飛行器的結構材料是飛行器結構設計必需的物質基礎。先進的結構設計必須要先進結構材料的支持。採用先進的材料對減輕飛行器質量，提高飛行器結構工藝性與性能起著至關重要的作用。因此，要成功地完成飛行器結構設計，必須對現代飛行器結構材料性能、特點、最新成果、套用情況及發展趨勢有全面的了解。
基本介紹
- 中文名：飛行器結構材料
- 外文名：Aircraft structural materials
- 所屬領域：航空航天
- 重要性：飛行器結構設計必需物質基礎
- 分類：結構材料和功能材料
- 種類舉例：鋁合金、鎂合金等
分類,選用原則,發展趨勢,
分類
飛行器結構使用的材料種類很多，按材料的功能可分為結構材料和功能材料，按材料的性質可分為金屬材料、非金屬材料和複合材料。
結構材料著重利用其力學性能，主要是指用來承受外載荷，保證結構強度、剛度的材料。它們常常是一些機械性能較高的金屬、非金屬材料。功能材料則著重利用其聲、光、電、熱、磁等項特定功能與效應，它們主要是指在密度、導電、透無線電波、耐磨、絕熱、防鏽、彈性、吸振、黏結、塗敷、潤滑、密封等方面有獨特性能的材料。這些材料常常是各種非金屬材料。
金屬材料仍占主導地位，金屬材料中套用較多的有鋁合金、鎂合金、鈦合金、高強度合金鋼和不鏽鋼等。非金屬材料及功能材料的套用也越來越多。其中樹脂基複合材料、金屬基複合材料、防熱材料、阻尼材料、密封材料、陶瓷材料、塑膠、隱身材料、形狀記憶合金的研製都取得了很多新成果，並在飛行器上得到套用。早期鋁合金材料在飛行器結構材料中占絕對優勢，但高性能碳纖維複合材料、芳綸纖維複合材料、功能性材料及其相應的新工藝取得了突破性的進展，使傳統的占絕對優勢的鋁合金材料受到挑戰。
選用原則
材料能直接影響飛行器結構的性能和生產成本，因此，材料的選擇是設計中很重要的工作。選擇材料要綜合考慮各種因素，具體的選用原則如下：
1)充分利用材料的機械性能(力學性能)、物理性能，使結構質量最小，剛度最好。因此，最基本的原則是在滿足強度、剛度條件下，使結構質量最小。
2)選用的材料物理性能應能滿足結構的技術要求。例如耐熱、隔熱要求，導電與介電性能要求，隱身要求，抗衝擊要求等。又如根據結構功能，太空飛行器結構對材料的線脹係數、比熱容、熱導率、電導率等物理參數有不同要求。
3)材料要滿足飛行器結構的環境適應性要求，且有足夠的環境穩定性。這就要求材料在規定的使用環境條件下，有保持正常的機械、物理、化學性能的能力。例如耐腐蝕、不易脆化的能力，防潮、防霉變能力，適應高低溫環境的能力等。太空飛行器結構還要求材料具有空間環境穩定性。
4)所選用材料應具有良好的工藝性能。材料的工藝性能包括成形性、切削性、可焊性、鑄造性能等。它體現對材料使用某種加工方法或過程可獲得優質製品的可能性或難易程度。顯然，材料的工藝性能如何會影響產品的生產成本和生產周期。
5)選用的材料成本要低，來源要充足，供應要方便，立足於國內。儘量選用國家已制定標準、已規格化的材料。同一產品中選用的材料品種不宜過多。飛行器是耗資大的複雜結構系統，應儘量避免過多選用稀有的貴重材料。
發展趨勢
飛行器結構材料領域的未來仍有很多期待。新金屬材料既可以單獨使用，也可以和其他金屬生成合金而套用於結構中；新合金正在發現，新工藝正在發展，同時新的結構布局方法也正在設計。
傳統材料的強度水平似乎很一般，但在數十年以前，這些都是冶金學家的夢想；同樣地，今天冶金學家的夢想將由21世紀的設計師實現。建築業用的結構鋼抗拉強度極限大約是55000磅/英寸，飛機結構鋼的抗拉強度極限大約為350000磅/英寸，這的確是一個非常高的強度，但是，冶金技術告訴我們，在不遠的將來，抗拉強度極限會達到1×10磅/英寸。從理論上說，當前使用的金屬材料的強度只有理論強度的1/1000～1/100，毫無疑問，將來可以達到1×10磅/英寸的水平。
複合材料結構和多層結構材料可以讓設計師在最佳化結構設計時有更多的選擇，並可以在強度和重量之間達到更好平衡。製造時可以採用多層的玻璃布、硼或石墨絲、環氧樹脂和類似材料，以單向和多向纖維的方式組合成結構件，所以，設計師根據零件或組件的應力路徑，能夠達到理想的結構要求。
通過採用合適的複合材料和多層材料、套用斷裂力學和計算機輔助設計(CAD)，可以控制應力路徑。今後，這些材料的套用會增加，並且它們的成本會降低。
