航天工程 之中的材料应用 材料学院孙能涵
航天工程
目录 CONTENTS 01 02 03 04 航天材料的目标 航天器的材料选择 载人航天的材料选择 未来的发展方向 Your life can be enhanced,and your happiness enriched,when you choose to change your perspective
Your life can be enhanced, and your happiness enriched, when you choose to change your perspective. 01 02 03 04 航天材料的目标 航天器的材料选择 载人航天的材料选择 未来的发展方向
01 航天材料的目标 空间环境 与地面应用材料不同，航天材料需要 面临的空间环境是其设计的首要约束 条件。 为了维持航天器的长期可靠运行，航 天材料需要满足相当苛刻的性能要求。 极端环境 发射与回收 太阳电磁辐射，中性大气，空间等离子体，地球 为了便于航天器的发射，要求使用轻质材料以提 磁场，空间碎片和微流星… 高有效载荷。同时对材料的力学性能也有要求。 除了撞击等直接影响，极端环境更容易诱发航天 因为再入大气层时产生的巨大热量，回收式航天 器材料的性能退化，导致了航天器的故障和失效。 器所使用的材料必须要能承受其高温，这与比热 容等性质有关
01 太阳电磁辐射，中性大气，空间等离子体，地球 磁场，空间碎片和微流星…… 除了撞击等直接影响，极端环境更容易诱发航天 器材料的性能退化，导致了航天器的故障和失效。 为了便于航天器的发射，要求使用轻质材料以提 高有效载荷。同时对材料的力学性能也有要求。 因为再入大气层时产生的巨大热量，回收式航天 器所使用的材料必须要能承受其高温，这与比热 容等性质有关。 航天材料的目标 空间环境 与地面应用材料不同，航天材料需要 面临的空间环境是其设计的首要约束 条件。 为了维持航天器的长期可靠运行，航 天材料需要满足相当苛刻的性能要求。 极端环境 发射与回收
01 航天材料的目标 COMPANY NAME ✉ 2003年1月16日，"哥伦比亚"号航天飞机发射升空 执行第28次太空任务。 发射82秒后，观测到有泡沫材料碎块从外部燃料箱上 脱落，并且击中航天飞机左翼下隔热瓦部分。 这一次撞击所造成的影响被忽略了，但其可能导致了 一部分的隔热瓦脱落。 哥伦比亚号航天飞机失事 2003年2月1日，再入大气层时解体 当航天飞机返▣时，经过大气层产生的1400摄氏度高 温气体从缺口进入航天飞机结构，致使机翼和机体 融化，造成了灾难
01 哥伦比亚号航天飞机失事 2003年2月1日，再入大气层时解体 2003年1月16日，“哥伦比亚”号航天飞机发射升空， 执行第28次太空任务。 发射82秒后，观测到有泡沫材料碎块从外部燃料箱上 脱落，并且击中航天飞机左翼下隔热瓦部分。 这一次撞击所造成的影响被忽略了，但其可能导致了 一部分的隔热瓦脱落。 当航天飞机返回时，经过大气层产生的1400摄氏度高 温气体从缺口进入航天飞机结构， 致使机翼和机体 融化，造成了灾难。 航天材料的目标
01 航天材料的目标 COMPANY NAME PART ONE PART TWO PART THREE PART FOUR 01 02 03 04 轻质化要求 力学性能要求 物理性能要求 空间环境适应 性 减轻部件结构质量，提高有 高弹性模量，高强度，高韧 对于有特殊功能要求的部件， 能够茬空间环境如真空、高 效载荷质量 性。 应选用满足规定物理性能要 低温、粒子辐射、紫外辐射、 从而提高航天器整体性能， 增强航天器结构，提高其可 求的材料。 原子氧等环境下仍然满足正 降低发射成本，确保航天器 承受的载荷。 热膨胀系数，比热容，热导 常运行的性能指标。 进入空间轨道。 率，电导率等。 0
01 航天材料的目标 01 PART ONE 减轻部件结构质量，提高有 效载荷质量， 从而提高航天器整体性能， 降低发射成本，确保航天器 进入空间轨道。 轻质化要求 02 PART TWO 高弹性模量，高强度，高韧 性。 增强航天器结构，提高其可 承受的载荷。 力学性能要求 03 PART THREE 对于有特殊功能要求的部件， 应选用满足规定物理性能要 求的材料。 热膨胀系数，比热容，热导 率，电导率等。 物理性能要求 04 PART FOUR 能够在空间环境如真空、高 低温、粒子辐射、紫外辐射、 原子氧等环境下仍然满足正 常运行的性能指标。 空间环境适应 性
02 航天器的材料选择 COMPANY NAME PART ONE PART ONE 结构材料 航天器机械部分所使用的材料，为 01 02 航天器提供结构外形已经刚度，强 度。 金属材料 复合材料 可以焊接，常用于密封壳体 两种以上材料的组合，保留 结构和承力结构。 组分优点的同时，克服或减 成本相对较低，技术成熟， 少组分的缺点。 使用也方便。 高性能的同时重量轻，正在 成为结构材料的主流
