從蒙布到先進複合材料，回顧航空航天材料發展的漫長徵程

航空航天材料是指飛行器及其動力裝置、附件、儀表所用的各類材料，是航空航天工程技術發展的決定性因素之一。航空航天材料科學是材料科學中富有開拓性的一個分支。

當代飛行器設計層出不窮，材料科學也不斷迎來新的挑戰。各種新材料的出現也影響著未來飛行器的設計方向。材料學與飛行器設計相互影響發展，共同進步。

本文重點

1-航空航天材料的技術進展

2-航空航天材料的發展史

3-航空航天採用的幾種主流結構材料

4-航空航天材料的發展的幾大方向

01 航空航天材料的技術進展

材料科學理論的新發現

• 鋁合金的時效強化理論導致硬鋁的發展
• 高分子材料剛性分子鏈的定向排列理論導致高強度
• 高模量芳綸有機纖維的發展。

材料加工工藝的進展

• 古老的鑄、鍛技術已發展成為定向凝固技術、精密鍛造技術，從而使得高性能的葉片材料得到實際應用。
• 複合材料增強纖維鋪層設計和工藝技術的發展，使它在不同的受力方向上具有最優特性，從而使複合材料具有「可設計性」，並為它的應用開拓了廣闊的前景。
• 熱等靜壓技術、超細粉末製造技術等新型工藝技術成功創造出具有嶄新性能的航空航天材料和製件，如熱等靜壓技術製造的粉末冶金渦輪盤、高效能陶瓷製件等。

材料性能測試與無損檢測技術的進步

• 現代電子光學儀器可以觀察到材料的分子結構
• 材料機械性能的測試裝置可以模擬飛行器的載荷譜
• 無損檢測技術飛速進步

航空航天材料的發展史

18世紀60年代 工業革命 1.0

機械製造時代

英國人瓦特改良蒸汽機之後，手工勞動向動力機器生產轉變。一般認為，蒸汽機、煤、鐵和鋼是促成工業革命技術加速發展的四項主要因素。

19世紀初 工業革命 2.0

1903年，美國萊特兄弟製造出人類歷史上第一架飛機——「飛行者1號」。

這是一架裝有活塞式航空發動機的飛機，當時使用的材料有木材(佔47%)，鋼（佔35%）和布（佔18%）,飛機的飛行速度只有16公裡/時。

40年代 全金屬結構飛機的承載能力已大大增加，飛行速度超過了600公裡/時。在合金強化理論的基礎上發展起來的一系列高溫合金使得噴氣式發動機的性能得以不斷提高。

50年代 鈦合金的研製成功和應用對克服機翼蒙皮的「熱障」問題起了重大作用，飛機的性能大幅度提高，最大飛行速度達到了3倍音速。

50年代以後 材料燒蝕防熱理論的出現以及燒蝕材料的研製成功，解決了彈道飛彈彈頭的再入防熱問題。

19世紀中期

德國 V-2火箭

19世紀後期 工業革命 3.0

60年代後 航空航天材料性能的不斷提高，一些飛行器部件使用了更先進的複合材料，如碳纖維或硼纖維增強的環氧樹脂基複合材料、金屬基複合材料等，以減輕結構重量。

80年代 飛行器已經發展為機械加電子的高度一體化的產品。使用品種繁多的、具有先進性能的結構材料和具有電、光、熱和磁等多種性能的功能材料。

航空航天採用的幾種主流結構材料

目前，航空器上使用的材料主要有鋁合金、鎂合金、鈦合金和高溫合金，超高強度鋼和複合材料，其中鋁合金材料佔飛機用料50%--70%左右，鎂合金材料佔飛機用料5%--10%左右，現代化的飛機，鈦合金的用量比重越來越大，而高溫合金則用於飛機發動機。

