纳米材料在航空航天领域中的应用
纳米材料在航空航天领域中的应用
1 材料的主要类型 2 纳米结构材料在航空航天中的应用 3 纳米功能材料在航空航天中的应用
1 材料的主要类型 材料的各种不同的分类方法

按材料的性质和用途，大致分为：
– 结构材料 – 功能材料。
根据构成材料的化学结合键的类型分：

金属材料
聚丙烯结构式
高分子科学是一门年轻的学科，但人类使用高分子材料 则可追溯到远古时期：
麻的使用
自然界的天然聚合物
天 然 聚 合 物 麻 黄
—
马 王 堆 汉 墓 出 土 的 丝 绸
天 然 橡 胶
塑 料 的 应 用
杂 链 聚 合 物 结 构 模 型 图
材料的通常分类： 1、金属材料
2、无机非金属材料 3、高分子材料 4、复合材料
高温粉冶铝合金在减轻飞行器重量、降低成本和可保养性等方 面具有明显的优势。
蒙皮 加强隔框
铝 合 金 飞 机
翼肋
起落架
机翼前梁 机翼后梁
典型铝合金： Al-0.071Fe0.06Ce, Al-0.08Fe0.01V-0.01Si
钛及其合金
“未来的金属”
具有重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀等许多 优特性，是具有发展前途的新型结构材料。
纳米结构材料正广泛用于航空航天飞行器中：
机身及其辅助装置； 机翼； 发动机及其部件； 螺旋浆； 火箭喷嘴； 点火器等。
2.1 纳米金属
金属材料
(1) 纳米金属及其复合结构材料 (2) “发汗”金属 (3) 纳米焊接
自身潜力远未穷近。
(1) 纳米金属及其复合结构材料
以构成材料的元素种类分：
金属材料的分类
{
黑色金属：铁和以铁为基的合金
（碳钢、铸铁、铁合金）
有色金属：黑色金属(Fe、Cr、
Mn)以外的所有金属及其合金。 以材料组分的复杂程度分： 重金属 轻金属 纯金属 贵金属 （铜，铅，铝，钛） 稀有金属
{
合金两种或两种以上金属元素构成
不同材料的拉伸应力--应变曲线
现代各种军用和民用飞机及航天器结构 用材的新格局：
四类材料的饼图
材料的复合结构：
几种典型的分散复合结构
纳米材料在航空航天有着极其 广泛的应用前景:
① 纳米结构材料 ; ② 纳米功能材料; ③ 纳米粉体 ; ④ 纳米涂层
航空材料有哪些？
航空材料包括：
大量采用高比强度和高 比模量的轻质材料， 提 高飞机的结构效率，降 低结构重量系数。 飞机的心脏，针对高 温材料的发展需求， 开发高推重比材料。


无机非金属材料
高分子材料
“三足鼎立”， 构成现代工业的 三大材料体系。
复合材料
金属材料的历史与未来：
铜的发现：公元前3500年；以后发展了冶 炼青铜（Cu-Sn合金）的技术；
炼铁技术：公元前1000年；以后发展了渗 碳法炼钢。
最近，传统金属材料的用量明显下降，大量新型金属 材料的发现拓宽了金属材料的使用范围----

铝合金 质量轻，强度高，传统
的飞机或飞行器蒙皮材料； （新 ）铝-锂，铝-钪。


钛合金 比强度高(是铝合金的5
倍）,发动机和飞机构架上。 “未来的金属”


铝合金为主， 钢用量明显减少， 钛合金用量明显增加。


超合金 镍基、铁基和钴基合金
的总称
复合材料 金属基复合材料、树
脂基复合材料、C-C复合材料、 梯度功能材料
航空工业：飞机机身和蒙皮、发动机、尾锥、
喷管、弹射舱、防火壁、夹层结构机身机架、 连结件和其它零件。
宇宙航行工业：飞船的液体燃料贮箱、高压
卫星、空间站、载人 飞船等的材料
控制系统、卫星遥感、遥 控和跟踪所需材料
要求：
绝对的可靠性； 减轻重量, “为减轻每一克重量而奋斗”。
航空航天技术的发展对材料科学 提出的新要求：
高强度 低的密度
耐高温(部分材料)
耐腐蚀(部分材料)
耐摩擦(部分材料)
耐高压等性能(部分材料)
航空航天飞行器在飞行时不同部位的温度
一 些 典 型 的 现 代 陶 瓷
功能陶瓷材料在汽车上的应用
氮化硅陶瓷
氧化铝陶瓷器件
氧化铝陶瓷器件
高技术产品及其应用
高分子/聚合物材料：
由成千上万个重复性的单元小分子通过
共价键连接而成的大分子，分子量 104~106。
分子量没有一个特定值而只有一个分布
范围。
源于自然，高于自然
金属材料的基本特性有哪些？
结合键为金属键，常规方法生产的金属
为晶体结构；
在常温下一般为固体，熔点较高； 具有金属光泽；
纯金属范性大，展性、延性大；
强度较高；
导热和导电性好；
在空气中易被氧化。
汽车工业
陶瓷材料
特殊环境舍我其谁?
最古老的材料技术：公元前一万年，古人就学会了 以粘土为原料成型后经火烧制成陶器的技术； 瓷器、容器、器皿。 现代具有特殊性能的陶瓷称为先进陶瓷或精细陶瓷、 特种陶瓷。 典型性能：高温力学性能；高温稳定性能；电学性 能；光学性能；功能转换性能。
{
飞机机体材料 发动机材料
机载设备材料和武器
各种微电子、光电子、 传感器等的的光、电、 声、磁、热的多功能 材料。
航天材料有哪些？
火箭发射
弹头材料
弹头材料设计：减轻重量，耐热问题（热障，8000-10000K，10MPa）
航天材料包括：
运载火箭箭体材料、导 弹弹头材料、发动机材 料
{
运载火箭及导弹材料 航天飞行器材料 航天功能材料
2 纳米结构材料在航空航天 领域的应用
6.2.1 纳米金属
6.2.2 纳米陶瓷
6.2.3 纳米聚合物
6.2.4 纳米复合材料
制造飞机及航天器的主要结构金、锂合金、
合金钢等）
非金属材料（特种陶瓷等）
高分子材料（工程塑料、纤维复合材料等） 复合材料（各类复合材料等）
分类：
{
高温结构陶瓷 功能陶瓷
{
氧化物陶瓷 碳化物陶瓷 氮化物陶瓷 硼化物陶瓷
石器
陶器
结 晶 釉
艺 术 陶 瓷
--
陶瓷材料的特点有哪些？

化学键为离子键、共价键以及它们的混合键； 硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；
熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能；
自由电子数目少，导热和导电性较小； 耐化学腐蚀性好； 耐磨损； 成型方式为粉末制坯、烧结成型。