- 引言 -

 

又到一年中秋季。夜空之中，那皎洁的明月和那仿佛闪烁的星星，总能给人带来无限的遐思。

正如20世纪最伟大的古典恐怖故事作家洛夫克拉夫特（Howard Phillips Lovecraft）在他的启示录题材的科幻作品《克苏鲁神话》所描述的那样：假设你的脚边有一只蚂蚁在爬，你不会在意有没有踩死它，因为它太渺小了，是死还是活，对你来说没有分毫影响。

在“克苏鲁神话”中描述的远古邪神的眼中，人类就是那只蚂蚁。洛夫克拉夫特所倡导的“宇宙主义”，即人类远非世界的主宰者，在尚未探索的未知宇宙中，隐藏着超乎想象、不可名状的恐怖真相，只是见上一眼就能让人陷入疯狂或者死亡。

正如作者本人所述：“人类最古老、最强烈的情感是恐惧；而最古老、最强烈的恐惧，是对未知的恐惧”。

事实可能就是如此。人类作为一个个体，对于我们赖以生存的这颗蔚蓝色的星球来说，是如此的渺小，乃至不值一提的地步……而我们人类这一整个物种——尽管我们的个体数量已经几乎快要用“百亿”这个庞大的单位来度量了——但对于整个宇宙而言，也如同大海之中的一粒沙子，渺小到毫无意义。

实际上，如果我们将视角拔高到整个宇宙的高度，我们的地球确实面临这样的处境：它不过是一颗孤独悬浮于远比深海庞大的宇宙之中的渺小星球……就好像独身一人漂泊于一叶孤舟之上，他的面前是无际无边的大海，而他的脚下也是黑暗幽深的无底深渊。

然而，也许正是这种深深的宇宙恐惧，激发了人类挣脱束缚的热情和欲望，走出地球，走向浩瀚星空。

 

1934年的洛夫克拉夫特，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:H._P._Lovecraft,_June_1934.jpg#/media/File:H._P._Lovecraft,_June_1934.jpg

 

- 01 -

 

人类天生没有翅膀，但人类从未停止追求飞行、探索浩瀚星空的脚步。而走向天空的梦想，是一代一代人，一步一个脚印走出来的，干出来的。

在中世纪的欧洲，就有人开始尝试用鸟类的羽毛做成翅膀，尝试飞行，但都未能成功。

文艺复兴时期的达·芬奇，第一次提出了直升机的原始模型，但限于当时整体落后的技术，相关的工作未能为推动航空事业发挥真正的作用。

1783年，法国人蒙哥尔费兄弟成功制成了可以载人的热气球，同年，罗奇埃乘坐这个热气球在凡尔赛宫上空飞行了25分钟，人类真正开始了“空中时代”。

1903年，莱特兄弟等人在滑翔机的基础上制成了“飞行者”号飞机，并完成了人类历史上第一次持续的动力飞行。

1914年，世界首个固定翼民航航班从美国佛罗里达州圣彼得斯堡起飞前往坦帕。

1933年，波音247正式首飞，这架飞机融入了众多现代化商业航空飞机特色，例如像可收起的起落架等。

1939年，俄裔美国人西科斯基制成了第一个现代意义上的直升机VS-300，十秒钟的悬停，让可控的全方位飞行成为现实。

1947年，美国人耶格尔驾驶 “贝尔X-1”型飞机，第一次超过了音速，人类的飞行开始突破“音障”。

1949年，世界首架喷气客机德哈维兰彗星首飞，并在1952年进入市场服役。

1961年 4月12日，莫斯科时间上午9时07分，苏联成功将人类第一名航天员尤里·阿列克谢耶维奇·加加林送入太空。

1969年 7月，尼尔·阿姆斯特朗驾驶阿波罗11号成功登月并出舱活动。在这次“人类的一大步”中，阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林在月球表面进行了两个半小时的月表行走（迈克尔·科林斯在指令舱中环绕月球）。

