El progreso de los materiales aeroespaciales depende de los siguientes tres factores: ① Nuevos descubrimientos en las teorías de la ciencia de los materiales: como la teoría del fortalecimiento de la edad de las aleaciones de aluminio que conduce al desarrollo de aleaciones de aluminio duro; cadenas moleculares rígidas de materiales poliméricos que conducen al desarrollo de fibras orgánicas de aramida de alta resistencia y alto módulo. (2) Progreso en la tecnología de procesamiento de materiales: por ejemplo, la antigua tecnología de fundición y forjado se ha convertido en tecnología de solidificación direccional y tecnología de forjado de precisión, lo que hace que los materiales de cuchillas de alto rendimiento sean prácticos con el desarrollo del diseño y la tecnología de disposición de fibra reforzada compuesta; tiene Las propiedades óptimas en diferentes direcciones de tensión hacen que los materiales compuestos sean "diseñables" y abren amplias perspectivas para sus aplicaciones. Los logros de nuevas tecnologías como el prensado isostático en caliente (HIP) y la tecnología de fabricación de polvo ultrafino han creado una nueva generación de materiales y piezas aeroespaciales con propiedades completamente nuevas, como discos de turbina de pulvimetalurgia y piezas cerámicas de alto rendimiento. (3) Progreso en las pruebas de rendimiento de materiales y la tecnología de pruebas no destructivas: los instrumentos ópticos electrónicos modernos pueden observar la estructura molecular de los materiales, los dispositivos de prueba de propiedades mecánicas de los materiales ya pueden simular el espectro de carga de las aeronaves, y la tecnología de pruebas no destructivas también lo ha logrado; rápido progreso. Las pruebas de rendimiento de materiales y la tecnología de pruebas no destructivas están proporcionando información cada vez más detallada, proporcionando al diseño de aeronaves datos de rendimiento de materiales más cercanos a las condiciones de uso reales y brindando a la producción métodos de prueba para garantizar la calidad del producto. Un nuevo tipo de material aeroespacial sólo podrá aplicarse a las aeronaves cuando alcance una etapa de madurez en estos tres aspectos. Por ello, países de todo el mundo están dando prioridad a los materiales aeroespaciales. China estableció el Instituto de Materiales Aeroespaciales de Beijing y el Instituto de Tecnología de Materiales Aeroespaciales de Beijing en la década de 1950 para dedicarse a la investigación aplicada sobre materiales aeroespaciales.
Introducción La Revolución Industrial europea de la década de 1860 desarrolló enormemente la industria textil, la metalurgia y la fabricación de máquinas, poniendo así fin a la era en la que los humanos sólo podían utilizar materiales naturales para desafiar al cielo. En 1903, los hermanos Wright construyeron en Estados Unidos el primer avión equipado con un motor de pistón. Los materiales utilizados entonces eran madera (47), acero (35) y tela (18). La velocidad de vuelo del avión era de sólo 16 km/h. En 1906, los metalúrgicos alemanes inventaron el aluminio duro, que podía envejecerse y reforzarse. que permiten fabricar estructuras totalmente metálicas. La capacidad de carga de los aviones con estructura totalmente metálica que aparecieron en la década de 1940 ha mejorado enormemente, con velocidades de vuelo superiores a 600 km/h. Una serie de aleaciones de alta temperatura desarrolladas sobre la base de la teoría del fortalecimiento de las aleaciones han mejorado el rendimiento de los motores a reacción. El exitoso desarrollo y aplicación de aleaciones de titanio en la década de 1950 jugó un papel importante en la superación del problema de la "barrera térmica" de los revestimientos de las alas. El rendimiento del avión ha mejorado considerablemente, alcanzando la velocidad máxima de vuelo tres veces la velocidad del sonido. El cohete alemán V-2 que apareció a principios de los años 40 sólo utilizaba materiales de aviación ordinarios. Después de la década de 1950, surgió la teoría de la ablación de materiales y la protección térmica, y se desarrollaron con éxito materiales ablativos, resolviendo el problema de la protección térmica contra el reingreso de ojivas de misiles balísticos. Desde la década de 1960, con la mejora continua del rendimiento de los materiales aeroespaciales, algunas piezas de aviones han adoptado materiales compuestos más avanzados, como materiales compuestos de matriz de resina epoxi reforzada con fibra de carbono o fibra de boro y materiales compuestos de matriz metálica, para reducir el peso estructural. Las naves espaciales de reentrada y los transbordadores espaciales encontrarán un proceso de calentamiento aerodinámico al reingresar a la atmósfera. El tiempo de calentamiento es mucho más largo que el de las ojivas de misiles balísticos, pero la velocidad de calentamiento es lenta y el flujo de calor es pequeño. El problema de la protección térmica se puede resolver utilizando materiales especiales, como baldosas aislantes cerámicas compuestas de carbono y carbono, con mejor resistencia a la oxidación.