鋁合金

優點：鋁合金密度低、耐腐蝕性能好，且具有較高的比強度、比剛度，容易加工成型。

種類：

• 硬鋁：鋁鎂銅合金。航空業應用較廣泛的鋁合金。常用2024、2A12、2017A，強度、韌性、抗疲勞性較好，塑性好。用來製造蒙皮、隔框、翼肋等。

• 超硬鋁：鋁鋅鎂銅合金。常用7075、7A09，強度極限和屈服強度高，承受載荷大，用來製造機翼上翼面蒙皮、大梁等。

• 防鏽鋁合金：常用鋁鎂合金5A02、5A06、5B05。具有較高的抗蝕性、抗疲勞性、良好的塑性、焊接性。用來製造油箱、油管等。

• 鍛造鋁合金，常用6A02，硬度高，具有良好的耐腐蝕性。製造發動機零件、接頭等。

• 鑄造鋁合金，比重小，抗蝕性、耐熱性高，製造發動機機匣等。

航空航天鋁材主要應用在翼面蒙皮、翼面長桁、翼梁上下緣條、腹板、機身長桁、座椅滑軌、龍骨梁、側框、機身蒙皮、機身下部壁板、主地板桁條等部位。

鋁合金及鋁具有強度適中及密度小，易加工及抗腐性強，資源豐富可回收利用等諸多特性，鋁是航空工業製造中重要的金屬材料之一，鋁合金與鋼強度相似，密度低，在同樣強度水平下提供截面更厚材料，抗彎曲及受壓能力強，是飛機製造經典材料。

高強度鋁合金材製成的擠壓型材及板材佔飛機總鋁材用量的30%-35%。

據分析預測，全球航空客運量2014-2023年之間，年均增長率達4.7%，新增客貨飛機將達19000架，低燃油客貨飛機約12400架將要退役，由新飛機替代，全球新增寬體客貨飛機市場需求約達9300架，按飛機數佔同期新飛機總量30%。據我國航空工業集團公司的預測，到2025年，我國航空運輸飛機擁有量將達3900架，其中，2000架大型客機。

據靈核網發布的《2019-2024年中國航空鋁材行業現狀分析及前景發展投資調研報告》數據顯示，2012年我國航空鋁材市場規模13.31萬噸，同比增長4%，到2017年航空鋁材市場規模達到了19.9萬噸，同比增長了8.2%。

我國航空製造業進入高速發展期，目前私家飛機以及民用航空與大飛機生產逐年增多，航空鋁材近幾年市場規模將越來越大。

鎂合金

優點：鎂合金是最輕的金屬結構材料，鎂合金具有高的比強度和比剛度、高阻尼、電磁屏蔽、良好的尺寸穩定性、導熱導電性，以及優異的鑄造、切削加工性能和易回收利用等優點

種類：

• 高強鑄造鎂合金：鑄造鎂合金具有優良的鑄造性能和切削加工性能，常用於航空發動機、直升機傳動系統等的機匣及殼體類零部件，能夠很好地滿足零件對材料的性能要求。這類鎂合金主要是通過不同的液態成形方法鑄造而成，包括Mg-Al 系、Mg-Zn 系和Mg-ＲE 系等。

• 高強變形鎂合金：變形鎂合金的強度和延伸率一般優於鑄造鎂合金，這是由於鎂合金經熱變形後，組織得到細化，成分更均勻，內部更緻密。因此航空太空飛行器特別是飛彈、衛星以及太空梭大量應用變形鎂合金。該類合金成分同樣包括Mg-Al 系、Mg-Zn 系和Mg-ＲE 系等。

• 高阻尼鎂合金：高阻尼鎂合金的開發和應用是防振減噪的有效措施之一。純鎂及其合金的阻尼機制屬於缺陷阻尼的位錯阻尼，其內耗可以分為阻尼共振型和靜滯後型兩類。工程上應用的高阻尼主要是利用與振幅有關，與頻率無關的靜滯後型。目前主要通過合金化、變形工藝改性、對現有高強鎂合金進行改性等方法開發高強度阻尼鎂合金。

• 高溫鎂合金：傳統高溫鑄造鎂合金主要發展了Mg-Al-Zn-Ca、Mg-Al-Si、Mg-AL-ＲE、Mg-Zn-Cu 系合金及稀土鎂合金，這些合金性能穩定，在高溫時蠕變性能好。

鎂合金在航空航天領域的應用具有重要意義。載荷質量每減輕1 kg，整個運載火箭的起飛質量就可減輕50 kg，地面設備的結構質量就可減輕100 kg; 戰鬥機質量若減輕15%，則可縮短飛機滑跑距離15%，增加航程20%，提高有效載荷30%; 噴氣發動機結構減重1 kg，飛機結構可減重4 kg，升限高度可提高10 m。

