2008年6月2日，在四川省北川县擂鼓镇，一架前苏联 米－26直升机完成唐家山堰塞湖抢险设备向外吊运工 作后离开。
1.2 航空航天材料简史：航空
总结：
通过以上对航空材料发展历程的回顾，我们看 到，无论是军机还是民机，钢和铝合金的用量 都在日渐减少，而高温钛合金和先进复合材料 是今后重点发展的航空材料。

1.3 材料的性能
1.3.4 材料的物理性能
1. 密度
比强度：σb/ ρ 2. 导电性 金属>合金>非金属 3. 磁性 软磁材料：容易磁化，也容易退磁，如硅钢片 硬磁材料：外磁场去掉后，仍能保持磁性，如稀土钴 比弹性模量：E/ ρ
铜、铝、铅、非金属为无磁性材料。
1.2 航空航天材料简史：航空
军用飞机结构材料用量对比（整机重量百分比）
飞机型号 设计年代 F14 F18 F22 1969 1978 1989 钛合金 （%） 24 13 41 复合材料 （%） 1 12 24 铝合金 （%） 39 49 11 钢（%） 17 17 5
B2Βιβλιοθήκη 19882650
19
6
要求： •轻质高强：“克克计较”，对航天飞机来说， 每减重1kg的经济效益逾万美元。 •高温耐蚀：发动机材料、再入过程、宇宙射 线、低地球轨道上原子氧等 重要作用： •先导和基础作用。“一代材料，一代飞行器” •航空航天材料反映出材料发展的前沿，特别 是代表了一个国家结构材料技术的最高水平。
航天飞行器
L/O/G/O
航空工程材料
一、绪论
教师介绍
•刘传生：liuchuansheng@， QQ：1727732739
课程安排
•13周，36学时
• 平时表现：占40%，课堂表现、出勤率、课 堂小考、作业等
•期末考试，闭卷
考核方法

内容提纲
1.1 材料的概念与分类 1.2 航空航天材料简史
SR-71“黑鸟”（Black Bird），美国空军高空高速 侦察机。机身采用低重量、 高强度的钛合金作为结构材 料
•最大飞行高度：30000米 •最大速度：3.5马赫

1.2 航空航天材料简史：航空
先进复合材料时代（现阶段）：聚合物基、陶瓷基、金属基、金属间化物
有机聚合物
•纤维 •橡胶 •塑料
无机材料
•水泥 •玻璃 •陶瓷
树脂基
•颗粒增强 •纤维增强 •晶须增强 •编织结构增强
金属 基复 合材 料
陶瓷 基复 合材 料

1.1 材料的概念与分类
工程材料
按使用功能分类
结构材料 •用于制造实现运动和传 递动力的零件 •性能指标：力学性能（ 强度、硬度、刚度、塑 性、韧性、疲劳强度、 耐磨强度等） •包括金属、高分子、复 合材料等
陶瓷<金属<高分子材料
1.3 材料的性能
1.3.5 材料的耐蚀性能
1. 化学腐蚀 • 金属的氧化、硫化、和氯化 • 高分子的氧化和有机溶剂溶蚀 • 无机非金属材料常温下不易被化学腐蚀
水泥、钢、塑料；合成纤维（如尼龙）取代自然纤维（如棉、麻，蚕丝） 信息时代：20世纪50年代，基于硅的集成电路取代分立式晶体管 新材料时代：纳米材料、复合材料……

1.1 材料的概念与分类
航空飞行器
大气层内航行 如：飞机、飞艇、 热气球等
航空航天材料： 泛指用于制造航空、航天飞行器的材料。

1.2 航空航天材料简史：航天
美研制X-37高速飞行
(2005年6月21日搭乘“白骑士”首次飞行 )
无人驾驶，全机身复合材料，二级入轨，水平降落。若成功可在两小时内对地球任何地点进行打击

1.2 航空航天材料简史：航天
美研制X-33
无人驾驶、一级入轨。
2001 年 3 月，由于存在诸多难以突破的技 术难关，NASA 取消了已经耗资了 13 亿美元的 X-33 项目
X-33飞行器TPS

1.3 材料的性能
飞行器选材与设计时，必须考虑材料的使用性能和工艺性能。
1.3.1 静载荷作用下材料的力学性能 1. 强度 （1）弹性极限和弹性模量
1.3 材料的性能
1.3.3 材料高温和低温下的力学性能 1. 高温性能 蠕变：当材料在高温下长时间工作，应力小于屈服强度时， 会发生缓慢塑性变形 现象，称为蠕变。 蠕变程度的指标：蠕变强度、持久强度 2. 低温性能 在低温环境下，大多数材料会出现脆性，使其在不大的应力 下发生断裂，称作脆断。 脆化温度TK越低，材料越不易脆断，其低温韧性越好。
1.2 航空航天材料简史：航天
天地往返运输系统的运载工具：载人飞船、航天飞机 第一代航天飞机：垂直起飞，水平降落，部分多次重复使用，飞行次数100次。 采用防热-结构分开设计的思想：冷结构+热防护系统
第二代航天飞机：水平起飞，二级入轨，部分重复使用。 部分热结构设计为主与冷结构+热防护系统相结合 创新处：1. 二级入轨：用超高音速飞机把二级飞行器用火箭发动机送入空间 轨道，飞机返回地面。 2. 热结构设计：把承力结构设计和热防护的隔热防热设计结合在一 起。