Los aviones clasificados se han convertido en productos mecánicos y electrónicos altamente integrados en la década de 1980. Requiere el uso de una amplia variedad de materiales estructurales con propiedades avanzadas y materiales funcionales con diversas propiedades como electricidad, luz, calor y magnetismo. Según los diferentes objetos de uso, los materiales aeroespaciales se pueden dividir en materiales para aviones, materiales para motores aeroespaciales, materiales para misiles y cohetes y materiales para naves espaciales.
Según la composición química del material, se puede dividir en materiales metálicos y aleaciones, materiales orgánicos no metálicos, materiales inorgánicos no metálicos y materiales compuestos.
Condiciones del material Muchas piezas fabricadas con materiales aeroespaciales a menudo necesitan funcionar en condiciones extremas, como temperaturas ultraaltas, temperaturas ultrabajas, alto vacío, alta tensión y fuerte corrosión. Algunos componentes están limitados por el peso y el espacio de alojamiento y necesitan completar funciones equivalentes en circunstancias normales con el volumen y la masa más pequeños. Algunas piezas necesitan funcionar en la atmósfera o el espacio exterior durante mucho tiempo y es imposible detenerse a revisarlas o reemplazarlas, por lo que deben tener una alta confiabilidad y garantía de calidad. Los diferentes entornos de trabajo requieren que los materiales aeroespaciales tengan características diferentes.
Los requisitos básicos para los materiales aeronáuticos con alta resistencia específica y rigidez específica son: materiales ligeros, alta resistencia y buena rigidez. Reducir el peso estructural de la propia aeronave significa aumentar la capacidad de carga, mejorar la maniobrabilidad, aumentar la distancia o alcance de vuelo y reducir el consumo de combustible o propulsor. La resistencia específica y la rigidez específica son parámetros importantes para medir las propiedades mecánicas de los materiales aeroespaciales;
Resistencia específica=/
Rigidez específica=/donde [kg2][kg2] es la resistencia de el material, el material, el módulo elástico y la gravedad específica del material.
Además de las cargas estáticas, los aviones también están sujetos a cargas alternas provocadas por el despegue y el aterrizaje, la vibración del motor, la rotación a alta velocidad de las piezas giratorias, las maniobras de vuelo, el viento repentino, etc. del material también se ve muy afectado.
El ambiente de alta temperatura que experimentan los aviones con excelente resistencia a altas y bajas temperaturas es causado por el calentamiento aerodinámico, el gas del motor y la radiación solar en el espacio. Los aviones tienen que volar en el aire durante mucho tiempo y algunos vuelan hasta tres veces la velocidad del sonido. Los materiales de alta temperatura utilizados deben tener buena resistencia a la durabilidad a alta temperatura, resistencia a la fluencia y resistencia a la fatiga térmica, tener alta resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión en caliente en aire y medios corrosivos, y deben tener estabilidad estructural para un funcionamiento a largo plazo a altas temperaturas. . La temperatura del gas del motor del cohete puede alcanzar más de 3000 [2oc] y la velocidad de inyección puede alcanzar más de diez Mach. Además, los gases sólidos de los cohetes se mezclan con partículas sólidas. Cuando la ojiva de un misil balístico vuelve a entrar en la atmósfera, su velocidad puede alcanzar más de Mach 20, su temperatura puede alcanzar decenas de miles de grados Celsius y, en ocasiones, es erosionada por nubes de partículas. Por lo tanto, el entorno de alta temperatura involucrado en el campo de la tecnología aeroespacial a menudo incluye flujo de aire de alta temperatura y alta velocidad y erosión de partículas. En tales condiciones, es necesario utilizar las propiedades físicas de los materiales, como el calor de fusión, el calor de vaporización, el calor de sublimación, el calor de descomposición, el calor de combinación y la viscosidad a alta temperatura, para diseñar materiales resistentes a altas temperaturas. Materiales de ablación y materiales de enfriamiento para cumplir con los requisitos de entornos de alta temperatura. La radiación solar provocará temperaturas superficiales alternas en los