航天新型高性能材料大汇总及最新研究进展

2019-1-1 12:02| 发布者: admin| 查看: 406| 评论: 0|来自: 战略前沿技术

摘要: 远望智库:与智者同行,为创新加速专家库|人才库|企业库|项目库|投资机构库|招商信息库来源:中国腐蚀与防护网作者:吴凯,张铁军,姚为,韩维群 北京航星机器制造有限公司0 引言世界各国高度重视新材料发展,推出多 ...

远望智库:与智者同行,为创新加速

专家库?|?人才库?|?企业库?|?项目库?|?投资机构库?|?招商信息库

来源:中国腐蚀与防护网

作者:吴凯,张铁军,姚为,韩维群? ?北京航星机器制造有限公司

0?? 引言

世界各国高度重视新材料发展,推出多项战略政策推进新材料技术的发展。发达国家新材料产业各具特色,侧重领域各不相同: 美国注重科技领域的研发,并保持全球领先地位; 日本既重视对新材料的研发,又不忘改进现有材料的性能,利用有限资源发挥最大作用; 欧盟新材料科技战略目标是保持在航天材料等领域的竞争优势。

本文详细阐述了国际航天新材料的研究与应用现状,重点介绍了国内航天新型材料的研究成果,指出了航天新型材料未来的发展趋势。

1?? 高性能轻质金属合金

为满足导弹、火箭等航天装备平台轻量化、高可靠、高推比等发展需求,目前国外大力发展的高性能轻质金属合金主要包括第三代铝锂合金、高强镁合金、低成本钛合金、耐高温合金等。

1.1 第三代铝锂合金

上世纪 20 年代,德国研制出第一代铝锂合金。缺点很明显,如延展性弱、韧性差、加工困难和价格昂贵等,没有引起足够重视[1]。1970 年后,欧美等国研制出了第二代铝锂合金产品,包括前苏联的 1420 铝锂合金和美国的 2090 铝锂合金等。第二代铝锂合金也存在问题,包括强度不高、塑形较低等[2]。

2013 年,加拿大肯联公司推出的Air Ware 系列第三代铝锂合金已用于空中客车公司的A350、庞巴迪公司的C 系列飞机以及F-16、F-18 等军用飞机,组织模式如图1 所示[3]。美国航空界将这种新材料称为“超级合金”,被美刊评为2013 年航空十三个重大事件之一。第三代铝锂合金在添加锂元素时,更加注重合金强度与疲劳裂纹扩展性能之间的平衡。通过降低锂含量( 降低至1wt% ~ 2wt%) 及优化热处理制度,获得良好的综合性能。用其制造飞机结构,可使飞机结构减轻25%,耐蚀性比传统铝锂合金高出46%,抗疲劳性能提高25%,飞机降低阻力6%。此外,与复合材料比较,可加工性也得以改善,可使用传统铝合金制造工艺进而降低风险与成本,利用现有加工设备及供应链等,还可100%回收。未来应用对象锁定在A320 及波音737 的后继窄体客机上,也准备用于军用飞机F-35、F-16 和F-18 的隔框、蒙皮及其他结构件。

今后铝锂合金的发展还要加强以下方面的研究:

(1)增加铝锂合金的韧性、塑形和强度;(2)降低铝锂合金的结构质量;(3)改善铝锂合金的各向异性。

1.2 高强镁合金

20世纪40年代,镁合金获得了飞速发展[4]。但由于价格昂贵的原因,镁合金的研究出现停滞。

近年来,由于环境和能源问题越来越突出,以及镁合金巨大的性能潜力和优势,镁合金的研究和应用日益受到德、美、加等发达国家和地区的高度重视,均相继出台了镁合金研究计划进行技术攻关,投资金额总和达数亿美元。德国科学技术协会牵头,启动了由德国克劳斯塔大学和汉诺威大学负责组织实施、欧洲最大的镁合金与镁合金压铸项目“SFB390”,项目金额超过5300万欧元,主要目标是研究镁合金在结构件中的应用[5]。加拿大联邦政府及魁北克省与海德鲁公司共同投资1140 万加元成立了一个新的镁合金研究中心,其宗旨在于通过优化设计工艺及材质,获得具有优良性能的镁合金压铸零部件,从而进一步拓宽镁合金的应用领域。