鎂合金在潮溼空氣中容易氧化和腐蝕，因此零件使用前，表面需要經過化學處理或塗漆。德國首先生產並在飛機上使用含鋁的鎂合金。鎂合金具有較高的抗振能力，在受衝擊載荷時能吸收較大的能量，還有良好的吸熱性能，因而是製造飛機輪轂的理想材料。鎂合金在汽油、煤油和潤滑油中很穩定，適於製造發動機齒輪機匣、油泵和油管，又因在旋轉和往復運動中產生的慣性力較小而被用來製造搖臂、襟翼、艙門和舵面等活動零件。民用機和軍用飛機、尤其是轟炸機廣泛使用鎂合金製品。例如，B-52轟炸機的機身部分就使用了鎂合金板材635公斤，擠壓件90公斤，鑄件超過200公斤。鎂合金也用於飛彈和衛星上的一些部件，如中國「紅旗」地空飛彈的儀表艙、尾艙和發動機支架等都使用了鎂合金。中國稀土資源豐富，已於70年代研製出加釔鎂合金，提高了室溫強度，能在300°C下長期使用，已在航空航天工業中推廣應用。

目前，鎂合金材料在航空領域的應用主要包括：飛機框架、座椅、發動機機匣、齒輪箱等。2010年，美國聯邦航空管理局針對用AZ31、WE43等製造的鎂合金飛機座椅，開展了大量的整機可燃性試驗，比較了這兩種鎂合金的可燃性、燃燒持續時間等性能。

輕量化勢必成為航空航天製造業的主流，具有輕質高強的新型鎂合金材料在航空航天領域的應用將越來越廣泛。

鈦合金

優點：鈦及鈦合金材料密度低、比強度高（目前金屬材料中最高）、耐腐蝕、耐高溫、無磁、組織性能和穩定性好，可以與複合材料結構直接連接，而且兩者之間的熱膨脹係數相近，不易產生電化學腐蝕，具有優良的綜合性能。

種類：

• α鈦合金：它是α相固溶體組成的單相合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實際應用溫度下，均是α相，組織穩定，耐磨性高於純鈦，抗氧化能力強。在500℃～600℃的溫度下，仍保持其強度和抗蠕變性能，但不能進行熱處理強化，室溫強度不高。

• β鈦合金：它是β相固溶體組成的單相合金， 未熱處理即具有較高的強度，淬火、時效後合金得到進一步強化，室溫強度可達1372～1666 MPa；但熱穩定性較差，不宜在高溫下使用。

• α+β鈦合金：它是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進行熱壓力加工，能進行淬火、時效使合金強化。熱處理後的強度約比退火狀態提高50%～100%；高溫強度高，可在400℃～500℃的溫度下長期工作，其熱穩定性次於α鈦合金。

目前，航空工業的鈦材用量佔世界鈦材市場總量一半以上，是實至名歸的航空材料。

20世紀50年代以來，隨著航空航天工業的快速發展，鈦合金材料及其應用得到了極大發展。1953年首飛的道格拉斯DC-7飛機，首次將鈦合金應用在發動機艙和隔熱板的設計中。1964年，首個「全鈦」高空高速戰略偵察機SR-71「黑鳥」首飛，鈦合金用量達到了飛機結構總重量的93%。

鈦合金的用量常被當作衡量飛機選材先進程度和航空工業發展水平的指標，與飛機作戰能力密切相關。美國F-15飛機結構鈦合金重量佔比約26%，第四代戰鬥機F-22飛機結構鈦合金重量佔比則高達38.8%。F15飛機配備的F100-PW100渦輪風扇發動機鈦用量為25%～30%，F-22的V2500發動機鈦用量提高到了31%。

鈦合金在航空工業上的應用分為飛機結構鈦合金和發動機結構鈦合金。航天方面，鈦合金主要作為火箭、飛彈及宇宙飛船等的結構、容器製造材料。飛機結構鈦合金使用溫度要求一般為350℃以下，要求具有高的比強度、良好的韌性、優異的抗疲勞性能、良好的焊接工藝性能等。發動機用鈦合金要求具有高的比強度、熱穩定性好、抗氧化、抗蠕變等性能。航天飛行器除航空用鈦合金的性能需求外，還要求能夠耐高溫、抗輻射等。

