- 中国山東省東営市雲和路 No.336
航空宇宙材料は、航空機およびその動力装置、付属品、機器に使用されるあらゆる種類の材料であり、航空宇宙工学および技術の発展における決定的な要素のXNUMXつであり、航空宇宙材料科学は材料科学の先駆的な分野でもあります。
航空宇宙材料は、高温、低温、耐老化性、耐食性に優れ、宇宙環境に適応します。
航空機とその動力ユニット、付属品、計器類に使用されるさまざまな種類の材料は、航空宇宙工学技術の発展における決定的な要素の XNUMX つです。 航空宇宙材料科学は、材料科学の先駆的な分野です。 航空機の設計は材料科学に常に新しいトピックを提案し、航空宇宙材料科学の発展を促進します。 さまざまな新素材の出現は、航空機の設計に新たな可能性をもたらし、航空宇宙技術の発展を大きく促進します。
航空宇宙材料の進歩は、次の XNUMX つの要因によって決まります。
航空宇宙材料は、高い応力と慣性力に加えて、離陸と着陸、エンジンの振動、回転部品の高速回転、操縦飛行、急な風などの要因によって生じる衝撃荷重や交流荷重にもさらされます。 航空機はエンジンガスや太陽光線の照射により高温環境となり、飛行速度が上昇するにつれて空力加熱効果が顕著になり、「熱障壁」が発生します。 また、亜音速の成層圏では気温も変化し、表面温度は約-50℃まで下がり、冬の厳しい環境の領域内の極圏では金属部品やゴムの温度が-40℃以下になります。タイヤは脆化現象を起こしやすい。 ガソリン、灯油などの燃料や各種潤滑油、作動油、ほとんどの金属材料は腐食を起こし、非金属材料は膨張を起こし、また、太陽光線、風雨による侵食、地下の湿気の多い環境ではカビが長期保管されます。ポリマー材料の老化プロセスを加速します。
航空宇宙機は、大気圏や宇宙空間で長期間運用され、極限環境で使用されるだけでなく、空力ニーズ、加工性要件、用途に合わせて構造を最適化することに加え、極めて高い信頼性と安全性、優れた飛行性と操縦性を備えています。メンテナンスの必要性はもちろん、素材の優れた特性や機能にも依存します。
構造体の質量を減らすには、強度を 30% 高めるよりも密度を 50% 減らす方が効果的です。 アルミニウム合金、チタン合金、および複合材料は、高い比強度と剛性を備えた主要な航空宇宙構造材料であり、飛行コストを削減しながら、航空機の積載量、操縦性、航続距離を向上させることができます。
超高張力鋼 (降伏強度 >1380 MPa) は、航空宇宙工学の 10% 以上では使用されません。 超音速戦闘機などの最新の航空機では、超高張力鋼の量は 5% ～ 10% で安定しており、その引張強さは 600 ～ 1850MPa、場合によっては 1950MPa にも達し、破壊靱性 KIc = 78 ～ 91MPa-m1 となります。 /2. 機体の耐荷重構造部品に使用される活性腐食性媒体には、一般に高強度耐食鋼が使用され、水素燃料エンジンを搭載した航空機では、液体水素や液体水素で使用するための構成材料としてカーボンレス耐食鋼が選択されます。水素媒体。
金属基複合材料、高温樹脂基複合材料、セラミック基複合材料、および炭素/炭素複合材料は、航空宇宙分野でますます重要な役割を果たしています。 カーボン/カーボン複合材料は、カーボンの耐火性とカーボンファイバーの高強度および剛性を兼ね備え、優れた熱安定性と優れた熱伝導率を持ち、2500℃でもかなりの強度と靭性を持ち、密度はわずか1/4です。高温合金の。 ハイブリッド複合材料は、炭素繊維複合材料にガラス繊維を添加すると衝撃特性が向上し、ガラス繊維強化プラスチックに炭素繊維を添加すると剛性が向上するなど、ますます注目を集めています。
有人宇宙船部分の構造材料のほとんどはアルミニウム合金、チタン合金、複合材料であり、例えばスペースシャトルオービターは主にアルミニウム合金で作られ、主エンジン推力構造を支えるチン合金、メインフレームの一部はアルミニウム合金で作られています。ボロン繊維強化アルミニウム合金金属マトリックス複合材料を使用した中間胴体、パネルに黒鉛繊維強化エポキシ樹脂複合材料に特殊紙ハニカムサンドイッチ構造を使用した貨物室ドア。 ミサイルヘッド、宇宙船再突入モジュールの外面、ロケットエンジンの内面でアブレーション材料を使用する場合、熱流の作用により、アブレーション材料は分解、溶融、蒸発、昇華、浸食、その他の物理的および化学的変化を起こす可能性があり、質量が減少します。熱が車内に流れる際の大気圏への再突入を防ぎ、ロケットエンジンの燃焼室やノズルを冷却するという目的を達成するために、材料の表面を消費して多量の熱を奪います。 キャビン内の適切な作動温度を維持するため、リマンキャビン部分には輻射熱対策が施され、外皮には耐高温ニッケル基合金またはベリリウム板、内部構造には耐熱チン合金、外装には皮膚と内部構造は、石英繊維、ガラス繊維複合セラミックス、および優れた断熱特性を備えたその他の材料で満たされています。
