２００２年航天新材料技术综述

2002年是航天新材料、新工艺、新技术发展及应用非常重要的一年。航天新材料的研究成果不断涌现：研制出了纳米颗粒炸药、碳纳米管高硬度材料、铝氧纳米管材料和新型密封材料、电子绝缘聚合物材料、新型“热塑料”材料以及原子级硅记忆材料和铝－硅合金等，并首次发现了纳米孔隙网材料等。航天新材料工艺也取得了重大突破：采用温轧法、粉末冶金法、非晶复合技术工艺、急速凝固法、树脂膜浸渍法和等温化学气相浸渗法制造出了高强度合金材料、梯度功能材料以及抗损伤复合材料编制机等。与此同时，新材料在航天应用上也有重大进展：形状记忆合金、量子隧道效应复合材料等高性能材料得到了广泛应用；火箭尾喷管应用纳米复合涂层、火箭发动机涡轮泵应用陶瓷基复合材料叶盘；采用复合材料排布机编制燃料箱；采用红外材料制成手提式定向反射仪以及用氮化物基材料制造出电子器件等。

一、新材料进展

在2002年成果最突出的当属纳米材料与聚合物材料领域。在纳米材料领域，纳米颗粒炸药的问世将有助于航天技术的发展，而利用碳纳米管制造出的高硬度材料可与碳化硅纤维、碳化钽等超硬材料相媲美，质量轻，适合制造飞行器的微型器件等。在聚合物材料领域，一种新型聚合物材料可增强未来火箭及卫星系统的结构件性能，还可使航天器天线在充气时获得所需形状，实现先进的通信及监视能力；先进电子绝缘聚合物材料可承受新一代航天系统运行中的超高处理速度及超高温度，可应用于天基雷达、卫星通信、高分辨率成像设备、高速计算机以及微型电子设备；一种新型“热塑料”材料可用来建造天基雷达天线。在信息材料、金属合金材料和复合材料领域，原子级的硅记忆材料可使未来计算机微型化，且存储信息的功能更为强大；一种高强度的铝－硅合金适合发动机的耐高温零部件，可使传统铝合金铸件强度提高到3到4倍；利用玻璃纤维与细铜丝制成的一种可用做天线和电子元器件材料的新型复合材料，可用于开发新颖的天线、滤波器以及其他电磁器件。这些新成果的出现促进了航天工业的快速发展，也为航天工业的进展奠定了坚实的基础。

2002年新材料研究成果如表中所示。

二、新工艺进展

在2002年新材料工艺取得了如下几项重大突破：

1、日本采用温轧法制造出形状记忆合金

2002年8月，日本物质材料研究机构的菊地等研究人员采用温轧法制造出形状记忆合金。此合金结构件不仅可应用于航天工业的风洞工程，而且用其制成的精密螺钉可应用在卫星及飞机的零部件上。

这种工艺是在合金形成记忆效应的时效处理前进行轧制，从而省去了改善性能的热处理工艺。它采用添加Nb和C的FeMnSi形状记忆合金进行温轧，让其形状记忆效应获得较大改善。

2、新加坡采用粉末冶金法制取Ti－TiB2梯度功能材料

2002年3月，新加坡南洋理工大学材料工程学院的科研人员研究利用粉末冶金法制取Ti－TiB2系梯度功能材料取得进展。这种梯度功能材料已被应用于航空航天工业的结构件。

这种新工艺的原材料金属粉末采用了纯度为997％的纯钛粉（平均粒径为10微米）、纯度为997％的纯二硼化钛陶瓷粉（平均粒径为3微米）以及纯度为995％的碳化硅粉末作为烧结助剂用来提高二硼化钛的致密化程度。所设计的5层梯度功能材料，通过裂纹偏转机理有效地实现可韧化效果。所制成的梯度功能材料的断裂韧性比整体TiB2陶瓷提高了50％。

3、日本采用非晶复合技术工艺制取金属箔材

2002年5月，日本非晶态金属公司采用非晶复合技术工艺制取金属箔材。这种金属箔材可制造移动体天线、回转体、屏蔽材料、传感器等电子器件。

该工艺采用了特殊树脂。将这种树脂涂覆于非晶态金属箔表面后，即可将若干张非晶态金箔叠合复合成一体，可以制作成厚度从几毫米～20毫米以上的大块复合体，通常非晶金属箔的厚度仅有20微米左右。

4、英国采用急速凝固法制取高强度镁合金材料

2002年7月，英国科学家采用急速凝固法开发出具有极高强度和延展性的镁合金，可为航空航天工业提供优质材料。这种新型的镁合金材料具有100至200纳米的微细结构，其成分由97％的镁、2％的钇和1％的锌组成。这种新型镁合金的强度大约是超级铝合金的3倍，是目前世界上强度最高的镁合金。此外它还具有超塑性、高耐热性和高耐腐蚀性。