1970年，世界首架波音747入列泛美航空，开始进行服役。

1972年，世界首架空客A300进入服役，空中客车公司生产的第一架双通道宽体客机，由此拉开了空客进军世界航空市场的序幕。

1976年，协和号超音速客机进入服役，苏联的图144超音速客机随后进入市场。

1987年 世界首架A320首飞。

2003年 10月15日9时，中国首架载人航天飞行器“神舟五号”成功将航天员杨利伟送入太空。

2007年，首架全双层客机空客A380正式进入服役。

2011年，首架波音787梦想飞机正式交付给日本全日空航空公司。

2015年，由普惠静洁动力齿轮涡扇发动机驱动的空客A320neo正式获得FAA和EASA的认证，标志着该型机将交付并进行商业使用。

2017年，中国首架具有完全自主知识产权的中短程双发窄体民用运输机C919成功首飞，对标波音空客两巨头，标志着“中国智造”正式进入世界民航领域。

2019年，嫦娥4号在月球背面软着陆，这是人类探测器首次月背软着陆，首次月背与地球的中继通信。

 

中国南方航空公司A380从北京首都机场起飞，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:China_Southern_Airlines_Airbus_A380_Zhao-1.jpg#/media/File:China_Southern_Airlines_Airbus_A380_Zhao-1.jpg

 

嫦娥四号成功登陆月背（图片源自网络）

 

人类在航空航天事业中的探索历程，不仅是一部人类科技的发展史，也是一部镌刻着人类奋斗和牺牲的艰辛创业史。航天航空用材料，也是这么一步步发展起来的。

- 02 -

 

航空航天材料是指飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料，是航空航天工程技术发展的决定性因素之一。

飞行器的设计不断地向材料科学提出新的课题，推动航空航天材料科学向前发展；各种新材料的出现也给飞行器的设计提供新的可能性，极大地促进了航空航天技术的发展。

航空航天材料的进展取决于下列3个因素：

1、材料科学理论的新发现：例如，铝合金的时效强化理论导致硬铝合金的发展；高分子材料刚性分子链的定向排列理论导致高强度、高模量芳纶有机纤维的发展。

2、材料加工工艺的进展，例如：

古老的铸、锻技术已发展成为定向凝固技术、精密锻压技术，从而使高性能的叶片材料得到实际应用；复合材料增强纤维铺层设计和工艺技术的发展，使它在不同的受力方向上具有最优特性，从而使复合材料具有“可设计性”，并为它的应用开拓了广阔的前景；热等静压技术、超细粉末制造技术等新型工艺技术的成就创造出具有崭新性能的一代新型航空航天材料和制件，如热等静压的粉末冶金涡轮盘、高效能陶瓷制件等。

3、材料性能测试与无损检测技术的进步：

现代电子光学仪器已经可以观察到材料的分子结构；材料机械性能的测试装置已经可以模拟飞行器的载荷谱，而且无损检测技术也有了飞速的进步。

材料性能测试与无损检测技术正在提供越来越多的、更为精细的信息，为飞行器的设计提供更接近于实际使用条件的材料性能数据，为生产提供保证产品质量的检测手段。一种新型航空航天材料只有在这三个方面都已经发展到成熟阶段，才有可能应用于飞行器上。因此，世界各国都把航空航天材料放在优先发展的地位。

- 03 -

 

18世纪60年代发生的欧洲工业革命使纺织工业、冶金工业、机器制造工业得到很大的发展，从而结束了人类只能利用自然材料向天空挑战的时代。

1903年美国莱特兄弟制造出第一架装有活塞式航空发动机的飞机，当时使用的材料有木材（占47%），钢（占35%）和布（占18%），飞机的飞行速度只有16公里/时。

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。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。

40年代初期出现的德国 V-2火箭只使用了一般的航空材料。

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的再入防热问题。

60年代以来，航空航天材料性能的不断提高，一些飞行器部件使用了更先进的复合材料，如碳纤维或硼纤维增强的环氧树脂基复合材料、金属基复合材料等，以减轻结构重量。

返回型航天器和航天飞机在再入大气层时会遇到比弹道导弹弹头再入时间长得多的空气动力加热过程，但加热速度较慢，热流较小。采用抗氧化性能更好的碳-碳复合材料、陶瓷隔热瓦等特殊材料可以解决防热问题。

飞行器发展到80年代已成为机械加电子的高度一体化的产品。它要求使用品种繁多的、具有先进性能的结构材料和具有电、光、热和磁等多种性能的功能材料。

- 04 -

 

航空航天材料按材料的使用对象不同可分为飞机材料、航空发动机材料、火箭和导弹材料和航天器材料等；按材料的化学成分不同可分为金属与合金材料、有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料。

