航天用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料研究進(jìn)展及應(yīng)用需求

王 群 王婧超 李雄魁 孟德浩 高藝航

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

·綜述·

航天用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料研究進(jìn)展及應(yīng)用需求

王 群 王婧超 李雄魁 孟德浩 高藝航

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

文 摘 從輕質(zhì)金屬和復(fù)合材料出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了航天用幾大主要輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合航天的應(yīng)用需求，淺析了輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的研究和發(fā)展方向。

航天，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，研究進(jìn)展，需求

0 引言

隨著航天飛行器迫切的減重需求，對(duì)應(yīng)用材料提出了更高的要求，具有優(yōu)異力學(xué)性能的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，尤其是以鋁合金、鎂合金、鈦合金及復(fù)合材料等材料為代表的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料成為航空航天研究的熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)航天箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)新材料應(yīng)用方面完成了部分嘗試和探索。但就現(xiàn)在各材料行業(yè)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀和新材料預(yù)先研究結(jié)果看，各種材料性能、規(guī)格還有大幅提升的需求和潛力。從調(diào)研結(jié)果來(lái)看，技術(shù)成熟度還偏低，尚不能滿足全彈結(jié)構(gòu)和未來(lái)型號(hào)發(fā)展的緊迫需求。本文從航天結(jié)構(gòu)發(fā)展需求的角度出發(fā)，列舉了航天目前需要發(fā)展和研究的部分先進(jìn)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，介紹了各材料發(fā)展的現(xiàn)狀，并進(jìn)一步提出研究和發(fā)展的方向。

1 輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)材料

1.1 超高強(qiáng)鋁合金

不斷提高結(jié)構(gòu)極限承載能力是航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所追尋的目標(biāo)，應(yīng)用高強(qiáng)度材料是必然選擇。從第一代鋁合金到第四代高性能鋁合金在運(yùn)載火箭上的應(yīng)用不斷更新替換，鋁合金材料的發(fā)展趨勢(shì)也是對(duì)材料強(qiáng)度要求越來(lái)越高。國(guó)內(nèi)以7A04為代表的第一代，以7A09、7075為代表的第二代變形鋁合金已得到廣泛應(yīng)用。以7050為代表的第三代，以7A60、7055、7056等第四代高強(qiáng)變形鋁合金仍然處于實(shí)驗(yàn)室或半工業(yè)試制階段，還未具備在運(yùn)載器結(jié)構(gòu)上大范圍工程化應(yīng)用的條件。

超高強(qiáng)鋁合金主要以7XXX系鋁合金為主，即Al-Zn-Mg-Cu系合金。20世紀(jì)初至今，國(guó)外，主要以美歐等發(fā)達(dá)國(guó)家為主，已先后成功開(kāi)發(fā)出了7X75、7X50/7010、7055/7449、7136/7056等幾代典型的7XXX系鋁合金，并在航空航天工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。20世紀(jì)90年代，美國(guó)、英國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，利用先進(jìn)的噴射成形技術(shù)開(kāi)發(fā)了含Zn 8wt%以上的新一代超高強(qiáng)鋁合金，用于制造交通運(yùn)輸領(lǐng)域強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件[3]。國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)鋁合金的研究起步較晚，主要以中南大學(xué)、東北輕合金有限公司、北京航空航天大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)為主。部分普通7XXX系鋁合金在我國(guó)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，主要包括7075，7050，7175等。由江蘇豪然公司開(kāi)發(fā)的噴射擠壓成形7055鋁合金T6態(tài)抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)到745 MPa[4]，目前還成功研制出抗拉強(qiáng)度800 MPa級(jí)噴射成形超高強(qiáng)鋁合金。

以7055為代表的7XXX系超高強(qiáng)鋁合金逐漸成為航天產(chǎn)品應(yīng)用的翹楚。7055鋁合金于20世紀(jì)90年代研制成功，美國(guó)鋁業(yè)公司于1993年申請(qǐng)專利，是Zn含量超高的新一代鋁合金，據(jù)美國(guó)軍標(biāo)記載，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)648 MPa，是現(xiàn)在應(yīng)用中使用的最高強(qiáng)度鋁合金。目前美國(guó)已將7055鋁合金板材成功應(yīng)用于波音777飛機(jī)上翼結(jié)構(gòu)，將型材和鍛件應(yīng)用于龍骨架、行李軌道和座椅軌道結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)江蘇豪然公司將噴射成形材料制備工藝和7055牌號(hào)成分相結(jié)合制備出更穩(wěn)定、更均質(zhì)的高性能鋁合金。國(guó)內(nèi)商飛在機(jī)翼長(zhǎng)桁、某些航天運(yùn)載器發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體、噴管、飛機(jī)輪轂等結(jié)構(gòu)中也應(yīng)用了7055鋁合金材料，取代了部分30CrMnSiA及鈦合金產(chǎn)品。