satélites y naves espaciales que operan en el espacio exterior, lo que generalmente se soluciona mediante revestimientos de control de temperatura y materiales de aislamiento térmico. La formación de un ambiente de baja temperatura proviene de la naturaleza y de los propulsores de baja temperatura. Cuando un avión vuela a velocidades subsónicas en la estratosfera, la temperatura de la superficie bajará a unos -50 [2oc]. El severo invierno en varias zonas del círculo polar hará que la temperatura ambiente del aeropuerto descienda por debajo de los -40 [2oc]. En este entorno, es necesario que las piezas metálicas o los neumáticos de caucho no sean frágiles. Los cohetes líquidos utilizan oxígeno líquido (punto de ebullición -183 [2oc]) e hidrógeno líquido (punto de ebullición -253 [2oc]) como propulsores, lo que impone condiciones ambientales más duras a los materiales. Algunos materiales metálicos y la mayoría de los materiales poliméricos se vuelven quebradizos en estas condiciones. Sólo desarrollando o seleccionando materiales apropiados, como aluminio puro y aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio, acero de baja temperatura, politetrafluoroetileno, poliimida, perfluoropoliéter, etc., se pueden resolver la capacidad de carga y los problemas de sellado de las estructuras a temperaturas ultrabajas. resuelto.
Resistencia al envejecimiento y resistencia a la corrosión: Los efectos de diversos medios y ambientes atmosféricos sobre los materiales son la corrosión y el envejecimiento. Los medios de contacto de los materiales aeroespaciales son combustible de aviación (como gasolina, queroseno), propulsor de cohetes (como ácido nítrico concentrado, tetróxido de dinitrógeno, hidracina), diversos lubricantes y aceite hidráulico. La mayoría tiene fuertes efectos de corrosión o expansión en materiales metálicos y no metálicos. Cuando los materiales poliméricos se exponen a la luz solar, el viento y la erosión de la lluvia en la atmósfera, o se almacenan bajo tierra en ambientes húmedos durante mucho tiempo, el moho producido acelerará el proceso de envejecimiento de los materiales poliméricos. La resistencia a la corrosión, al envejecimiento y al moho son buenas propiedades que deben tener los materiales aeroespaciales.
Adaptarse al entorno espacial. El impacto del entorno espacial sobre los materiales se refleja principalmente en el alto vacío (1,33×10[55-1]Pa) y la irradiación de rayos cósmicos.
Cuando los materiales metálicos entran en contacto entre sí en alto vacío, dado que la superficie se purifica en un ambiente de alto vacío, el proceso de difusión molecular se acelera y se produce un fenómeno de "soldadura en frío" que acelerará la volatilización y el envejecimiento de los materiales no metálicos; Alto vacío e irradiación de rayos cósmicos. A veces, este fenómeno puede contaminar las lentes ópticas debido a la deposición volátil y la estructura de sellado puede fallar debido al envejecimiento. Los materiales espaciales generalmente se seleccionan y desarrollan mediante pruebas de simulación terrestre para adaptarse al entorno espacial.
Vida útil y seguridad Para reducir el peso estructural de la aeronave, se considera que el objetivo del diseño de la aeronave es elegir el margen de seguridad más pequeño posible para lograr una vida útil absolutamente confiable. En el caso de vehículos de vida corta, como misiles o vehículos de lanzamiento, se hacen esfuerzos para maximizar el rendimiento del material. Para aprovechar al máximo la resistencia del material y garantizar la seguridad, los materiales metálicos adoptan el "principio de diseño de tolerancia al daño". Esto requiere que el material no sólo tenga una alta resistencia específica, sino también una alta tenacidad a la fractura. En condiciones de uso simuladas, se miden los datos de vida de inicio de grieta y tasa de expansión de grieta del material, y se calcula la longitud de grieta permitida y la vida correspondiente, lo cual es una base importante para el diseño, la producción y el uso. Para los materiales orgánicos no metálicos, se requieren pruebas de envejecimiento natural y envejecimiento artificial acelerado para determinar el período de seguro de su vida útil. Los modos de falla, la longevidad y la seguridad de los materiales compuestos también son un tema de investigación importante.