飞行器是多系统集成体，所涉及的零部件达数十万计，元器件达数百万计，要用到上千种材料。

飞行器要在各种状态和各种极端环境条件下飞行，如何确保其飞行安全至关重要。除设计、制造、使用和维护维修要有极其严格的质量控制要求外，材料的可靠性显得尤为关键。

飞行史上的许多事故教训表明，材料失效是导致飞行事故的重要原因之一：大到一个结构件的断裂，小到一个铆钉或密封圈的失效，都可能导致飞行事故。

用航空航天材料制造的许多零件，往往需要在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作。有的则受到重量和容纳空间的限制，需要以最小的体积和质量发挥在通常情况下等效的功能，有的需要在大气层中或外层空间长期运行，不可能停机检查或更换零件，因而要有极高的可靠性和质量保证。

不同的工作环境要求航空航天材料具有不同的特性。

高的比强度和比刚度对飞行器材料的基本要求是：材质轻、强度高、刚度好。减轻飞行器本身的结构重量就意味着增加运载能力，提高机动性能，加大飞行距离或射程，减少燃油或推进剂的消耗。

比强度和比刚度是衡量航空航天材料力学性能优劣的重要参数：

比强度=σ/ρ比刚度=E/ρ式中σ为材料的强度，E为材料的弹性模量，ρ为材料的比重。

飞行器除了受静载荷的作用外，还要经受由于起飞和降落、发动机振动、转动件的高速旋转、机动飞行和突风等因素产生的交变载荷，因此材料的疲劳性能也受到人们极大的重视。

- 05 -

 

耐高低温是对航空航天材料的基本要求。

飞行器所经受的高温环境是空气动力加热、发动机燃气以及太空中太阳的辐照造成的。

航空器要长时间在空气中飞行，有的飞行速度高达3倍音速，所使用的高温材料要具有良好的高温持久强度、蠕变强度、热疲劳强度，在空气和腐蚀介质中要有高的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，并应具有在高温下长期工作的组织结构稳定性。

火箭发动机燃气温度可达3000°C以上，喷射速度可达十余个马赫数，而且固体火箭燃气中还夹杂有固体粒子。

弹道导弹头部在再入大气层时速度高达20个马赫数以上，温度高达上万摄氏度，有时还会受到粒子云的侵蚀，因此在航天技术领域中所涉及的高温环境往往同时包括高温高速气流和粒子的冲刷。

在这种条件下需要利用材料所具有的熔解热、蒸发热、升华热、分解热、化合热以及高温粘性等物理性能来设计高温耐烧蚀材料和发汗冷却材料以满足高温环境的要求。

太阳辐照会造成在外层空间运行的卫星和飞船表面温度的交变，一般采用温控涂层和隔热材料来解决。低温环境的形成来自大自然和低温推进剂。

飞机在同温层以亚音速飞行时表面温度会降到-50°C左右，极圈以内各地域的严冬会使机场环境温度下降到-40°C以下。在这种环境下要求金属构件或橡胶轮胎不产生脆化现象。

液体火箭使用液氧（沸点为-183°C）和液氢（沸点为-253°C）作推进剂，这为材料提出了更严峻的环境条件。部分金属材料和绝大多数高分子材料在这种条件下都会变脆。通过发展或选择合适的材料，如纯铝和铝合金、钛合金、低温钢、聚四氟乙烯、聚酰亚胺和全氟聚醚等，才能解决超低温下结构承受载荷的能力和密封等问题。

 

火箭发动机示意图（图片源自网络）

 

- 06 -

 

航空航天材料还需要具备耐老化腐蚀性，能适应空间环境和具有绝对可靠的安全寿命。

各种介质和大气环境对材料的作用表现为腐蚀和老化。航空航天材料接触的介质是飞机用燃料（如汽油、煤油）、火箭用推进剂（如浓硝酸、四氧化二氮、肼类）和各种润滑剂、液压油等。

其中多数对金属和非金属材料都有强烈的腐蚀作用或溶胀作用。在大气中受太阳的辐照、风雨的侵蚀、地下潮湿环境中长期贮存时产生的霉菌会加速高分子材料的老化过程。

耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料应该具备的良好特性。

空间环境对材料的作用主要表现为高真空（1.33×10帕）和宇宙射线辐照的影响。

金属材料在高真空下互相接触时，由于表面被高真空环境所净化而加速了分子扩散过程，出现“冷焊”现象；非金属材料在高真空和宇宙射线辐照下会加速挥发和老化，有时这种现象会使光学镜头因挥发物沉积而被污染，密封结构因老化而失效。