镁合金通过合金化,与稀土元素形成稳定的高温相,以提高镁合金的高温性能。

采用时效强化与形变强化可以提高合金的强度和韧性,美国科学家的研究结果表明,通过挤压与热处理复合处理后的ZK60 镁合金,强度及断裂韧性均得到极大的提高[6]。当前国外变形镁合金的室温屈服强度最高达到300 MPa,延伸率达到5%。

镁合金质量轻是其在航空航天中应用的最主要因素,随着镁合金的研究继续开展,在航空航天中的应用将会越来越普遍。

1.3 低成本钛合金

图2 是飞机结构中钛用量随年代的变化[7]。由于其价格昂贵,常用于承力大的关键部位。为扩大钛合金的使用量,国外积极研制新型低成本钛合金。美国Allegheny 技术公司也采用铁元素代替钒元素和富氧技术,研制了新配方Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O钛合金,其性能类似于Ti-6Al-4V 合金,具有优良的冷成形和热加工性能,但价格比航空航天用的Ti -6Al-4V 合金约低20%。

钛合金作为发动机材料虽有巨大优势,也同样面临极大挑战[8]:

(1) 钛合金的性能在高温条件下还不达标;(2) 钛合金的价格过高。

1.4 耐高温合金

高温合金是指以铁、镍、钴为基体材料,能在高温和应力作用下长期工作的特定金属材料[9]。高温合金在600℃以上具有良好的强度、塑性、韧性和疲劳性能等。经过数十年的发展,高温合金已较为成熟,并在武器装备动力装置上获得广泛应用。随着材料的更新换代,发动机的涡轮进口温度也从第一代的777~1 027℃跃升至第四代的1 577~1 715℃。

与纯金属及合金材料相比,金属间化合物具有极好的耐高温和耐磨性能。为此,近年来国外针对金属间化合物的基础性研究、成分设计、工艺流程的开发以及应用开展了大量工作,用于替代传统的镍基高温合金、镍基单晶合金等。其中Ti-Al 合金发展最为迅速,富铌悖璗iAl 合金已发展到第三代,塑性和韧性都有很大提高,已在航空发动机叶片中得到大量应用,铸造悖璗iAl 低压涡轮叶片在PW1000G、Leap-1B、Leap-1C 的用量预计达到120 万片,至2014 年PCC公司制造的Ti-Al 叶片年产量已达到4 万片[10]。

2 复合材料

复合材料具有比强度高、加工成形方便、抗腐蚀能力强等特点,利用其取代传统的钢、铝合金等材料制造武器装备结构件,可以在保证武器装备性能的同时,大大减轻装备的质量。目前国外大力发展的航天高性能复合材料主要包括树脂基复合材料、铝基复合材料和陶瓷基复合材料等。

2.1 树脂基复合材料

树脂基复合材料是以聚合物为基体,纤维为增强体复合而成[11]。因此,树脂基复合材料的用量已经成为衡量航空航天技术发展的重要标志。图3 为树脂基复合材料和轻质金属材料的比强度和比模量。

美国战斧巡航导弹大量采用了复合材料,如头锥采用了Kevlar /聚酰亚胺,雷达天线罩、进气道采用了玻璃纤维/环氧树脂,进气道整流罩采用了碳纤维/聚酰亚胺,尾翼采用了玻璃纤维/环氧树脂、Kevlar /环氧树脂,尾锥使用了玻璃粗纱/环氧树脂等。美国“侏儒”小型地对地洲际弹道导弹三级发动机燃烧室壳体由碳纤维/环氧树脂缠绕制作; 三叉戟( D-5) 第一、二级固体发动机壳体采用碳/环氧制作,其性能较Kevlar /环氧提高30%[12]。