飛機鈦合金結構件主要應用部位有起落架部件、框、梁、機身蒙皮、隔熱罩等。俄羅斯的伊爾-76飛機採用高強度BT22鈦合金製造起落架和承力梁等關鍵部件。波音747主起落架傳動橫梁材料為Ti-6Al-4V，鍛件長6.20米、寬0.95米，質量達1545千克。高強高韌Ti-62222S鈦合金被用在C-17飛機水平安定面轉軸關鍵部位。F-22飛機發動機所處的後機身區域及機尾隔熱罩設計為鈦合金薄壁結構，具備良好的耐溫性能。

航空發動機方面，鈦合金材料的應用領域有壓氣機盤、葉片、鼓筒、高壓壓氣機轉子、壓氣機機匣等。現代渦輪發動機結構重量的30%左右為採用鈦合金材料製造，鈦合金的應用降低了壓縮機葉片和風扇葉片的質量，同時還延長了零部件的壽命與檢查間隔。波音747-8GENX發動機風扇葉片的前緣與尖部，採用了鈦合金防護套，在10年的服役期內僅做過3次更換。

未來航空飛行器對鈦合金的需求應該是兼具更高強度、更高韌性、更高損傷性能、更高耐高溫性能等。鈦合金材料應用發展方向將是：新型高超強度結構鈦合金、高性能的損傷容限型鈦合金、低成本抗疲勞鈦合金、新型高溫結構鈦合金、先進TiAl基材料、鈦基複合材料等方面。

高溫合金

優點：具有較高的高溫強度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能。高溫合金為單一奧氏體組織，在各種溫度下具有良好的組織穩定性和使用可靠性。

按基體元素種類：

• 鐵基高溫合金：又可稱作耐熱合金鋼。 它的基體是Fe 元素，加入少量的Ni、Cr 等合金元素，耐熱合金鋼按其正火要求可分為馬氏體、奧氏體、珠光體、鐵素體耐熱鋼等。

• 鎳基高溫合金：鎳基高溫合金的含鎳量在一半以上，適用於1000℃以上的工作條件，採用固溶、時效的加工過程，可以使抗蠕變性能和抗壓抗屈服強度大幅提升。

• 鈷基高溫合金：鈷基高溫合金是以鈷為基體，鈷含量大約佔60%，同時需要加入Cr、Ni 等元素來提升高溫合金的耐熱性能，雖然這種高溫合金耐熱性能較好，但由於各個國家鈷資源產量比較少，加工比較困難，因此用量不多。通常用於高溫條件( 600 ～ 1 000℃) 和較長時間受極限複雜應力高溫零部件，例如航空發動機的工作葉片、渦輪盤、燃燒室熱端部件和航天發動機等。為了獲得更優良的耐熱性能，一般條件下要在製備時添加元素如W、MO、Ti、Al、Co，以保證其優越的抗熱抗疲勞性。

高溫合金是為了滿足噴氣發動機對材料的苛刻要求而研製的，至今已成為軍用和民用燃氣渦輪發動機熱端部件不可替代的一類關鍵材料。在先進的航空發動機中，高溫合金用量所佔比例已高達50%以上。

高溫合金主要應用在航空發動機方面，高溫合金材料的用量佔發動機總重量的40%-60%，主要分布在：燃燒室、導向器、渦輪葉片和渦輪盤。而航空航天產業屬於國家戰略性先導產業。高溫合金的發展與航空發動機的技術進步密切相關，尤其是發動機熱端部件渦輪盤、渦輪葉片材料和製造工藝是發動機發展的重要標誌。

目前，全球航空航天市場總額已高達數千億美元，並且正以每年10%左右的速度穩步增長。我國航空發動機的製造成本佔整機製造的25%左右，航空發動機中原材料成本佔比約為50%，高溫合金為原材料主要構成，約佔原材料成本的36%。

根據中國機械工業聯合會數據顯示，2018年我國高溫合金材料年生產量約3.52萬噸左右，消費量達5.93萬噸，市場容量超過130億元。目前我國高溫合金生產企業數量有限，生產能力與需求之間存在較大缺口。