航天材料一般是通过地面模拟试验来选择和发展的，以求适应于空间环境。

为了减轻飞行器的结构重量，选取尽可能小的安全余量而达到绝对可靠的安全寿命，这被认为是飞行器设计的奋斗目标。对于导弹或运载火箭等短时间一次使用的飞行器，人们力求把材料性能发挥到极限程度。

为了充分利用材料强度并保证安全，对于金属材料已经使用“损伤容限设计原则”。这就要求材料不但具有高的比强度，而且还要有高的断裂韧性。在模拟使用的条件下测定出材料的裂纹起始寿命和裂纹的扩展速率等数据，并计算出允许的裂纹长度和相应的寿命，以此作为设计、生产和使用的重要依据。

对于有机非金属材料则要求进行自然老化和人工加速老化试验，确定其寿命的保险期。复合材料的破损模式、寿命和安全也是一项重要的研究课题。

- 07 -

 

以下介绍当前主流的几种航空器用结构材料。

目前，航空器上使用的材料主要有铝合金、镁合金、钛合金和高温合金，超高强度钢和复合材料，其中铝合金材料占飞机用料50%--70%左右，镁合金材料占飞机用料5%--10%左右，现代化的飞机，钛合金的用量比重越来越大，而高温合金则用于飞机发动机。

铝合金

 

1903年，美国莱特兄弟发明了世界上第一架飞机，所选用的材料是木材和帆布，飞行速度只有每小时16公里，和骑自行车的速度相差无几。

1911年，铝合金研制成功，并很快取代了木材和帆布，成为制造飞机的主要材料。第一次世界大战期间，全金属结构的飞机已经很普遍了。

从木布结构过渡到金属结构，飞机的速度和其他性能实现了一次飞跃。例如，到1939年，螺旋桨飞机创造的最高时速已达755公里，仅36年的时间，飞机的飞行速度提高了47倍。如今，在飞机所使用的金属材料中，铝合金仍占有重要地位。

航空用铝合金密度低、耐腐蚀性能好，且具有较高的比强度、比刚度，容易加工成型，有足够的使用经验，这些优点使其成为飞机结构的理想材料。

从诞生以来，铝合金随着飞机设计的要求而不断发展，其性能也日益强大。

例如，1954年，英国的3架“彗星”飞机先后坠毁，事故分析表明，坠机的主要原因是材料疲劳以及部分7075-T6铝合金构件被严重腐蚀。经过探索，研究人员突破了过时效热处理问题，研制出第二代耐腐蚀铝合金，有效提升了飞机的安全水平。

如今，航空铝合金的发展已经进入第六阶段。2005年4月27日，世界上最大的宽体客机空客A380在图卢兹机场成功首飞。A380能够取得成功，先进材料的应用立下了汗马功劳。其中，加拿大铝业公司和美国铝业公司就为A380开发了新型铝合金材料。

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。

国外最早针对镁合金的研究主要是在航天器的应用领域，后来逐渐发展到航空领域。

1934年，德国开始将镁合金制造的飞机零部件应用到福克Fw-200飞机上，主要用在飞机的发动机罩、机翼蒙皮及座位框架上，每架飞机共用镁合金材料大约650kg。

目前，镁合金材料在航空领域的应用主要包括：飞机框架、座椅、发动机机匣、齿轮箱等。2010年，美国联邦航空管理局针对用AZ31、WE43等制造的镁合金飞机座椅，开展了大量的整机可燃性试验，比较了这两种镁合金的可燃性、燃烧持续时间等性能。

埃塞克斯飞机公司用镁合金板材及型材制造的190-8327L飞机油箱，与用铝合金制造的油箱相比，每升容积可减重0.144?0.168kg，整架飞机的最大减重可达454kg。

目前，一些高温镁合金如WE43、WE54等已被广泛应用于新型航空发动机齿轮箱和直升机的变速系统中，如西科斯基的S-92直升机。这些镁合金材料能较好地适应高温、腐蚀、震动和沙尘等比较恶劣的环境。