但是，超高強(qiáng)鋁合金因力學(xué)性能的大幅度提升造成相應(yīng)的塑性降低、淬透性差、淬火殘余應(yīng)力大、機(jī)加工難度大等一系列問(wèn)題。從前期工程化應(yīng)用的情況來(lái)看，后續(xù)還需要針對(duì)7XXX系超高強(qiáng)鋁合金開(kāi)展大量機(jī)理性及工藝性研究，系統(tǒng)評(píng)價(jià)材料成形工藝、熱處理工藝、綜合力學(xué)性能、切削加工工藝等，為航天運(yùn)載器上材料的選用提供依據(jù)。

1.2 耐高溫高強(qiáng)鎂合金

鎂合金被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色金屬結(jié)構(gòu)工程材料”。因其高比強(qiáng)度、高比模量、良好的高溫性能、阻尼減振性能及高性價(jià)比、優(yōu)異的機(jī)加工性能越來(lái)越受到航空航天的青睞。可以預(yù)見(jiàn)，隨著鎂及鎂合金的深入研究，有望取代鋁合金，為航天飛行器的結(jié)構(gòu)減重奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

目前，鎂合金在航天飛行器上的應(yīng)用正由簡(jiǎn)單的構(gòu)件向復(fù)雜承力耐熱構(gòu)件跨越，主要應(yīng)用于火箭、飛機(jī)(包括軍用和民用)、衛(wèi)星和飛船上比較重要的零部件，這對(duì)鎂合金的耐熱高強(qiáng)性能提出了更高的要求。早在20世紀(jì)60年代，國(guó)外在大力神、丘辟特、雷神和北極星等戰(zhàn)略導(dǎo)彈上都曾選用變形鎂合金做結(jié)構(gòu)材料，其中“大力神”Titan號(hào)洲際彈道導(dǎo)彈上用變形鎂合金達(dá)900 kg，其蒙皮選用了Mg-Th系(HK31A、HM21A)板材、AZ31B板材。另外，小型導(dǎo)彈上用鎂量更大，如以色列“獵鳥(niǎo)”Falcon空對(duì)空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件上用鎂量達(dá)到90%，其中，導(dǎo)彈殼體由ZK60A管材和AZ31板材制備而成，而舵選用了ZK60A鍛件。在常規(guī)武器上，鎂合金也廣泛應(yīng)用。如：英國(guó)大口徑120 mm BATL6Wombat無(wú)后座力反坦克炮采用了鎂合金，大大減輕了質(zhì)量，加上所配的M80.5in步槍，總重才308 kg[5]。美國(guó)M274 A1型軍用吉普車采用了鎂合金車身及橋殼，大大減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，具有良好的機(jī)動(dòng)性及越野性能，4個(gè)士兵可以抬起來(lái)[6]。

近年來(lái)，隨著新技術(shù)的應(yīng)用，鑄造鎂合金性能也有很大提升，如上海交通大學(xué)應(yīng)用坩堝液態(tài)金屬密封技術(shù)與精密低壓鑄造技術(shù)開(kāi)發(fā)的高溫高強(qiáng)鑄造鎂合金JDM1和JDM2取得了成功，但規(guī)模較小。國(guó)內(nèi)鎂合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用以鑄件為主，軍用方面，如在直徑1 m以下的戰(zhàn)術(shù)艙段、支架及局部結(jié)構(gòu)等；民用方面-如汽車、3C產(chǎn)品等。同時(shí)變形鎂合金的研究也越來(lái)越多，因?yàn)樽冃捂V合金相對(duì)鑄造有力學(xué)性能好、延伸率大、缺陷少、用途廣等優(yōu)勢(shì)。對(duì)于小尺寸結(jié)構(gòu)件，變形鎂合金抗拉強(qiáng)度能達(dá)到400 MPa以上，且耐高溫。在航天運(yùn)載器上的局部結(jié)構(gòu)及支架上正在推廣應(yīng)用。對(duì)于占航天運(yùn)載器結(jié)構(gòu)主要質(zhì)量的整體艙段，特別是直徑1 m以上的大尺寸艙段，變形鎂合金潛力巨大。