超高強度鋼

優點：超高強度鋼在強度、剛性、韌性以及價格等方面具有很多優勢，且擁有在承受極高載荷條件下保持高壽命和高可靠性的特點，在航空領域得到廣泛使用。

種類：

• 低合金鋼：是由調質結構鋼發展起來的，含碳量一般在0.3～0.5%，合金元素總含量小於5%，其作用是保證鋼的淬透性，提高馬氏體的抗回火穩定性和抑制奧氏體晶粒長大，細化鋼的顯微組織。常用元素有鎳、鉻、矽、錳、鉬、釩等。通常在淬火和低溫回火狀態下使用，顯微組織為回火板條馬氏體，具有較高的強度和韌性。如採用等溫淬火工藝，可獲得下貝氏體組織或下貝氏體與馬氏體的混合組織，也可改善韌性。這類鋼合金元素含量低，成本低，生產工藝簡單，廣泛用於製造飛機大梁、起落架構件、發動機軸、高強度螺栓、固體火箭發動機殼體和化工高壓容器等。

• 中合金鋼：熱作模具鋼的改型鋼，典型鋼種有4Cr5MoSiV鋼。這類鋼的含碳量約0.4%，合金元素總含量約8%，具有較高的淬透性，一般零件經高溫奧氏體化後，空冷即可獲得馬氏體組織，500～550℃回火時，由於碳化物沉澱產生二次硬化效應，而達到較高的強度。這類鋼的特點是回火穩定性高，在500℃左右條件下使用，仍有較高的強度，一般用於製造飛機發動機零件。

• 馬氏體時效鋼：典型鋼種有18Ni馬氏體時效鋼，含碳小於0.03%，鎳約18%，鈷8%。根據鉬和鈦含量不同，鋼的屈服強度分別可達到140、175和210kgf/mm2。從820～840℃固溶處理冷卻到室溫時，轉變成微碳Fe-Ni馬氏體組織，其韌性較Fe-C馬氏體為高，通過450～480℃時效，析出部分共格金屬間化合物相（Ni3Ti、Ni3Mo），達到較高的強度。鎳可使鋼在高溫下得到單相奧氏體，並在冷卻到室溫時轉變為單相馬氏體，而具有較高的塑性。同時鎳也是時效強化元素。鈷能使鋼的馬氏體開始轉變溫度升高，避免形成大量殘留奧氏體。這類鋼的特點是強度高，韌性高，屈強比高，焊接性和成形性良好；加工硬化係數小，熱處理工藝簡單，尺寸穩定性好，常用於製造航空器、太空飛行器構件和冷擠、冷衝模具等。

• Ni-4Co型鋼：含9%鎳使鋼固溶強化和提高韌性，加 4%鈷的作用在於儘量減少鋼中殘留奧氏體量，鉬和鉻是為了產生沉澱硬化效應。含碳 0.20～0.30%時，抗拉強度可達130～160kgf/mm2，斷裂韌度達400kgf/mm幫以上。綜合性能好，抗應力腐蝕性高，具有良好的工藝性能，常用於航空、航天工業。

• 沉澱硬化鋼：簡稱PH不鏽鋼，是在不鏽鋼的基礎上發展起來的具有抗腐蝕性能的超高強度鋼。合金元素總含量約為22～25%。按高溫固溶處理後冷至室溫時顯微組織的不同，可分為奧氏體型、半奧氏體型和馬氏體型三類。典型鋼種有0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al，抗拉強度約為160kgf/mm2。這類鋼有良好的耐蝕性、抗氧化性。這類鋼主要用於製造高應力耐腐蝕的化工設備零件、航空器結構件和高壓容器等。

超高強度鋼是當前強度最高的金屬結構材料，航空超高強度鋼代表一個國家的冶金最高水平。航空超高強度鋼主要用作起落架、傳動齒輪、主軸承和對接螺栓等關鍵構件。人人都明白起落架對飛機和乘員安全的保障作用，高性能傳動齒輪是直升機傳動系統的核心構件，主軸承決定著航空發動機的服役壽命和可靠性，對接螺栓直接關係飛機安全。

航空超高強度鋼的研究發展難度很大，但卻是航空發達國家的競爭熱點。其中，起落架用鋼代表了一個國家超高強度鋼的最高水平。美國於上世紀50年代研製出300M超高強度鋼，60年代開始用於飛機起落架，90年代研製出Aermet100超高強度鋼，直到21世紀初才研製出適用於航母艦載機起落架用S53超高強度不鏽鋼。上世紀50年代，美國用了10年時間將客機用渦輪噴氣發動機主軸承壽命提高到30000小時，支持了發動機定壽，但齒輪軸承鋼仍不能滿足使用要求。對接螺栓的強度雖已達到1800MPa以上，但卻尚無一個較理想的超高強度鋼。

