1、航空材料,航空裝備發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)打開文本圖片集戴圣龍1966年生，江西南昌人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師。 歷任航材院鋁鎂合金及其工藝研究室主任、副院長(zhǎng)、總工程師、中國(guó) 航空工業(yè)集團(tuán)公司航空材料技術(shù)首席技術(shù)專家。共獲得國(guó)防發(fā)明專利 10余項(xiàng)，著作譯著5冊(cè)，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文80余篇，并 榮獲省、部級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)20余項(xiàng)，為行業(yè)發(fā)展和技術(shù)突破做出重要成 就和突出貢獻(xiàn)。航空裝備發(fā)展的有力保證本刊記者（以下簡(jiǎn)稱記）：自飛機(jī)誕生以來，航空材料都經(jīng)歷了 哪些階段的變化？戴圣龍?jiān)洪L(zhǎng)（以下簡(jiǎn)稱戴）：根據(jù)設(shè)計(jì)飛機(jī)思想以及材料技術(shù)的 發(fā)展，航空材料的發(fā)展大致經(jīng)歷了 5個(gè)階段：第一階段是1903年一 1919

2、年，早期飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)為木材，蒙皮為亞麻或棉布制成的帆 布；第二階段是1920年一1949年，出現(xiàn)了以鋁合金及鋼為主的全金 屬單翼飛機(jī)，采用安全壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;第三階段是1950年一1969年， 除鋁、鋼外，還采用了鈦合金，使飛機(jī)先后突破聲障及熱障。這一階 段的飛機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則從安全壽命轉(zhuǎn)向破損安全；第四階段是1970年一 21世紀(jì)，民航飛機(jī)仍以鋁合金為主，鈦合金及復(fù)合材料獲得應(yīng)用；在 軍用飛機(jī)上鋁、鈦、復(fù)合材料獲得廣泛應(yīng)用，采用損傷容限設(shè)計(jì)準(zhǔn)則； 第五階段是從21世紀(jì)初起，飛機(jī)對(duì)低成本、高可靠性、可維修性要 求日益苛刻，先進(jìn)復(fù)合材料開始逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，鋁、鈦、鋼等金 屬材料用量雖然有所下降，但高

3、綜合性能匹配、低成本、復(fù)合化、多 功能化的先進(jìn)高性能鋁、鈦、鋼材料逐漸替代傳統(tǒng)金屬材料成為應(yīng)用 主體。記：在航空工業(yè)發(fā)展歷程中，材料扮演著怎樣的角色？發(fā)揮著哪 些重大的作用？戴：航空工業(yè)的發(fā)展歷程是與材料科學(xué)的進(jìn)步密切相關(guān)的。航空 材料既是研制生產(chǎn)先進(jìn)航空武器裝備的物質(zhì)保障，又是推動(dòng)航空武器 裝備更新?lián)Q代的技術(shù)先導(dǎo)。近年來伴隨著飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)性能及結(jié)構(gòu)效 率的不斷提高，先進(jìn)航空材料技術(shù)僅次于航空動(dòng)力系統(tǒng)之后，已成為 保證航空裝備發(fā)展的第二大厚骨鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重和長(zhǎng)壽 命、發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比和效率的基礎(chǔ)和先導(dǎo)技術(shù)。航空材料按其使用功能可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。從第 二代到第四代戰(zhàn)斗機(jī)

4、減重，50%70%的貢獻(xiàn)來自于先進(jìn)航空結(jié)構(gòu)材料 及相關(guān)制備技術(shù)；提高先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比，50%70%的貢獻(xiàn)來自 于先進(jìn)航空高溫結(jié)構(gòu)材料及相關(guān)制備技術(shù)。除航空結(jié)構(gòu)材料外，功能 材料在先進(jìn)航空武器裝備的發(fā)展中同樣具有重要的作用，如功能陶瓷 材料、信息顯示和存儲(chǔ)材料、隱身材料、智能材料、微電子和光電子 材料、傳感器敏感元件材料等。總之，航空武器裝備的發(fā)展要求使用 強(qiáng)度更高、更輕、更耐用、高功能及多功能、低成本、復(fù)合化的材料， 從而帶動(dòng)了航空材料的發(fā)展。而新材料的出現(xiàn)，又為飛機(jī)設(shè)計(jì)提供了 更廣闊的選材空間和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，促進(jìn)了新一代飛機(jī)問世?！耙淮牧?， 一代飛機(jī)”這句話就是對(duì)材料技術(shù)在飛機(jī)發(fā)展歷程中所

5、起的先導(dǎo)性和 基礎(chǔ)性作用的真實(shí)寫照。記：航空武器裝備發(fā)展對(duì)航空材料提出了哪些特殊要求？在不同 的時(shí)期這些要求有哪些差異？戴：航空材料作為發(fā)展航空武器裝備的基礎(chǔ)和先導(dǎo)技術(shù)，受航空 裝備的載人要求、使用條件和環(huán)境的制約，除最關(guān)鍵的輕質(zhì)高強(qiáng)和高 溫耐蝕性能外，還需在高綜合性能、低成本、高環(huán)境相容性、高功能 及多功能、復(fù)合化、智能化、材料的計(jì)算設(shè)計(jì)和模擬仿真等方面持續(xù) 改進(jìn)。一個(gè)世紀(jì)以來，隨著飛機(jī)性能的不斷提高和飛機(jī)設(shè)計(jì)思想的演 變，航空武器裝備對(duì)材料的特殊要求也逐漸發(fā)生變化。首先是飛機(jī)性能的提高對(duì)航空材料的要求。航空武器裝備極力追 求低結(jié)構(gòu)重量系數(shù)，這對(duì)于提高航空裝備的性能和降低成本具有重要 的作用