但目前耐熱鎂合金在工程化應(yīng)用方面還面臨一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的工業(yè)化變形鎂合金總體強(qiáng)度水平不高，抗拉強(qiáng)度基本在200～300 MPa，且塑性較差，還不能很好滿足航天發(fā)展的需求；小尺寸結(jié)構(gòu)件，變形鎂合金抗拉強(qiáng)度可達(dá)到400 MPa以上，但對(duì)于大尺寸結(jié)構(gòu)件，其抗拉強(qiáng)度和延伸率有待進(jìn)一步提高；高強(qiáng)耐熱變形鎂合金大尺寸鑄錠的熔鑄技術(shù)有待進(jìn)一步提升和發(fā)展，成熟的大尺寸鑄錠的缺失影響了變形鎂合金在航空航天中的大規(guī)模應(yīng)用；高強(qiáng)耐熱變形鎂合金的加工成型，特別是大直徑與大變形量結(jié)構(gòu)的成形，雖然有一定的基礎(chǔ)，但是還沒(méi)有成熟的技術(shù)；鎂合金的表面防護(hù)技術(shù)已開(kāi)展較多研究，但對(duì)于結(jié)構(gòu)件的全生命周期的防護(hù)，特別是有較長(zhǎng)貯存期要求的結(jié)構(gòu)件，還有待進(jìn)一步研究。

1.3 耐高溫高強(qiáng)鈦合金

耐高溫高強(qiáng)鈦合金的研制與應(yīng)用在世界范圍內(nèi)都受到了高度重視。早期，高溫鈦合金是指在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上使用溫度超過(guò)350℃以上的無(wú)序固溶強(qiáng)化鈦合金。

1954年，美國(guó)成功研制出世界上第一個(gè)高溫鈦合金Ti-6Al-4V，奠定了高溫鈦合金研究的基礎(chǔ)。后來(lái)美國(guó)的艾伯星火箭、阿波羅飛船和發(fā)現(xiàn)者衛(wèi)星均采用了Ti-6Al-4V合金[7]。之后各國(guó)學(xué)者研制高溫鈦合金也多是以此為基礎(chǔ)進(jìn)行的。

從20世紀(jì)50年代起到80年代的近40年，是國(guó)外高溫鈦合金的快速發(fā)展時(shí)期，使用溫度從最初的350℃提高到600℃。20世紀(jì)90年代以后，高溫鈦合金的研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向Ti-Al系金屬間化合物。在此期間，以美、英、俄等為主的航空發(fā)達(dá)國(guó)家均建立了各自相對(duì)獨(dú)立的高溫鈦合金材料體系，如表1所示[8]。美國(guó)的麥道公司采用快速凝固或粉末冶金技術(shù)研制出一種高純度、高致密性的鈦合金，在760℃下的強(qiáng)度相當(dāng)于目前常溫下使用的鈦合金強(qiáng)度。

表1 美、英、俄系高溫鈦合金

我國(guó)鈦合金研究起步于20世紀(jì)60年代，從前期仿制TC4、TC6、TA7、TA11等低溫鈦合金，到90年代末，研制出TA12、Ti633G、Ti53311S等550℃高溫鈦合金，近10年，又研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的600℃至650℃高溫鈦合金Ti60、Ti600、TG6、Ti65等[9]。就研究成果而言，我國(guó)當(dāng)前已經(jīng)研究出了一些性能較為優(yōu)越的合金，但大多耐高溫合金工程化應(yīng)用水平尚不成熟，未能得到大批量應(yīng)用。尤其隨著我國(guó)航天運(yùn)載器的發(fā)展，耐高溫高強(qiáng)鈦合金的需求日益明顯，為了支撐與促進(jìn)我國(guó)航天的發(fā)展，應(yīng)加快對(duì)高溫鈦合金的研究工作。一方面，盡快完成對(duì)已研發(fā)高性能鈦合金的材料評(píng)價(jià)；另一方面，要積極借鑒外國(guó)研究者的研究方法，研發(fā)更高級(jí)別的耐高溫高強(qiáng)鈦合金。