伴随着航空金属材料的不断发展，飞机金属加工工艺也在迅速发展，如大型壁板时效成型技术、大型模锻件制造、3D打印技术、先进胶结技术、先进焊接技术等。

在飞机设计时，一定要综合材料优势，扬长避短，物尽其用，这样才能最大限度地发挥材料的性能，真正实现飞机结构的安全、高效，达到减少重量、降低制造和运营成本的目的。

钛合金

 

钛及钛合金材料密度低、比强度高（目前金属材料中最高）、耐腐蚀、耐高温、无磁、组织性能和稳定性好，可以与复合材料结构直接连接，而且两者之间的热膨胀系数相近，不易产生电化学腐蚀，具有优良的综合性能。因此，钛合金在航空领域得到越来越广泛的应用。

1949年，美国道格拉斯公司在DC-7运输机的发动机舱和隔热板上，第一次使用了钛合金。

洛克希德公司的“黑鸟”高空高速战略侦察机SR-71，飞行速度超过3马赫，在高速飞行时，机体表面温度将超过常规铝合金蒙皮的极限，如果用钢制造，飞机重量会大大增加，影响飞行速度和升限等性能。因此，SR-71的机身大量采用了钛合金，总重达30多吨，占飞机结构重量的93%。

随着人们对飞机性能要求的不断提高，民用飞机的钛合金用量也在逐渐增加。早期波音707上的钛合金部件用量仅占结构总重量的0.2%，到最新的波音787，占比高达15%。

此外，钛合金也是制造航空发动机的主要材料。早期美国F-4战斗机使用的J79发动机，钛合金的用量只有50千克，不到总重量的2%。而现在大多数航空发动机的钛用量已经达到发动机总重量的25%~30%。如波音747、767的发动机JT9D，其用钛量为总重量的25%；空客A320的V2500发动机，其用钛量为总重量的31%。

钛合金的另一大用途是作为螺栓、铆钉等紧固件材料。这些紧固件虽小，但用量却很大，使用钛合金紧固件可以大大减轻重量。据估算，C-5大型运输机有70%的紧固件为钛合金紧固件，飞机因此而减重1吨左右。

现在钛合金3D打印技术已用于飞机制造。钛合金3D打印技术由于摆脱了传统的模具制造这一显着延长研发时间的环节，可以制造高精度、高性能、高柔性和快速制造结构十分复杂的金属零件，因而为先进飞机结构的快速研发提供了有力的技术手段。

 

Titanium support structure for a jet engine thrust reverser（喷气发动机推力反向器的钛支撑结构），By Markus Schwei? at German Wikipedia - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=326345

 

高温合金

 

高温合金是为了满足喷气发动机对材料的苛刻要求而研制的，至今已成为军用和民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的一类关键材料。目前，在先进的航空发动机中，高温合金用量所占比例已高达50%以上。

高温合金的发展与航空发动机的技术进步密切相关，尤其是发动机热端部件涡轮盘、涡轮叶片材料和制造工艺是发动机发展的重要标志。

由于对材料的耐高温性能和应力承受能力提出很高要求，早期英国研制了Ni3（Al、Ti）强化的Nimonic80合金，用作涡轮喷气发动机涡轮叶片材料，此后，又相继发展了Nimonic系列合金。

美国开发了含铝、钛的弥散强化型镍基合金，如普惠公司、GE公司和特殊金属公司分别开发出的Inconel、Mar-M和 Udmit等合金系列。

在高温合金发展过程中，制造工艺对合金的发展起着极大的推进作用。由于真空熔炼技术的出现，合金中有害杂质和气体的去除，特别是合金成分的精确控制，使高温合金性能不断提高。随后，定向凝固、单晶生长、粉末冶金、机械合金化、陶瓷型芯、陶瓷过滤、等温锻造等新型工艺的研究成功，推动了高温合金的迅猛发展。

其中定向凝固技术最为突出，采用定向凝固工艺制出的定向、单晶合金，其使用温度接近初熔点的90%。因此，目前各国先进航空发动机叶片都采用定向、单晶合金制造涡轮叶片。

 

从国际范围来看，镍基铸造高温合金已形成等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。粉末高温合金也由第一代650℃发展到750℃、850℃粉末涡轮盘和双性能粉末盘，用于先进高性能发动机。

以下为典型燃气轮机喷气发动机示意图：空气进入发动机时被风扇叶片压缩，在燃烧段与燃料混合燃烧。热废气提供向前推力，并带动驱动压缩机风扇叶片的涡轮。

 