6、。隨著飛機(jī)速度的不斷提高以及氣動(dòng)外形、結(jié)構(gòu)形式不斷改進(jìn)， 除了設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)分析手段的不斷進(jìn)步外，發(fā)展低密度材料是飛機(jī) 設(shè)計(jì)提出的最直接要求，也是減輕飛機(jī)重量的主要措施。材料的其它 性能，如韌性、疲勞、耐腐蝕和環(huán)境熱效應(yīng)、易加工性和成本等也是 飛機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的重要因素。另外，飛機(jī)設(shè)計(jì)思想的演變也對(duì)航空材料提出了特殊要求。飛機(jī) 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想經(jīng)歷了靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)、動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、疲勞一安全壽命設(shè) 計(jì)、安全壽命/破損安全設(shè)計(jì)、損傷容限/耐久性設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)等 階段。在早期的飛機(jī)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，僅考慮到飛機(jī)的靜強(qiáng)度和剛度要求， 這種靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想對(duì)選材和材料性能的要求集中體現(xiàn)在單純追求 高強(qiáng)度和高模量上。

7、1954年，英國(guó)3架“彗星”飛機(jī)的墜毀，暴露了結(jié) 構(gòu)疲勞問題的危險(xiǎn)性，使人們認(rèn)識(shí)到了金屬材料的疲勞問題，飛機(jī)設(shè) 計(jì)因此開始提出了安全壽命要求，即在飛機(jī)使用壽命期內(nèi)，不容許金 屬材料出現(xiàn)疲勞裂紋。20世紀(jì)60年代，又由于在飛機(jī)上開始使用厚 大截面的結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了機(jī)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕問題，因此提出對(duì)機(jī)體材 料的需求除滿足靜強(qiáng)度、疲勞性能外，還需滿足抗腐蝕性能。20世紀(jì)60年代末在美國(guó)空軍按安全壽命設(shè)計(jì)的飛機(jī)中相繼出現(xiàn) 了一些重大斷裂事故，因此保證飛機(jī)在使用壽命期內(nèi)的安全就更為重 要了。于是，在1977年美國(guó)空軍頒布的規(guī)范MIL-A-008866A中增加 了損傷容限要求，即增加了破損-安全結(jié)構(gòu)要求和低裂

8、紋擴(kuò)展速率要 求。20世紀(jì)80年代末，飛機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則逐漸形成損傷容限設(shè)計(jì)和可靠 性設(shè)計(jì)，要求材料不再是僅僅追求高強(qiáng)度，而必須同時(shí)考慮到比強(qiáng)度、 疲勞性能、裂紋擴(kuò)展性能、斷裂韌度、耐腐蝕性、壽命期成本等諸多 方面，也就是要更重視材料的綜合性能，從而對(duì)材料提出了更高、更 嚴(yán)格的要求。20世紀(jì)90年代以來，盡管飛機(jī)設(shè)計(jì)者總希望設(shè)計(jì)出最輕、效率 最高的飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)，但無(wú)論是民機(jī)還是軍機(jī)的使用部門，降低成本 的呼聲越來越高，并且強(qiáng)調(diào)軍民結(jié)合和軍民轉(zhuǎn)化。材料的低成本要求 既包括原材料制備，也包括零件制備加工、檢測(cè)評(píng)價(jià)和維修等全過程， 因此要求結(jié)合先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、低成本制造和先進(jìn)材料技術(shù)來實(shí)現(xiàn)， 對(duì)技術(shù)集成提出了更高要求。新技術(shù)促進(jìn)航空裝備發(fā)展記：除了作為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)/承力部件發(fā)揮功能，現(xiàn)代材料有哪些 新的特點(diǎn)和趨勢(shì)？戴：結(jié)構(gòu)材料的功能是承受結(jié)構(gòu)載荷和保持結(jié)構(gòu)的形狀不變，概 括起來說，對(duì)結(jié)構(gòu)材料最主要的要求是：輕質(zhì)、高韌、抗疲勞、低裂 紋擴(kuò)展速率和抗腐蝕等。對(duì)復(fù)合材料還要求濕熱性能。隨著飛機(jī)技術(shù) 需求的不斷提高，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)面臨新的挑戰(zhàn)，一些先進(jìn)的結(jié)構(gòu)，如復(fù)合 材料結(jié)構(gòu)，自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，智能結(jié)構(gòu)，多功能結(jié)構(gòu)，柔性結(jié)構(gòu)等新形式 不斷涌現(xiàn)，成為當(dāng)前飛機(jī)結(jié)構(gòu)的新亮點(diǎn)。伴隨先進(jìn)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，傳統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)材料已從承力向多