02 航天器的材料选择 结构材料 航天器机械部分所使用的材料，为 航天器提供结构外形已经刚度，强 度。 01PART ONE 可以焊接，常用于密封壳体 结构和承力结构。 成本相对较低，技术成熟， 使用也方便。 金属材料 02PART ONE 两种以上材料的组合，保留 组分优点的同时，克服或减 少组分的缺点。 高性能的同时重量轻，正在 成为结构材料的主流。 复合材料
02 航天器的材料选择 COMPANY NAME 铝合金 ✉ 最主要的结构材料。密度低，比模量和比强度值较高， 导电导热性能优良，低温性能好。 发展历史悠久，目前出现了更为优秀的铝锂合金。 镁合金 同属于轻合金，性能类似，优势是可以做成形状复杂 的大型铸件，如舱体底板等。 但是强度偏低，抗腐蚀能力差，应用受到限制。 钛合金 金属材料 与其他金属材料相比性能优势高（比强度，温度性能 等)，因此在航天领域有着很好的应用前景。 但价格昂贵，工艺复杂，常用于承载力大的关键部位。 超高强度钢 屈服强度超过1380MPa,作为航天结构中的重要承力 件
02 金属材料 最主要的结构材料。密度低，比模量和比强度值较高， 导电导热性能优良，低温性能好。 发展历史悠久，目前出现了更为优秀的铝锂合金。 同属于轻合金，性能类似，优势是可以做成形状复杂 的大型铸件，如舱体底板等。 但是强度偏低，抗腐蚀能力差，应用受到限制。 与其他金属材料相比性能优势高（比强度，温度性能 等），因此在航天领域有着很好的应用前景。 但价格昂贵，工艺复杂，常用于承载力大的关键部位。 屈服强度超过1380MPa，作为航天结构中的重要承力 件。 航天器的材料选择 铝合金 镁合金 钛合金 超高强度钢
02 航天器的材料选择 COMPANY NAME 玻璃纤维/树脂 ✉ 发展最早的复合材料，俗称玻璃钢，在早期航天器上 得到应用。但是弹性模量低，密度高，目前已被取代。 硼纤维/树脂 抗氧化，抗腐蚀等性能较高，曾在航天器作为结构的 增强材料得到应用。但是成本过高，加工困难使得应 用不多。 碳纤维复合材料 综合性能相当优秀，特别是其具有相当高的比模量 可以制作为航天器的各种结构构件，因此是目前应用 最广泛的复合材料。 凯夫拉复合材料 复合材料 由增强体和基体（环氧 保持高性能的同时有着很好的工艺性能，可以编织和 树脂)组成 成型较复杂形状的构件。目前常用于天线和隔热结构
02 复合材料 由增强体和基体（环氧 树脂）组成 发展最早的复合材料，俗称玻璃钢，在早期航天器上 得到应用。但是弹性模量低，密度高，目前已被取代。 抗氧化，抗腐蚀等性能较高，曾在航天器作为结构的 增强材料得到应用。但是成本过高，加工困难使得应 用不多。 综合性能相当优秀，特别是其具有相当高的比模量， 可以制作为航天器的各种结构构件，因此是目前应用 最广泛的复合材料。 保持高性能的同时有着很好的工艺性能，可以编织和 成型较复杂形状的构件。目前常用于天线和隔热结构。 航天器的材料选择 玻璃纤维/树脂 硼纤维/树脂 碳纤维复合材料 凯夫拉复合材料
02 航天器的材料选择 功能材料 为实现航天器运行期间具有一定性能 和功能的材料。 热控材料、润滑材料、密封材料、光 学材料、烧蚀材料、纺织材料、防护 材料… 再入大气层 几何外形 假设飞行器进入大气层的速度为7.6km/s 这一速度下每kg质量动能为28880kJ,若全 部转化为动能则足以将30kg的钢加热到 隔热材料 2000°℃..（钢的熔点是1500℃）
02 假设飞行器进入大气层的速度为7.6km/s， 这一速度下每kg质量动能为28880kJ，若全 部转化为动能则足以将30kg的钢加热到 2000℃……（钢的熔点是1500℃） 功能材料 为实现航天器运行期间具有一定性能 和功能的材料。 热控材料、润滑材料、密封材料、光 学材料、烧蚀材料、纺织材料、防护 材料…… 再入大气层 航天器的材料选择 几何外形 隔热材料
02 航天器的材料选择 COMPANY NAME 热沉式防热 又名吸热式防热，利用材料温度升高来吸收热量的方 法，从弹道导弹的技术发展而来。 在结构外侧覆盖热容性高、导热性能好、熔点高的材 MITED 料，例如铍、氧化铍、铜、石墨等。用外层吸收热量 即可维持内部结构的温度。 但是防热层厚度与表面传入热量成正比，因此只适用 于加热时间短和热量不高的情况，否则会需要笨重的 水星号后端部分 防热层。 加热程度并不高
02 热沉式防热 航天器的材料选择 水星号后端部分 加热程度并不高 又名吸热式防热，利用材料温度升高来吸收热量的方 法，从弹道导弹的技术发展而来。 在结构外侧覆盖热容性高、导热性能好、熔点高的材 料，例如铍、氧化铍、铜、石墨等。用外层吸收热量 即可维持内部结构的温度。 但是防热层厚度与表面传入热量成正比，因此只适用 于加热时间短和热量不高的情况，否则会需要笨重的 防热层