1.2 航空航天材料简史：航空
其他军机：B-2隐形轰炸机：50% Tiger虎式武装直升机：45%

1.2 航空航天材料简史：航空
我国的歼-10：三代半战机，机翼为全金属，复合材料用 量很少
歼-10战斗机是我国第一架完全独立拥有自主知识产权的战斗机， 2005年正式装备部队并在很短的时间内成建制、系统地形成了战斗 力。
基复合材料 • 复合材料代替铝，可实现20-40%的减重。 • 复合材料的用量及其性能水平已成为飞行器先进性的重要标志之一。 - 1959年，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维在日本问世
- 60年代中期生产出碳纤维复合材料
- 70年代初碳纤维增强复合材料被首先应用于军机

功能材料
• 利用物理特性及其对外部 环境的响应实现信息处理 和能量转换
•性能指标：声、光、电、 磁、热等物理性能 •隐身、减振、隔热、信息、 电子材料

1.2 航空航天材料简史：航空
孔明灯和热气球：纸、漆布（亚麻）
1903年12月17日，莱特兄弟制造出世界上第一架动力飞机 “飞行者1号”。这是一架 用轻质木料为骨架、帆布为蒙皮的双翼机。其中木材占47％,钢占35％，布占18％,飞机 的飞行速度只有16公里/时。

1.2 航空航天材料简史：航空
铝合金时代：铝合金、镁合金 1906年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，使制造全金属结构的飞机成为可 能。 40年代出现的全金属结构飞机的承载能力已大大增加，飞行速度超过了600公里/时。 高温合金时代：钛基高温合金、镍基高温合金 在合金强化理论的基础上发展起来的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不 断提高。 50年代钛合金的研制成功和应用对克服机翼蒙皮的“热障”问题起了重大作用，飞机 的性能大幅度提高,最大飞行速度达到了3倍音速。
波音与空客对决的关键：复合材料！

1.2 航空航天材料简史：航空
通用飞机：除从事定期客运、 货运等公共航空运输飞机之 外的其他民用航空活动的所 有飞机的总称。
超轻型喷气飞 机Learjet 85： 全碳纤维复合 材料结构
赛斯纳 172


1.2 航空航天材料简史：航空
三代战机：F-14：平尾等受力小的部分，复合材料用量1% F-18：机翼等部位，复合材料用量12%
F14战斗机

F18战斗机
1.2 航空航天材料简史：航空
四代战机：机翼、机身、垂尾、平尾、进气道、起落 架等大面积使用复合材料， F-22：24%，钛合金41% F-35：35%
1.2 航空航天材料简史：航空
大型客机：
铝合金 （%） B-747 B-757 B-767 B-777 81 78 80 70 钢 钛合金 复合材料 （%） （%） （%） 13 12 14 11 4 6 2 7 1 3 3 10
A-380: 25%，中心翼盒用复合材料5.3吨， 实现减重1.5吨。 B-787: 50%，有史以来第一款在主体结构 （机翼和机身）上采用先进复合材料的大型客 机。 A-350：~40%
1.3 材料的性能

材料的重要作用
回顾历史，任何一个时代的变革，都是以新材料的产生为基础 的，新材料总是：
革命性的
改变人们的生活和文化的进程 产生一种全新的工业
举例： • 旧石器时代 • 新石器时代 • 青铜时代 • 铁器时代 • • • 距今约250万年 距今1万年 公元前3000年 公元前1000年
（2）屈服强度
（3）抗拉强度 2. 塑性 （1）延伸率 （2）断面收缩率 3.硬度 （1）布氏硬度：适用于较软材料 （2）洛氏硬度：适用于较硬材料

1.3 材料的性能
1.3.2 动载荷作用下材料的力学性能
1. 冲击韧性：材料在冲击力作用下所具有的抵抗变形和断裂的能力 2. 断裂韧性：材料的应力强度因子KI在动载荷加载过程中增大至某一数值时， 突然快速脆断，这一临界值称为断裂韧性，用KIC表示。 测试标准：美国ASTM D5045-99 试验方法1：三点弯试验 试验方法2：拉伸试验

1.3 材料的性能
3. 疲劳强度：在交变载荷下，经过一段时间后，材料发生 断裂，此时材料所受的应力称为疲劳强度。
测试方法：通过测定钢在106~107周期和非铁金属在 107~108周期加载而不断裂的最大应力而得到，单位MPa。

热防护是关键问题！

1.2 航空航天材料简史：航天
热防护材料发展：20世纪50年代以后，材料烧 蚀防热理论的出现以及烧蚀材料的研制成功，解 决了弹道导弹弹头及航天器的再入防热问题。 1969年7月20日人类首次登月，此后航天事业大 发展！