热塑性树脂用作复合材料基体,在断裂韧性、冲击强度和吸湿等方面都优于热固性树脂基体,在耐高温、抗湿热、抗冲击、热稳定性、损伤容限等方面都大大优于环氧树脂系统,已成为复合材料树脂基体的发展趋势。近些年,由于纤维增强热塑性复合材料在生产方面取得了显着进步,极大降低了材料成本,提高了可用性,已在导弹弹体和发动机壳体设计和应用方面得到重视。美国陆军提出了要开发纤维增强热塑性复合材料导弹圆筒形接缝结构的熔接工艺、材料和分析技术,用于导弹发动机和弹体圆筒形接缝处的圆筒形接缝处的熔接。美国圣地亚哥复合材料公司设计了一种熔接机,可用于加工热塑性复合材料圆筒,应用于导弹结构件。

2.2 铝基复合材料

碳化硅/铝基复合材料的强度在碳化硅纤维含量较低时也远比超硬铝高。由于成本较铍材低得多,还可以替代铍材用作惯性器件,已被用于美国某导弹惯性制导系统和惯性测量单元。

美国哈勃太空望远镜的高增益天线杆结构采用P100 超高模量碳纤维( 40vol%) 增韧的6061 铝基复合材料[13],采用扩散粘接工艺制造,确保了太空机动飞行时天线的方位,它还由于具有良好的导电性能,从而提高了波导功能,保障了航天器和天线反射器之间的电信号传输,整个部件比碳/环氧材料轻63%。

2.3 陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料以其优异的耐高温性能、高温力学性能等成为热结构材料的候选,在导弹领域有着极为重要的应用前景。美国、法国等国家开展了深入研究,针对长期飞行和工作的导弹设计了带有冷却结构的C /SiC 复合材料夹层结构,并研制出带主动冷却结构的超燃冲压发动机燃烧室[14]。

目前,法国航空航天研究院已用纤维缠绕法生产出直径150 mm、长度100 mm 的筒形件及其他复杂形状构件。据称这种新材料制造成熟度已达到4 级。

试验件的初步试验表明,此材料能耐1 000℃高温,可满足“高超声速飞行器”计划试飞的第一阶段要求;第二阶段将把材料的耐热温度提高到2000℃以上,达到飞行速度超过8 马赫的要求。新型陶瓷基复合材料的问世,为导弹及航天飞行器材料提高高温强度、韧性、抗氧化性和显着降低成本提供了新的可能。

复合材料历经多年发展,配套技术已经趋于成熟,现还需加强以下方面研究:

(1)研发新型低成本轻量化复合材料;(2)开展智能化复合材料制备技术;(3)增强微纳米复合材料技术的发展。

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3 特种功能材料

为满足载人飞船的返回舱、重复使用的运载器( 如航天飞机) 、洲际导弹等再入大气层时对防热与隔热的要求,以及保障低轨道航天器的空间防护,国外航天领域积极研发和应用特种功能材料。

3.1 高温合金材料

高温合金是航空航天发动机部件的重要材料[15]。传统高温合金已经接近其使用温度上限,无法通过调整成分比例来进一步提高使用温度,只能求助于新型工艺途径,如定向凝固高温合金等( 图4) 。

美国NASA 马歇尔空间飞行中心研发出弥散强化的钼-铼合金,采用真空等离子喷涂制造耐高温部件。与其他同等的非弥散强化的钼-铼合金相比,研发出的合金高温性能得到提高。

美国DARPA 授予奎斯塔克公司“小企业创新研究计划”项目,应用该公司的材料设计技术,研发具有更大延展性、抗氧化性和1 300℃以上蠕变性能优异的钼基合金。公司计划开发基于传统多组分热力学和灵活性数据库的程序结构和结构性能模型,并利用这些工具和模型来设计可通过传统工艺制造的先进钼基合金。改进的钼基合金可望用于下一代运载火箭部件。