1.空气吸入段2.低压压缩段3.高压压缩段4.燃烧段5.排气段6.高温区7.低压涡轮和高压涡轮8.燃烧室9.冷区10.进气口；https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Jet_engine_numbered.svg#/media/File:Jet_engine_numbered.svg

 

 

涡轮喷气发动机工作示意图，https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbofan_operation.png#/media/File:Turbofan_operation.png

 

超高强度钢

 

超高强度钢在强度、刚性、韧性以及价格等方面具有很多优势，且拥有在承受极高载荷条件下保持高寿命和高可靠性的特点，在航空领域得到广泛使用。

例如，飞机的起落架要承受冲击等复杂载荷，而且载荷巨大，同时还要求起落架舱容积尽可能小，超高强度钢绝对强度大、稳定性好，因此成为起落架的首选材料。

第二代飞机采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A钢，抗拉强度为1700MPa，这种起落架的寿命较短，约2000飞行小时。

第三代战机设计要起落架求寿命超过5000飞行小时，同时由于机载设备增多，飞机结构重量系数下降，对起落架选材和制造技术提出更高要求。

美国和我国的第三代战机均采用300M钢（抗拉强度1950MPa）起落架制造技术。300M钢的抗拉强度高，横向塑性高，断裂韧性好，与同强度低合金超高强度钢相比，300M钢的抗疲劳性能更好，在介质中的裂纹扩展速率低。这些特点使得300M钢成为大型飞机起落架的主要材料。

应该指出的是，材料应用技术水平的提高也在推动起落架寿命的进一步延长和适应性的扩大。

如空客A380飞机起落架采用了超大型整体锻件锻造技术、新型气氛保护热处理技术和高速火焰喷涂技术，使得起落架寿命满足设计要求。由此，新材料和制造技术的进步确保了飞机的更新换代。

飞机在耐腐蚀环境中的长寿命设计对材料提出了更高要求，1992年，美国又开发了AreMet100。AreMet100与300M的强度级别相同，但耐腐蚀性能和耐应力腐蚀性能较300M钢有较大提高，是目前综合性能最好的超高强度钢。

AerMet100钢较300M钢而言，强度级别相当，而耐一般腐蚀性能和耐应力腐蚀性能明显优于300M钢，与之相配套的起落架制造技术已应用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先进飞机上。更高强度的Aermet310钢断裂韧性较低，正在研究中。

损伤容限超高强度钢AF1410的裂纹扩展速率极慢，用作B-1飞机机翼作动筒接头，比Ti-6Al-4V减重10.6%，加工性能提高60%，成本降低 30.3%。

俄罗斯米格－1.42上高强度不锈钢用量高达30%。PH13-8Mo是唯一的高强度马氏体沉淀硬化不锈钢，广泛用作耐蚀构件。国内探索超高强度不锈钢取得初步效果。

超高强度钢的另一应用是作为一些特殊传动部件的基体材料，如航空发动机中的轴承和传动齿轮。

航空发动机的轴承和齿轮的工作环境完全可以用“炼狱”来形容，它们不仅要承受各种应力的挤压和摩擦，而且绝不允许在使用过程中出现裂纹等损伤，只有超高强度钢才可担此重任。

目前，世界上只有极少数国家掌握航空发动机传动部件超高强度钢的制造技术，例如国外发展了超高强度齿轮（轴承）钢，如CSS-42L、GearmetC69等，已在发动机、直升机和宇航应用中试用。

先进复合材料

 

根据用途不同，航空航天用复合材料可分为机身复合材料、引擎盖复合材料、发动机复合材料、飞机内部装饰复合材料。

2013年，机身所用复合材料，航空发动机复合材料，飞行器内饰所用材料分别占64.6%，6.9%，28.5%；统计数据指出到2018年，机身所占比重会达到77.4%，其中航空发动机和飞行器分别占4.8%和17.8%。

现阶段复合材料主要用于制造航空航天器械的外饰和内饰部件，比如座椅、肋板、内部装饰、舷窗、扶手、引擎罩盖、机翼、机身和导流罩等。

1、聚合物复合材料

 

代表航空航天技术开发水平的一个重要标志是看聚合物复合材料使用数量的多少。聚合物复合材料在比强度和比刚度方面具有非常明显的优越性，兼备良好的结构性能和特殊性能，在航空领域获得了广泛的应用。