2 輕質(zhì)復(fù)合材料

2.1 高強(qiáng)/高模碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料

樹(shù)脂基復(fù)合材料常用的增強(qiáng)纖維包括碳纖維和其他高性能有機(jī)纖維，而目前用得最多和最重要的是碳纖維[10]。以碳纖維為增強(qiáng)體的樹(shù)脂基復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、高比模量、高溫尺寸穩(wěn)定性和可設(shè)計(jì)性等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈艙段等彈體結(jié)構(gòu)上，已成為先進(jìn)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化不可缺少的關(guān)鍵材料。

航天用碳纖維的應(yīng)用以高強(qiáng)、中模為主，高模也有少量應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料在國(guó)外航天領(lǐng)域主要應(yīng)用在運(yùn)載火箭、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、承力構(gòu)件等方面。如美國(guó)的戰(zhàn)略導(dǎo)彈“侏儒”、“三叉戟”、民兵系列[11]，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈THAAD、ERINT等在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等部位都有成熟應(yīng)用[12]；同時(shí)，日本“M-5”、法國(guó)“阿里安-2”、“阿里安-5”等火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上也大量采用碳纖維復(fù)合材料[13]。由美國(guó)赫克里斯公司生產(chǎn)的IM-7碳纖維是目前使用量最大的碳纖維[14]。我國(guó)各類航天運(yùn)載器上也大量采用碳纖維復(fù)合材料作為殼段結(jié)構(gòu)、主承力構(gòu)件。目前，已形成T300級(jí)、T700級(jí)、T800級(jí)等約20多個(gè)品種[15]，廣泛應(yīng)用于航空航天。

2014年，據(jù)東麗工業(yè)公司報(bào)道，已開(kāi)發(fā)出一種新型高強(qiáng)高模碳纖維，稱為TORAYCA T1100G；同時(shí)開(kāi)發(fā)出了T1100G高性能預(yù)浸料(樹(shù)脂浸漬碳纖維薄板)。東麗利用碳化技術(shù)，在納米尺度上精確控制纖維結(jié)構(gòu)。與東麗現(xiàn)有的應(yīng)用于航空航天中的碳纖維產(chǎn)品如T1000G和T800S相比(T-800纖維，拉伸強(qiáng)度5.65 GPa、彈性模量300 GPa)，新型的T1100G性能得到了顯著提高。隨著航天運(yùn)載火箭對(duì)減重增程等戰(zhàn)標(biāo)的要求不斷提高，對(duì)碳纖維，尤其是高強(qiáng)/高模碳纖維復(fù)合材料提出更高的要求，因此，高性能的碳纖維材料是一個(gè)必然的趨勢(shì)和發(fā)展方向。面對(duì)國(guó)外的技術(shù)封鎖，我國(guó)應(yīng)該從制造工藝、生產(chǎn)成本等方面分步推進(jìn)，在研發(fā)的同時(shí)逐步提高碳纖維工程化應(yīng)用的成熟度。

2.2 耐中高溫樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料

樹(shù)脂基復(fù)合材料的耐溫性主要取決于基體。耐高溫樹(shù)脂基復(fù)合材料通常指在250～300℃(目前可以提至更高)內(nèi)可以長(zhǎng)期使用[16-17]。

近年來(lái)，先進(jìn)材料耐溫等級(jí)不斷提升，從工程中廣泛應(yīng)用的耐溫材料來(lái)看，從輕質(zhì)鋁合金、雙馬樹(shù)脂基復(fù)合材料、鈦合金到聚酰亞胺樹(shù)脂基復(fù)合材料，耐溫等級(jí)依次升高。采用力學(xué)性能好、密度小、耐溫等級(jí)高、生產(chǎn)工藝相對(duì)成熟的耐高溫樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅可以實(shí)現(xiàn)承力結(jié)構(gòu)質(zhì)量的降低，而且可以有效減少熱防護(hù)材料的使用，是實(shí)現(xiàn)高速飛行器輕質(zhì)化的有效途徑。