目前，世界上只有極少數國家掌握航空發動機傳動部件超高強度鋼的製造技術，例如國外發展了超高強度齒輪（軸承）鋼，如CSS-42L、GearmetC69等，已在發動機、直升機和宇航應用中試用。

先進複合材料

優點：具有質量輕，較高的比強度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、隔熱、隔音、減震、耐高（低）溫等特點，已被大量運用到航空航天、醫學、機械、建築等行業。

種類：

• 聚合物複合材料：(polymer composites)是將強化物質添加到聚合物內，以增加所需的性質。單晶/須晶、黏土、滑石、雲母等低長寬比（aspect ratio）之片狀填充料可以提高材料的勁度（stiffness）；然而，纖維、玻璃纖維、石墨、硼等高長寬比的填充料可以同時提高拉伸強度和勁度。

• 陶瓷基複合材料：是以陶瓷為基體與各種纖維複合的一類複合材料。陶瓷基體可為氮化矽、碳化矽等高溫結構陶瓷。這些先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優異性能，而其致命的弱點是具有脆性，處於應力狀態時，會產生裂紋，甚至斷裂導致材料失效。而採用高強度、高彈性的纖維與基體複合，則是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效的方法。纖維能阻止裂紋的擴展，從而得到有優良韌性的纖維增強陶瓷基複合材料。陶瓷基複合材料已用作液體火箭發動機噴管、飛彈天線罩、太空梭鼻錐、飛機剎車盤和高檔汽車剎車盤等，成為高技術新材料的一個重要分支。

• 金屬間化合物：高性能、高推重比航空發動機的研製，促進了金屬間化合物的開發與應用。如今金屬間化合物已經發展成為多種多樣的族，它們一般都是由二元三元或多元素金屬元素組成的化合物。金屬間化合物在高溫結構應用方面具有巨大的潛力，它具有高的使用溫度以及比強度、導熱率，尤其是在高溫狀態下，還具有很好的抗氧化，高腐蝕性和高的蠕變強度。

• C/C基複合材料：即碳纖維增強碳基本複合材料，它把碳的難熔性與碳纖維的高強度及高剛性結合於一體，使其呈現出非脆性破壞。由於它具有重量輕、高強度，優越的熱穩定性和極好的熱傳導性，是當今最理想的耐高溫材料，特別是在1000-1300℃的高溫環境下，它的強度不僅沒有下降，反而有所提高。在1650℃以下時依然還保持著室溫環境下的強度和風度。因此C/C基複合材料在宇航製造業中具有很大的發展前途。

複合材料技術是一項具有戰略意義的國防關鍵技術。在一定程度上，先進複合材料的研究水平和應用程度是一個國家科技發展水平的代表，特別是在飛機製造業，各種先進的飛機無不與先進的複合材料技術緊密聯繫在一起。舉直升機為例，複合材料在先進直升機上的用量已高達50%（重量比）左右，複合材料應用的部位已從整流罩、地板、整體壁板等次承力結構向旋翼、框、梁等主承力結構方向發展，具有典型代表的是NH-90、波音-360、V-22、RAH-66等現代直升機。

2013年，機身所用複合材料，航空發動機複合材料，飛行器內飾所用材料分別佔64.6%，6.9%，28.5%；統計數據指出到2018年，機身所佔比重會達到77.4%，其中航空發動機和飛行器分別佔4.8%和17.8%。

航空航天材料的發展的幾大方向

高性能

高性能是指輕質、高強度、高模量、高韌性、耐高溫、耐低溫，抗氧化、耐腐蝕等。材料的高性能對降低飛行器結構重量和提高結構效率、提高服役可靠性及延長使用壽命極為重要，是航空航天材料研究不斷追求的目標。

高功能及多功能

材料在光、電、聲、熱、磁上的特殊功能是支撐某些關鍵技術以提高飛行器機動性能和突防能力的重要保證。如以紅外材料為基礎的光電成像夜視技術能增強坦克、裝甲車、飛機、軍艦及步兵的夜戰能力，紅外成像制導技術可大大提高飛彈的命中率和抗幹擾能力，以新型固體雷射材料為基礎的雷射測距和火控系統等可使靈活作戰能力大大加強。