空中客车A3XX飞机使用聚合物复合材料的比例将达到25%。

作为结构材料，新型复合材料-有机塑料将发挥越来越大的作用。最近几年，正在研制第二代有机塑料。

单一用途的有机塑料的Rm值达到3000-3200Mpa，E值提高到130Gpa。试验研究表明，有可能获得弹性模量为200-250Gpa的有机塑料。需要指出的是，这实际上就是将工作温度范围扩大1倍，还可显着降低复合材料的吸水率。

在比强度和比弹性模量方面，现代的有机塑料，特别是未来的有机塑料，将超过所有已知的以聚合物、金属和陶瓷为基体的复合材料。

2、陶瓷基复合材料

 

说到陶瓷，人们很自然想到它的特点就是脆性。十几年前，如果把它用于工程领域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到现在说到陶瓷复合材料，也可能还会有些人不清楚，认为陶瓷和金属原本就是两种不相关的基本材料，但是自从人们巧妙地将陶瓷和金属结合后，才使人们对这种材料的概念发生了根本的变化，这就是陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种非常有发展前途的新型结构材料，特别是在航空发动机制造应用中，越来越显示出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻，硬度高的优点以外，还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。

目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料，并具有很好的力学性能和化学稳定性，是高性能涡轮发动机高温区理想的极好材料。

目前世界各国针对下一代先进发动机对材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料，并取得了较大进展，有的已开始应用在现代航空发动机中。

例如美国验证机的F120型发动机，它的高压涡轮密封装置，燃烧室的部分高温零件，均采用了陶瓷材料。法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。据专家估计，到2000年陶瓷材料将占高性能涡轮发动机重量的30％。

3、金属间化合物

 

高性能、高推重比航空发动机的研制，促进了金属间化合物的开发与应用。如今金属间化合物已经发展成为多种多样的族，它们一般都是由二元三元或多元素金属元素组成的化合物。

金属间化合物在高温结构应用方面具有巨大的潜力，它具有高的使用温度以及比强度、导热率，尤其是在高温状态下，还具有很好的抗氧化，高腐蚀性和高的蠕变强度。

另外由于金属间化合物是处于高温合金与陶瓷材料之间的一种新材料，它填补了这两种材料之间的空档，因而成为航空发动机高温部件的理想材料之一。

目前在航空发动机结构中，致力于研究开发的主要是以钛铝（TiAl）和镍铝等为重点的金属间化合物。这些钛铝化合物与钛的密度基本相同，但却有更高的使用温度。例如Ti和TiAl的使用温度分别为816℃和982℃。

金属间化合物原子间的结合力强，晶体结构复杂，造成了它的变形困难，在室温下显现出硬而脆的特点。目前经过多年的试验研究，一种具有高温强度和室温塑性与韧性的新型合金已经研制成功，并已装机使用，效果很好。

例如美国的高性能F119型发动机的外涵机匣、涡轮盘都是采用的金属间化合物，验证机F120型发动机的压气机叶片和盘，均采用了新的钛铝金属间化合物。

4、C/C基复合材料

 

C/C基复合材料（碳/碳复合材料）是近年来最受重视的一种更耐高温的新材料。

到目前为止，只有C/C复合材料是被认为唯一可做为推重比20以上，发动机进口温度可达1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料，是美国21世纪重点发展的耐高温材料，世界先进工业国家竭力追求的最高目标。

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。在1650℃以下时依然还保持着室温环境下的强度和风度。因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有很大的发展前途。

C/C基复合材料在航空发动机上应用的主要问题是抗氧化性能较差，近几年美国通过采取一系列的工艺措施，使这一问题不断得到解决，逐步应用在新型发动机上。

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。

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业内专家指出，当前航空航天材料的发展有如下几个方向：

1）高性能

 

高性能是指轻质、高强度、高模量、高韧性、耐高温、耐低温，抗氧化、耐腐蚀等。材料的高性能对降低飞行器结构重量和提高结构效率、提高服役可靠性及延长使用寿命极为重要，是航空航天材料研究不断追求的目标。

2）特殊功能

 

材料在光、电、声、热、磁上的特殊功能是支撑某些关键技术以提高飞行器机动性能和突防能力的重要保证。如以红外材料为基础的光电成像夜视技术能增强坦克、装甲车、飞机、军舰及步兵的夜战能力，红外成像制导技术可大大提高导弹的命中率和抗干扰能力，以新型固体激光材料为基础的激光测距和火控系统等可使灵活作战能力大大加强。

