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神州十六号飞船成功发射细数航空航天发动机用的前沿材料

来源：新材料在线|

发表时间：2023-05-30

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5月30日，搭载神舟十六号载人飞船的长征二号F遥十六运载火箭在酒泉卫星发射中心发射升空。

据了解，此次任务是载人航天工程今年第二次飞行任务，也是空间站应用与发展阶段首个载人飞行任务，将驻留约5个月，开展空间科学与应用载荷在轨实（试）验，实施航天员出舱活动及货物气闸舱出舱，进行舱外载荷安装及空间站维护维修等任务。

神舟十六号飞行任务期间，将迎来2次对接和撤离返回，即神舟十五号载人飞船返回、天舟五号货运飞船的再对接和撤离以及神舟十七号载人飞船对接；将开展电推进气瓶安装、舱外相机抬升等平台照料工作；将完成辐射生物学暴露实验装置、元器件与组件舱外通用试验装置等舱外应用设施的安装，按计划开展多领域大规模在轨实（试）验，有望在新奇量子现象研究、高精度空间时频系统等方面产出高水平科学成果，还将开展天宫课堂太空授课活动。

回首中国航天事业从无到有、从小到大，已经走过整整六十七个年头。

六十七年来的重大事件，若只是简单将其缩影，它可以只是一段文字亦或者一张图片，但航天人勇攀天地之梯的接力，如同圣火传递，在一代一代的传承着，材料人亦是其中重要的一环。

纵观航空航天技术发展史，屡见新材料应用或技术突破带来的重大进步。借神州十六号飞天之际，新材料在线^®为大家总结了航空航天发动机用材料、近10余年与新材料紧密相关的航空航天技术突破、我国材料人为航空航天国之重器书写过的精彩篇章。

01-揭秘航空航天发动机用材料

在航空航天领域，发动机是重点，也是工业基础和技术水平的体现。

合金

1、铝合金

铝合金具有比模量与比强度高、耐腐蚀性能好、加工性能好、成本低廉等突出优点，因此被认为是航空航天工业中用量最起着至关重要的作用。

主要应用位置：发动机舱、舱体结构、承载壁板、梁、仪器安装框架、燃料储箱等。

2、钛合金

与铝、镁、钢等金属材料相比，钛合金具有比强度很高、抗腐蚀性能良好、抗疲劳性能良好、热导率和线膨胀系数小等优点，可以在350~450℃以下长期使用，低温可使用到-196℃。

主要应用位置：航空发动机的压气机叶片、机匣、发动机舱和隔热板等。

3、超高强度钢

超高强度钢具有很高的抗拉强度和足够的韧性，并且有良好的焊接性和成形性。

主要应用位置：航天发动机壳体、发动机喷管、轴承和传动齿轮。

4、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。

主要应用位置：航天发动机机匣、齿轮箱等。

复合材料

航空发动机的发展之快，尤其是越来越严苛的温度和重量要求，渐进提高的传统材料已然不能满足，转而呼唤材料科学开辟新的体系，那就是复合材料。根据复合材料各自的特点，可用于发动机不同的零部件上。

1、碳碳复合材料

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。是近年来最受重视的一种更耐高温的新材料。最显著的优点是耐高温（大约2200℃）和低密度，可使发动机大幅度减重，以提高推重比。

主要应用位置：碳碳复合材料如果能够解决表面以及界面在中温时的氧化问题，并能在制备时提高致密化速度，并降低成本，则有望在航空发动机中得到大量的实际应用。

目前已有部分应用，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。

2、陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料（CMC）由于其本身耐温高、密度低的优势，在航空发动机上的应用呈现出从低温向高温、从冷端向热端部件、从静子向转子的发展趋势。

CMC材料具有耐温高、密度低、类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感、不发生灾难性损毁等优异性能，有望取代高温合金满足热端部件在更高温度环境下的使用，不仅有利于大幅减重，而且还可以节约甚至无须冷气，从而提高总压比，实现在高温合金耐温基础上进一步提升工作温度400～500℃，结构减重50%～70%，成为航空发动机升级换代的关键热结构用材。

主要应用位置：短期目标为尾喷管、火焰稳定器、涡轮罩环等；中期目标是应用在低压涡轮叶片、燃烧室、内锥体等；远期目标锁定在高压涡轮叶片、高压压气机和导向叶片等应用。

3、树脂基复合材料

先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强体、高性能树脂为基体的复合材料。与传统的钢、铝合金结构材料相比,它的密度约为钢的1/5,铝合金的1/2,且比强度与比模量远高于后二者。

主要应用位置：航空发动机冷端部件(风扇机匣、压气机叶片、进气机匣等)和发动机短舱、反推力装置等部件上得到广泛应用。

4、金属基复合材料

金属基复合材料主要是指以Al、Mg等轻金属为基体的复合材料。在航空和宇航方面主要用它来代替轻但有毒的铍。这类材料具有优良的横向性能、低消耗和优良的可加工性,已成为在许多应用领域最具商业吸引力的材料,并且在国外已实现商品化。

主要应用位置：适合用作发动机的中温段部件。

02-“料要成材，材要成器，器要好用”

在过去的10余年间，航空航天技术取得了长足的进步，新技术总是不断涌现，其中屡屡出现新材料的身影。

焦点一：增材制造技术突飞猛进

尽管增材制造不是十年来的新事物，但在过去的十年中，增材制造应用领域迅速上升。增材制造通过形成成百上千个层来“印刷”三维零件，从而完成了航空航天零部件的制造。

在2000年代，增材制造是一种新颖的技术。但是，随着技术的进步，增材制造现已用于使用包括金属和聚合物在内的多种材料来制造航空航天零部件。增材制造使工程师和航空航天制造商可以创建极其复杂的零件，而这些零件可能无法通过传统的减法方法来制造。使用增材制造工艺制造的这些复杂零件可以减轻重量，提高性能并提高发动机的燃油效率。

焦点二：碳纤维、石墨烯等新材料大量应用

在过去的十年中，航空航天业采用了几种新材料，这些新材料正在改变航空航天船的设计方式。在过去的几年中，航空研究人员和制造商越来越多地朝着复合材料的方向发展。

波音公司发布了787 Dreamliner飞机，彻底改变了商用飞机。该飞机的机体由大约50％的碳纤维和其他复合材料组成。像787 Dreamliner所使用的复合材料，以及在其他飞机制造商和模型中使用的复合材料在某些情况下，与由不锈钢、铝和钛制成的传统部件相比，具有更大的优势。这些优点包括减轻重量、改善的耐腐蚀性和在某些情况下改善的机械性能。

航空航天材料领域的另一个令人振奋的新发展是使用石墨烯等纳米材料。石墨烯是一种极薄的材料，可用作其他材料的涂层，具有出色的耐腐蚀性和导电性。石墨烯在航空航天工业中的潜在应用包括可大大改善电气设备使用寿命的电气部件涂料和可用于通过电传输快速为飞机和其他航空航天器除冰的翼型涂料。