複合化

複合化已成為新材料的主要發展趨勢之一。業內專家指出，航空複合材料未來20~30年將迎來新的發展時期，甚至引發航空產業鏈的革命性變革，包括設計理念的創新和設計團隊知識的更新，航空產品供應鏈的戰略性改變，新型複合材料技術不斷出現(如混雜複合技術、源於自然界中珍珠貝殼結構後發的仿生複合技術)，以及對航空維修業提出前所未有的挑戰。複合材料可以明顯減輕結構質量和提高結構效率。國外衛星、戰略飛彈及固體火箭發動機的關鍵結構材料幾乎已經複合材料化。

智能化

智能化是航空航天材料重要發展趨勢之一。

智能複合材料將複合材料技術與現代傳感技術、信息處理技術和功能驅動技術集成於一體，將感知單元（傳感器）、信息處理單元（微處理器）與執行單元（功能驅動器）聯成一個迴路，通過埋置在複合材料內部不同部位的傳感器感知內外環境和受力狀態的變化，並將感知到的變化信號通過微處理器進行處理並作出判斷，向功能驅動器發出指令信號；而功能驅動器可根據指令信號的性質和大小進行相應的調節，使構件適應有關變化。

整個過程完全自動化，從而實現自檢測、自診斷、自調節、自恢復、自保護等多種特殊功能。智能複合材料是傳感技術、計算機技術與材料科學交叉融合的產物，在許多領域展現了廣闊的應用前景，例如飛機的智能蒙皮與自適應機翼就是由智能複合材料構成的一種高端的智能結構。

整體化

整體化製造不僅可減少機械裝配件數量，節約材料和工時，還能減少因裝配失誤埋下的事故隱患。鋁合金一直是航空航天重要結構材料，用鋁合金厚板（厚度＞6 mm）製造飛機整體部件如機身框架、機翼壁板、翼梁、翼肋等是重要發展趨勢之一。

低維化

低維化是指維數小於 3 的材料的應用，具體來說包括二維（超薄膜）、一維（碳納米管）和準零維（納米顆粒）材料。其中碳納米管在航空航天中的應用得到了廣泛的研究，用它製備複合材料也取得了較大進展。

低成本化

航空航天材料從過去單純追求高性能發展到今天綜合考慮性能與價格的平衡，低成本化貫穿材料、結構設計、製造、檢測評價以及維護維修等全過程。對碳纖維複合材料而言，其製造成本在整個成本中佔有相當大的比例；因此，對其低成本製造技術應投入足夠關注。

材料的低成本目標包括原材料、製備加工、監測評價和維修等全過程。各種低成本製造技術發展很快，尤其是以樹脂傳遞成型（RTM）為代表的液體成型技術和以大型複雜構件的共固化/共膠接為代表的整體化成型技術等均得到了很大的發展。航空航天材料的低成本是一個重要發展趨勢。

高環境相容性

航空航天飛行器所用的材料及其製備、加工和回收，必須具有高度的環境相容性，無汙染，易回收。

材料的計算設計和模擬仿真

航空航天技術日新月異地發展，飛行器關鍵零部件的工況和環境條件更加苛刻，為適應材料科學的創新，發展了材料的計算設計和數值模擬技術。

結語

從蒙布到先進複合材料，航空航天材料發展的漫長徵程跨越了三個世紀。

人類探索星空，飛向宇宙的道路從來不是一帆風順的。那些如夜星般閃耀的技術成果，是無數奠基人用盡畢生的時間、心血、甚至生命換來的。在航空航天和材料學的未知海洋裡，人類探索的領域越來越遠、越來越寬廣。

科學上的偉大進展往往來源於持之以恆的堅韌與靈感女神的愛眷，而不是不切實際的猜測。在拉普拉斯的決定論性中，人們為了預言未來，必須知道所有粒子在某時刻的位置和速度。在航空航天和材料學的發展徵程上，位置如同科研人員嚴謹認真的堅毅心，速度是對於天空的誠摯熱愛！

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抬頭仰望星空時

奮進不止！

參考資料：

中國機械工業聯合會

章守華,吳承健.鋼鐵材料學.北京:冶金工業出版社,1992

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