3.2 多层隔热材料

多层隔热材料是通过减少热辐射的传递来隔热,其原理见图5[16]。

美国NASA 戈达德航天中心开发出用于微流星体防护的气凝胶基多层隔热材料[17]。这种材料是将超低密度、高疏水性、纤维增强气凝胶材料( 2.5 ~ 3. 8cm 厚的气凝胶层) 集成到多层隔热材料上,形成一体化的隔热材料。气凝胶层具有高的抗压强度,可抵抗高速冲击; 多层隔热材料具有非常有效的隔热性能,二者集合在一起,使得这种一体化的隔热材料具有卓越的热性能和显着的坚固性,从而实现真正的微流星体防护。

多层隔热材料的缺点就是成本过高,还需要降低其成本进行推广应用。

3.3 热防护材料

热防护材料是保护飞行器免受高速飞行时热环境伤害的重要组成部分。

1960 年开始,美国研制出了一系列陶瓷隔热瓦。

这是美国高超声速飞行器的隔热结构设计过程中重要的候选材料。欧洲的超高声速飞行器也采用了类似隔热瓦的技术,如德国采用多孔纳米材料作为隔热层,俄罗斯采用玻璃纤维作为巡航导弹的热防护材料。

近年来,法国空客防务与航天公司( ADS) 完成了欧洲Exo Mars 任务所需的两个热防护罩的建造[18]。

该舱拥有前后两个热防护罩,其中前热防护罩直径为2.4 m,质量为80 kg,由覆盖90 片防热瓦的碳夹层结构组成,在进入大气层阶段将承受1 850℃以上的高温; 后热防护罩质量仅为20 kg,由固定在碳结构上的12 种不同型号的93 片防热瓦构成,并包含一个下降阶段展开的降落伞。探测器的科学仪器集成在前热防护罩中,在发射准备的最终组装前完成后热防护罩的装配。公司曾成功研制“惠更斯”探测器所用的热防护罩,目前正在研究下一代热防护材料和系统,用于外星球或空间站的样品返回。

超高速飞行器需要承受进入大气层时超过2000℃的高温,而超高温陶瓷的熔点在3 000℃以上,是理想的候选材料。英国伦敦帝国理工学院先进结构陶瓷中心研究人员不但对超高温陶瓷进行了航天领域的适用性试验,还探索了不同添加剂对材料性能提高的可行性,发现HfC 可作为保护超高速飞行器的热防护材料。

随着飞行器飞行速度的提高,对热防护材料性能的需求也日益提高,热防护材料需要在以下方向加强研究。

(1)可重复使用的耐高温热防护材料热防护材料除了耐高温之外,还需要增加反复承受高速飞行时环境伤害的能力,进而降低成本。

(2)超高温热防护材料飞行器在高速飞行中,局部温度非常高,此处使用的热防护材料应具有耐超高温、高效隔热等特点。

3.4 微流星体轨道碎片防护材料

流星体是指存在于太阳系内高速运转的固体颗粒。而碎片是指宇宙空间中除正在工作的飞行器以外的人造物体。航天飞行器在这样的环境中运行,损伤难以忽视,如图6 所示[19]。因此,碎片问题不仅是设计和发射航天器时必须考虑的一个因素,也是维护空间环境安全的一个重要方面[20]。

