三大复合材料体系铸就现代航空的创新

航空航天工业中，航天器的制造，需要对飞行过程中自然力对材料的影响，有敏锐的理解。

GE 陶瓷基复合材料

在地球表面，就人类对元素的理解而言，生命是相当有序的，但在太空中，温度波动、辐射和化学相互作用都可能对用于建造航天器的材料的弹性产生巨大影响。

在选择航天器材料时，除了环境因素外，还必须考虑重量、质量、重力和能源使用等因素。就像传统飞机一样，航天飞行器必须保持重量平衡，才能安全地获得升力并保持飞行。

在轨道运行时，航天器的质量会影响其使用推力和保持导航矢量的能力。因为重量（Weight）和质量（Mass）在设计中经常是相关的，所以在选择航天器的材料时必须考虑这两个因素。

为了解决上述挑战，复合材料通常用于制造航空航天飞行器。与传统的航空合金相比，航空复合材料具有许多优点，但这些优点的价值取决于飞行器的类型和任务。

复合材料飞机通常更轻，因为它是由塑料和碳纤维等材料制成的。这些复合材料制造的飞机既轻又耐用，还能抵抗极端温度的影响。

航空航天设计中的复合材料也可以采用单体壳成型，进一步减轻环境压力。

最初，20世纪50年代使用的复合材料利用了玻璃纤维与树脂一起排列在基体中的优势。这些设计被用于商用客机，但碳纤维很快成为更具性能的复合材料选材。

此外，碳纤维层压板已被用于制造飞机零件设计的三明治结构，如副翼和尾翼部件。芳香族聚酰胺纤维，也被称为芳纶纤维，也被用于航空航天设计中，因为这些纤维含有很强的耐热性能及拉伸强度。

如上所述，航空航天复合材料还必须能够处理极端的温度波动。在太空中，温度可以降到零下450华氏度（约232℃）以下。在重返地球大气层时，温度可飙升至华氏3000度（约1649℃）以上。

这意味着航空航天材料必须能够散热和抵御寒冷，同时屏蔽内部的乘员或有效载荷。复合材料已被证明在这些任务中是有效的，同时在高海拔的太空旅行和常规航空中保持抗强压力的弹性。

航天材料的重大创新

尽管复合材料已经超越了传统的单元素合金，但航空航天工业的工程师们一直在研究有望提供更好性能的新型合金材料。

铍是一种重量轻、强度高的化学元素，已与钛、铝等材料一起用于制造混合合金材料。

美国轻质材料制造创新研究所的产品“未来轻量化合金”也在推进用于航空航天设计的合金生产和着色等新技术。

该计划的重点是与航空航天工业的制造商和材料加工商合作，研发为飞行应用的新合金和混合材料。

“未来轻量化合金”计划的创新之处在于发现了对合金进行热处理以改善其性能的新方法。此外，合金的切割方式也会对其性能产生影响。

在切割航空航天材料时，表面完整性是一个重点，因为包含缺陷的小区域可能导致升空后灾难性的问题。此外，用于切割的工具和设备的磨损会导致成本增加和不一致的切割结果。

“未来轻量化合金”计划的目标之一，正是改进切削工艺，降低成本并提高表面完整性。