20世紀(jì)50年代末，美國(guó)“北極星A-2”導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)圓柱殼開(kāi)始采用玻璃/環(huán)氧纏繞成型，與相應(yīng)的高強(qiáng)度鋼發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，在減輕質(zhì)量與減小脆性方面都有明顯的改進(jìn)，質(zhì)量約可減輕50%，射程增大27%[18]。直到20世紀(jì)60年代末，玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料一直是彈道導(dǎo)彈與運(yùn)載火箭固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)圓柱殼的標(biāo)準(zhǔn)材料，應(yīng)用于“民兵”、“海神”等固體導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)圓柱殼。美國(guó)潛基戰(zhàn)略導(dǎo)彈“三叉戟”、MX、法國(guó)的M-4和前蘇聯(lián)的SS-24、SS-25的發(fā)動(dòng)機(jī)圓柱殼設(shè)計(jì)均采用了芳綸纖維/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料[19]，通用動(dòng)力(General Dynamics)公司在F-111水平安定面上首次使用了環(huán)氧復(fù)合材料，減重達(dá)25%，并且通過(guò)了靜力、疲勞和地面振動(dòng)試驗(yàn)，安全飛行250 h。后來(lái)此項(xiàng)設(shè)計(jì)還應(yīng)用在了F-14、F-15上。在航天飛機(jī)有效載荷艙門上也采用了石墨/環(huán)氧復(fù)合材料面板夾芯結(jié)構(gòu)，相比于鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，質(zhì)量減輕了410 kg。同時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料在空間結(jié)構(gòu)如衛(wèi)星天線、光學(xué)結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也占有很大的比例[20]。

隨著航空航天器飛行馬赫數(shù)的不斷提高，氣動(dòng)加熱日趨嚴(yán)重。耐中高溫樹(shù)脂基復(fù)合材料的需求愈顯迫切，并受到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)的重視，樹(shù)脂基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)是繼續(xù)提高其耐熱性、對(duì)高性能樹(shù)脂基體改性、研發(fā)新型高性能樹(shù)脂基體，以滿足運(yùn)載、導(dǎo)彈武器等飛行器的使用需求。

3 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，目前普通高性能金屬材料仍是航天結(jié)構(gòu)材料的重要組成部分，但其應(yīng)用已基本接近技術(shù)的極限，而高強(qiáng)、耐高溫的輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料將是未來(lái)航天應(yīng)用和發(fā)展的必然趨勢(shì)。同時(shí)，先進(jìn)的復(fù)合材料在航天中的應(yīng)用前景廣闊，逐步取代了部分金屬材料，在導(dǎo)彈和航天器結(jié)構(gòu)中所占比例日益增加，提高結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的耐高溫性能、力學(xué)性能，掌握耐高溫樹(shù)脂基結(jié)構(gòu)成型技術(shù)，降低制造成本，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料體系成為當(dāng)今航天新材料研究和發(fā)展的重點(diǎn)。

航空航天是引領(lǐng)帶動(dòng)新材料、新工藝發(fā)展的主要領(lǐng)域，隨著新材料的出現(xiàn)也給航天飛行器的設(shè)計(jì)提供了更多的可能和選擇空間。除了上述文中提到的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料外，還有許多防熱材料、密封材料、智能材料等功能材料也是航天領(lǐng)域需要擴(kuò)展的方向。深入開(kāi)展先進(jìn)輕質(zhì)新材料的研究，在新材料研發(fā)的同時(shí)對(duì)新研材料做深入的機(jī)理性研究，系統(tǒng)評(píng)價(jià)新材料的綜合性能，進(jìn)一步提升新材料的可靠性和成熟度，對(duì)于促進(jìn)新材料的工程化應(yīng)用和航天的發(fā)展具有重要的意義。

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Research Progress and Application Requirements of Lightweight Structure Materials for Aerospace Applications

WANG Qun WANG Jingchao LI Xiongkui MENG Dehao GAO Yihang

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering,Beijing 100076)

The main lightweight structure materials including lightweight alloy and composite materials for aerospace applications were introduced in the article. The development direction of the lightweight structure materials are analysed briefly combining the application requirements of aerospace.

Aerospace, Lightweight structure materials, Research progress, Needs

2016-08-30

王群，1987年出生,碩士，工程師，主要從事殼體及特殊功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail:wangqun_calt@163.com

TB3

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.001