美国NASA 喷气推进实验室研制出可用于航天器微流星体轨道碎片防护的新型金属合金如块状玻璃合金( BMG,也称非晶态合金) 及其复合材料[21]。

BMG 不但具有极高的强度和硬度、较低的密度,还易于成形。用柔性结晶相增强的BMG 基复合材料,不仅保留了BMG 的高硬度(比铝合金硬6 倍) 、较低密度(是铝合金密度的1/2 倍) 、低熔化温度(与铝合金相同) 等性能,使得采用BMG 作为航天器的防护屏,可有效地气化撞击进来的碎片,同时确保被撞击的局部防护屏易熔化或气化,从而阻止固体碎片撞击到航天器外壁。利用速度达7 km/s 的铝弹丸对新防护屏和国际空间站现役防护屏( Kevlar 纤维制造) 进行比较,测试结果表明,新防护屏比传统防护屏能更有效减缓来自铝弹丸的冲击力。BMG 及其复合材料能支撑大型薄板和面板,且具有极好的力学性能,有望成为未来航天器微流星体轨道碎片防护的优选材料。

4 石墨烯材料

石墨烯微观结构是碳原子组成的二维蜂窝网格( 图7) [22],单层石墨烯材料只有一个碳原子直径厚( 0.335 nm) 兼具半导体和金属属性。

主要特性有: 良好的电学性能,室温下电子迁移率是硅的100 倍,比表面积可达2 630 m2 /g; 较好的力学性能,材料结构稳定,抗拉强度125 GPa,是钢的100 倍以上; 突出的热学性能,热导率达5.3 kW/( m·K) ; 优异的光学性能,单层石墨烯的可见光透光率达97.7%。石墨烯材料可应用于军用电子系统、能源、防护、后勤保障、隐身系统等领域,推动航天武器装备发展实现重大创新。

4.1 军用电子系统用石墨烯

石墨烯电路具有更高的工作频率,可以替代现有的半导体电路。2012 年, IBM 公司研制出截止工作频率300 GHz 的石墨烯场效应晶体管[22],比同尺寸硅场效应晶体管高7.5 倍,改进后有望突破1 THz。

波兰DCD 公司2012 年开发出世界首款石墨烯处理器,电子在处理器中的运动速度接近光速,功耗比同类硅产品降低90%。这两项新突破将对高速集成电路、高性能计算机、军用雷达等发展产生重要推动作用。

2013 年,美国西北大学研发出高导电性石墨烯柔性电极[23],可用于生产大幅面、可折叠精密显示设备。应用该技术制造的军用电子地图等显示设备将更加轻质、便携。2015 年,美国莱斯大学的研究人员采用一种“激光诱导石墨烯”( LIG) 的方法诱导石墨烯生产,用于柔性电容器的生产。上述材料可望用于航天电子系统中。

4.2 高功率武器装备用石墨烯

石墨烯巨大的比表面积使其成为高功率激光器的核心材料,也可用于制造容量大、充放电迅速的超级电容和电池,解决电磁导轨炮、定向能武器等储能需求高、充放电速度快的技术难题。2013 年,美国莱斯大学制造高比容微型石墨烯锂电池[22],比容达到204 mA·h /g,厚度仅0.01 靘,充放电时间20 s,试验表明充放电1 000 次后,电容量仅损耗10%。2014 年11 月,美国莱斯大学科学家发明了一种新型的石墨烯/纳米管复合阴极,可使廉价柔性的染料敏化太阳能电池更实用化,光电转换能力提高了20%。2015年6 月,韩国三星公司通过将高结晶石墨烯的合成新方法应用到高容量硅阴极,发明了新型“高度结晶石墨烯编码的”硅阴极材料,大幅提升了锂离子电池的电容量。上述材料可望用于航天武器装备的超级电容和电池中。

4.3 军用防护材料用石墨烯

利用石墨烯超薄、超轻、超抗压特点制出的新型材料,可用于替换防弹衣中的芳纶等材料,在减轻质量的同时还能提高防护能力。实验证明,石墨烯承受子弹冲击的性能胜过钢铁和防弹衣材料。澳大利亚2012 年研发的石墨烯壳体材料较普通钢壳体减轻83%,而屈服强度提升12 倍。另外,石墨烯可用于制作超强耐腐涂层。美国布法罗大学同年研发出石墨烯涂料,钢材涂覆该材料后可浸泡在浓盐水中一个月不锈。上述材料可望用于航天武器装备的防护材料中。

