复合材料如果能够解决表面以及界面在中温时的氧化问题，并能在制备时提高致密化速度，并降低成本，则有望在航空发动机中得到大量的实际应用。

 

目前已有部分应用，例如美国的F119发动机上的加力燃烧室的尾喷管，F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管，F120验证机燃烧室的部分零件已采用C/C基复合材料制造。法国的M88-2发动机，幻影2000型发动机的加力燃烧室喷油杆、隔热屏、喷管等也都采用了C/C基复合材料。

 

2、陶瓷基复合材料

 

陶瓷基复合材料（CMC）由于其本身耐温高、密度低的优势，在航空发动机上的应用呈现出从低温向高温、从冷端向热端部件、从静子向转子的发展趋势。

 

CMC材料具有耐温高、密度低、类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、不发生灾难性损毁等优异性能，有望取代高温合金满足热端部件在更高温度环境下的使用，不仅有利于大幅减重，而且还可以节约甚至无须冷气，从而提高总压比，实现在高温合金耐温基础上进一步提升工作温度400～500℃，结构减重50%～70%，成为航空发动机升级换代的关键热结构用材。

 

主要应用位置：短期目标为尾喷管、火焰稳定器、涡轮罩环等；中期目标是应用在低压涡轮叶片、燃烧室、内锥体等；远期目标锁定在高压涡轮叶片、高压压气机和导向叶片等应用。

 

3、树脂基复合材料

 

先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强体、高性能树脂为基体的复合材料。与传统的钢、铝合金结构材料相比,它的密度约为钢的1/5,铝合金的1/2,且比强度与比模量远高于后二者。

 

主要应用位置：航空发动机冷端部件(风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱、反推力装置等部件上得到广泛应用。

 

4、金属基复合材料

 

金属基复合材料主要是指以Al、Mg等轻金属为基体的复合材料。在航空和宇航方面主要用它来代替轻但有毒的铍。这类材料具有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性,已成为在许多应用领域最具商业吸引力的材料,并且在国外已实现商品化。

 

主要应用位置：适合用作发动机的中温段部件。

 

 

02-“料要成材，材要成器，器要好用”

 

在过去的10余年间，航空航天技术取得了长足的进步，新技术总是不断涌现，其中屡屡出现新材料的身影。

 

焦点一：增材制造技术突飞猛进

 

尽管增材制造不是十年来的新事物，但在过去的十年中，增材制造应用领域迅速上升。增材制造通过形成成百上千个层来“印刷”三维零件，从而完成了航空航天零部件的制造。

 

在2000年代，增材制造是一种新颖的技术。但是，随着技术的进步，增材制造现已用于使用包括金属和聚合物在内的多种材料来制造航空航天零部件。增材制造使工程师和航空航天制造商可以创建极其复杂的零件，而这些零件可能无法通过传统的减法方法来制造。使用增材制造工艺制造的这些复杂零件可以减轻重量，提高性能并提高发动机的燃油效率。

 

 

焦点二：碳纤维、石墨烯等新材料大量应用

 

在过去的十年中，航空航天业采用了几种新材料，这些新材料正在改变航空航天船的设计方式。在过去的几年中，航空研究人员和制造商越来越多地朝着复合材料的方向发展。

 

波音公司发布了787 Dreamliner飞机，彻底改变了商用飞机。该飞机的机体由大约50％的碳纤维和其他复合材料组成。像787 Dreamliner所使用的复合材料，以及在其他飞机制造商和模型中使用的复合材料在某些情况下，与由不锈钢、铝和钛制成的传统部件相比，具有更大的优势。这些优点包括减轻重量、改善的耐腐蚀性和在某些情况下改善的机械性能。

 

航空航天材料领域的另一个令人振奋的新发展是使用石墨烯等纳米材料。石墨烯是一种极薄的材料，可用作其他材料的涂层，具有出色的耐腐蚀性和导电性。石墨烯在航空航天工业中的潜在应用包括可大大改善电气设备使用寿命的电气部件涂料和可用于通过电传输快速为飞机和其他航空航天器除冰的翼型涂料。

 

 

03-“了不起的航天人，了不起的材料人”

 

72年来，中国航天事业一次次突破技术难关，每一次关键技术的突破都承载着国人的梦想，凝聚着中国智慧，也彰显出中国制造和新材料不断增强的实力。

 

中国第一颗人造地球卫星发射

 

1970年4月，中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”在酒泉卫星发射中心成功发射，由此开创了中国航天史的新纪元，北京科技大学为其壳体用低合金超高强度钢的成功研制发挥了重要作用。

 

（图片来源：工信微报公众号）

 

我国第一艘载人飞船发射

 

2003年10月，我国第一艘载人飞船神州五号成功发射。天马新材的电子陶瓷基板用氧化铝，成功应用在发射器的芯片上，与第一位航天员杨利伟一起飞入太空。

 

（图片来源：央视新闻）

 

北斗三号系统正式开通

 

2020年7月，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，我国成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。佳利电子基于微波陶瓷技术，开发了北斗卫星接收天线。

 

（图片来源：央视新闻）

 

祝融号成功降落火星

 

2021年5月，中国首辆火星车“祝融号”从“天问一号”飞船中分离并下降，成功降落到火星地面。西安交通大学研制出的新型镁锂合金用于其中。作为目前世界上最轻的金属结构材料，它帮助实现了探测器的轻量化，为“祝融号”长期工作及着陆保驾护航。

 

（图片来源：中国航天科技集团公众号）

 

航空航天事业正在不断发展，中国新材料砥砺奋进，支撑着中国制造崛起，写下一段段令人热血澎湃的故事。历史证明，成功不是一夜之间的，材料人对航空航天材料不断探索的决心绝不停止！

 

（蜂耘新材料网  责任编辑：似也）