3）复合化

 

复合化已成为新材料的重要发展趋势之一。业内专家指出，航空复合材料未来20～30 年将迎来新的发展时期，甚至引发航空产业链的革命性变革，包括设计理念的创新和设计团队知识的更新，航空产品供应链的战略性改变，新型复合材料技术不断出现（如混杂复合技术、源于自然界中珍珠贝壳结构启发的仿生复合技术），以及对航空维修业提出前所未有的挑战。

4）智能化

 

智能化是航空航天材料重要发展趋势之一。

智能复合材料将复合材料技术与现代传感技术、信息处理技术和功能驱动技术集成于一体，将感知单元（传感器）、信息处理单元（微处理器）与执行单元（功能驱动器）联成一个回路，通过埋置在复合材料内部不同部位的传感器感知内外环境和受力状态的变化，并将感知到的变化信号通过微处理器进行处理并作出判断，向功能驱动器发出指令信号；而功能驱动器可根据指令信号的性质和大小进行相应的调节，使构件适应有关变化。

整个过程完全自动化，从而实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自保护等多种特殊功能。智能复合材料是传感技术、计算机技术与材料科学交叉融合的产物，在许多领域展现了广阔的应用前景，例如飞机的智能蒙皮与自适应机翼就是由智能复合材料构成的一种高端的智能结构。

5）整体化

 

整体化制造不仅可减少机械装配件数量，节约材料和工时，还能减少因装配失误埋下的事故隐患。铝合金一直是航空航天重要结构材料，用铝合金厚板（厚度＞6 mm）制造飞机整体部件如机身框架、机翼壁板、翼梁、翼肋等是重要发展趋势之一。

6）低维化

 

低维化是指维数小于 3 的材料的应用，具体来说包括二维（超薄膜）、一维（碳纳米管）和准零维（纳米颗粒）材料。其中碳纳米管在航空航天中的应用得到了广泛的研究，用它制备复合材料也取得了较大进展。

7）低成本

 

化航空航天材料从过去单纯追求高性能发展到今天综合考虑性能与价格的平衡，低成本化贯穿材料、结构设计、制造、检测评价以及维护维修等全过程。对碳纤维复合材料而言，其制造成本在整个成本中占有相当大的比例；因此，对其低成本制造技术应投入足够关注。

各种低成本制造技术发展很快，尤其是以树脂传递成型（RTM）为代表的液体成型技术和以大型复杂构件的共固化/共胶接为代表的整体化成型技术等均得到了很大的发展。

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昨晚，在2019篮球世界杯17-32名排位赛中，中国男篮以73：86不敌尼日利亚队，无缘直通东京奥运会，中国男篮遭遇至暗时刻。新华网客户端的新闻标题是“奇迹未能出现，中国男篮未能直通东京”。

确实，决定比赛成绩的关键，是全方位的综合实力，运气总是青睐有准备的一方，奇迹不是总会发生。

正如姚明在赛后接受采访时所说的，世界杯给了中国篮球人睁眼看世界的机会，发现了与世界强队之间的差距，改革不能半途而废，失败绝不会影响改革决心。

“当我们知道了世界篮球的发展方向，我们必须要向世界看齐，更加坚定地走下去。”尽管红着眼，姚明依然话语坚定。在竞争更为激烈的世界男子篮坛，中国男篮与世界强队之间的实力差距是全方位的，唯有加倍进步，才能早日弥补与赶超。

人类探索星空，走向日月星辰的历史也告诉我们同样一个道理，罗马不是一天建成的，也不是随随便便就可以建成的。

所以，在抬头仰望星空之际，勿忘脚踏实地。只有好好学习，才能天天向上。

2019年9月9日写于上海东鼎国际大厦B座5楼参考资料：

https://kknews.cc/society/qyy6lr.html

 

https://baike.baidu.com/item/%E8%88%AA%E7%A9%BA%E8%88%AA%E5%A4%A9%E6%9D%90%E6%96%99/1234376

 

https://kknews.cc/tech/kzm5rqp.html

 

http://www.360doc.com/content/17/1122/15/48110136_706158478.shtml

 

https://en.wikipedia.org/wiki/Components_of_jet_engines

 

http://www.ecorr.org/news/science/2018-01-04/167939.html