4.4 战场后勤保障用石墨烯

石墨烯水净化设备具有低耗、高效的特点。2012年,美国MIT 通过采用石墨烯净化海水,实现了海水的快速净化。2013 年,美国洛马公司大力推进石墨烯海水净化系统研究,并计划年底完成样机测试。该系统的水净化速度比当前反渗透薄膜快数百倍。该技术一旦发展成熟并应用于航母、潜艇等大型海上作战平台,将可大幅减少平台淡水携带量,增加燃油及武器装备装载量,增强平台海上持续作战能力。

4.5 军事隐身系统用石墨烯

石墨烯材料良好的微波吸收特性使其在航天装备隐身方面也有巨大的潜力。2011 年,意大利萨皮恩扎大学通过试验证明石墨烯材料比传统吸波材料吸波频带更宽、吸收能力更强。此外,近年国外重点关注石墨烯复合材料热传导特性方面的应用,美国防先期研究计划局2012 年已完成石墨烯高分子聚合物为集成电路处理器芯片散热的试验,散热性能( 热导率) 提升22 倍。

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5 超材料

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目前,公认的超材料定义是: 对内部结构人工合理设计的,从而具有常规材料不具备的超常物理性能的材料。超材料是继高分子材料、纳米材料之后材料领域又一重大突破,将对世界科技发展产生重要影响,并有可能成为一种前途不可限量的新型材料。

发达国家高度重视超材料的研究并给予长期支持。美国军方确定超材料技术率先应用于最先进的军事装备。2012 年,美国国防部长办公室将超材料列为六大颠覆性基础研究领域之一,美国军方支持超过90 家企业进入超材料研究应用领域。日本政府也将超材料列入学术研究的重点,成立了各种超材料研究所,并表示在下一代战斗机中将使用超材料技术。

俄罗斯也将超材料技术列为下一代隐形战斗机的核心关键技术。在航天领域上逐步应用也是美国、日本、俄罗斯等国家开展超材料应用研究的拓展方向。

5.1 表面隐身用超材料

目前,超材料在可见光隐身、红外隐身和声波隐身方面均取得重大进展。在光隐身方面,2008 年美国加利福尼亚大学在美国国防部和能源部资助下,利用银和镁的氟化物以及纳米银线复合交替堆叠制造出一种“隐身斗篷”[24],可使自然界中的可见光和近红外光发生逆转。2012 年,俄罗斯和丹麦研究人员使用掺杂铝的氧化锌制备了在近红外波段隐身的新型铝: 氧化锌/氧化铝材料。在声波隐身方面,2014年,美国杜克大学研制出世界首个三维“隐身斗篷”[25],可以让声波轻易的绕过,这必将对隐身飞行器的开发产生巨大的推动作用。

5.2 雷达罩用超材料

军用飞机的天线罩除保护天线免受环境影响之外,还需要为天线提供隐身防护功能,免受敌方雷达的探测。传统透波材料制成的天线罩在增加厚度以满足耐压性能的同时,往往会因为热损耗和反射损耗等因素使天线的辐射方向图变差,降低天线的性能。

在雷达罩中引入超材料覆层,可以不改变雷达罩外形,促使电磁波只能在垂直方向附近的小角度内传播,其他方向的传播被限制。2008 年,法国科学家设计了一种开口环共振器结构的超材料雷达罩,操作频率为2.17 MHz,增益提高了3.4 dB,方向性提高了2.9dB。2012 年,美国国防部通过中小企业技术转移项目资助纳米声学有限公司开展有关E-2 预警机大型雷达罩材料的研究,目的是利用超材料技术解决E-2原天线罩存在的结构肋条导致天线图产生偏差的问题,取得了较好的效果[26]。

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