三、材料应用进展

2002年新材料应用也出现了重大进展：形状记忆合金和量子隧道效应复合材料等高性能材料的应用成为法国范堡罗航展的一大热点；美国在火箭尾喷管上应用2纳米厚的复合涂层进行耐火耐热实验，在火箭发动机涡轮泵上应用陶瓷基复合材料整体叶盘并采用复合材料排布机编制燃料箱，美国空军研究实验室还用红外材料制成手提式定向反射仪以及用氮化物基材料制造电子器件等。

1、形状记忆合金和量子隧道效应复合材料等广泛应用于航天器部件

2002年8月，高性能材料的应用成为法国范堡罗航展的一大亮点，其中比较突出的材料有形状记忆合金和量子隧道效应复合材料。

（1）形状记忆合金

欧洲空间局研制出一种被称作形状记忆合金的奇异材料。这些材料可以像橡皮筋一样拉伸，但是能够记住初始形状，拉伸之后一旦加热到一定温度就会恢复原来的形状。

这种形状记忆合金可以应用于航天器上的轻型温度控制调节器以及航天器发射后的太阳能电池板展开。

（2）量子隧道效应复合材料

量子隧道效应复合材料是一种传导性复合材料，其导电率随外界压力而变化，导电率与施加压力成正比。量子隧道效应复合材料可加工成片状和不同尺寸的粒状，最小颗粒直径可达15微米。当没有外界作用力时，量子隧道复合材料是极好的绝缘体，但如果对其进行挤压、拉伸或扭曲，就会变成类似于金属的导体，并且在外力撤消后，又会返回绝缘状态。由于量子隧道效应，量子隧道效应复合材料的敏感度非常高，电阻变化范围超过1万亿欧姆。量子隧道效应复合材料在本次航展上的应用是航天器的开关和调节器。

2、火箭尾喷管用纳米复合涂层

2002年3月，美国弗吉尼亚综合技术学院及州立大学与美国空军材料实验室研究出一种耐火耐热的纳米复合涂层。此涂层是一种不足2纳米厚的无机聚合物薄膜（称作POSS薄膜）。

美国空军正在用该涂层来对火箭尾喷管进行防护试验。除了提供高温保护外，薄膜的重量也比其它涂层轻。研究人员通过调整不同的有机成分后来控制POSS与飞机各种胶接剂的相容性。研究人员还发现有机组分会影响工艺方法以及最后性能，如光学涂层的透明性以及微电子涂层的导电性等。

3、火箭发动机用陶瓷复合材料涡轮叶盘

2002年8月，美国NASA对“捷径”（Fastrac）火箭发动机涡轮泵采用的陶瓷基复合材料整体式叶盘进行了测试。叶盘选用碳纤维增强的碳化硅材料。该材料采用等温化学气相浸渗法制造而成，纤维的体积含量为40％，松孔体积含量为15％。C/SiC的拉伸强度为434兆帕，拉伸模量为83吉帕。涡轮泵的试验表明，整体式叶盘提高了抗损伤能力和阻尼能力并减轻了重量。

4、用复合材料排布机"编织"燃料箱

2002年4月，作为下一代航天器用轻型燃料箱制造计划的一部分，NASA的米休德验收了一台由英格索铣床公司制造的自动纤维排布机（AFPM）。该机是用来制造外形复杂的环氧预浸复合材料，从而制成经济而实用的燃料箱。目前要将1公斤有效载荷送入轨道的成本是22～33万美元，而使用轻型复合材料燃料箱可以使该成本显著降低。

5、采用红外材料制成手提式定向反射仪

2002年5月，美国空军研究实验室材料与制造部无损检验分部与美国波音公司等单位合作开发出一种手持式定向反射仪（HHDR）。该反射仪可以对现代武器系统所用的涂层进行准确的红外反射测量。测量数据可以保证工程人员和维护人员对武器进行正确的喷涂、修理和恢复，提高涂层的效能，以保护空军的武器系统免遭基于红外的探测和跟踪系统的威胁。

6、采用氮化物基材料制造电子器件

2002年7月，美国空军实验室的传感器部、工业界以及院校用氮化物基材料制造出电子元器件。这种氮化物基的固态器件在10吉帕下的输出功率为40瓦，是传统电子器件的25倍，输出功率密度为98瓦/毫米，是传统电子器件的10倍。这种电子器件比传统的硅或砷化镓器件具有更高的抗极端温度及辐射环境性能。此外，氮化物基器件还具有可承受高电压（一般大于200伏）及高电流密度（大于1安培/毫米）的特殊性能。由于航天器需要在恶劣环境下工作，并且要求密度小、体积小的电子器件，因此具有独特的材料特性和功率特性的氮化物基器件可以用来改善微波放大器技术。这些传感器可应用飞行器、空基雷达、通信线路以及电子对抗等。

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