有人宇宙飛行、月探査、深宇宙探査、高解像度衛星、超高速ビークル、再利用可能な打ち上げロケット、宇宙操縦ビークル、その他の宇宙プロジェクトの実施と継続的な開発に伴い、材料に対する新たな、より厳しい要件が提示され、新しい機能が提供されます。宇宙飛行用の新材料開発の機会と推進力を高めるために、材料分野はできるだけ早く材料システムの革新、重要な原材料と工学用途の独立した保護を行う必要があります。 材料分野は、材料システムの革新、主要原材料の独立保証、およびエンジニアリング用途において、できるだけ早く大きな進歩を遂げなければなりません。
さらに、A380 では新しいタイプのラミネートである 3% GLARE が使用されるなど、航空宇宙工学におけるラミネート複合材料の応用はますます広がっています。 ラミネートは、1種類の異なる材料を圧力によって貼り合わせた複合材料で、通常、上部パネル、上部接着層、コア材、下部接着層、下部パネルで構成され、その強度と剛性は、別のパネル材料や輸送機や戦闘機などに応用されている芯材です。 GLARE ラミネートは、図 1 に示すように、圧力 (またはホットプレス タンク) によって、薄いアルミニウム プレートと一方向ガラス繊維プリプレグ (エポキシ接着剤を含浸) を複数層積層し、ホットプレスして製造されます。アルミニウム シートは、適切にプリプレグされています。繊維プリプレグ層に接着しやすくする処理が施されています。 表 2 は、商業的に製造できる GLARE ラミネートの種類を示しており、ニーズに応じてさまざまな厚さで製造できます。 繊維は 3 層、4 層、XNUMX 層などにすることができ、繊維の含有量と配向は表に従うことができ、各タイプの GLARE ラミネートは異なる形状を持つことができ、特定のニーズに応じて調整できます。
航空宇宙材料は、航空宇宙製品の開発・生産のための材料保証であるだけでなく、航空宇宙製品のリニューアルを推進するための技術基盤でもあります。 航空宇宙材料は、材料自体の性質から、金属材料、非金属無機材料、ポリマー材料、先端複合材料の 2 つのカテゴリに分類されます。 機能の用途に応じて構造材料と機能材料のXNUMXつに分類されます。 構造材料にとって最も重要な要件は、軽量、高強度、高温耐食性です。 機能性材料には、マイクロエレクトロニクス材料やオプトエレクトロニクス材料、センサー感応素子材料が含まれますか? 機能性セラミックス材料、光ファイバー材料、情報表示・蓄積材料、ステルス材料、スマート材料。
航空宇宙材料には、航空機の機体材料、エンジン材料、航空機搭載機器材料の 3 つの主要なカテゴリの材料が含まれます。 また、航空宇宙材料には、打上げロケットの矢体材料、ロケットエンジン材料、宇宙船材料、航空宇宙機能材料が含まれます。
具体的には、材料レベルでは、アルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金などの軽合金、超高張力鋼、高温用チタン合金、ニッケル基高温合金、金属間化合物（チタン・アルミニウム系、ニオブ・アルミニウム系、モリブデン・シリコン系）。 高融点金属及びその合金等の高温金属構造材料、ガラス繊維、炭素繊維、芳香族アミド繊維、芳香族複素環繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の複合強化材、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、シアネート樹脂、ポリアリールアセチレン樹脂、およびその他の複合マトリックス材料、先進的な金属ベースおよび無機非金属ベースの複合材料、先進的な金属間化合物ベースの複合材料、先進的なセラミック材料、先進的なカーボン/カーボン複合材料、および先進的な機能性素材。
航空機の機体構造材料の組成比を予測したところ、21世紀初頭の主要な材料はアルミニウム合金であることがわかった。 航空宇宙技術用のアルミニウム合金を開発する際に解決すべき最初の課題は、高い動作信頼性と良好な仕上がりを確保しながら、構造質量をどのように削減するかということです。 解決すべき緊急の課題は、良好な溶接特性を備えた高強度アルミニウム合金の開発と、一体溶接構造の製造におけるその使用です。 車両の積載量を増やす方法は、強度を高めるか、（強度を落とさずに）密度を下げることです。
アルミニウムとリチウムを合金化すると、合金密度が減少し、弾性率が増加します。 厚さ 0.5 mm 未満の薄いシートを含むアルミニウム - リチウム (Al – Li) 合金シートは、ストリップ コイル圧延によって製造されています。
アルミニウム基層複合材料を使用すると、航空機外板の信頼性、耐用年数、積載量を大幅に向上させることができます。これは、非常に低い亀裂拡大率 (従来の材料の 1/20 ～ 1/10)、高い強度 (50% ～ 100) を特徴としています。 ％増加）、破壊靱性、および低密度（10％から15％減少）。 亀裂の入ったリベット素材は非常に有望です。
最新の航空機の構造では、鋼鉄の使用率は 5% ～ 10% で安定していますが、超音速戦闘機などの一部の航空機では、鋼鉄は目的に特化した材料です。
高張力鋼は通常、高い剛性、高い比強度、高い疲労寿命に加え、優れた中温強度、耐食性、その他のさまざまなパラメータを必要とする構造部品に使用されます。 鋼は、半製品の製造においても、複雑な構造部品の製造においても、特に溶接が最終工程となる溶接構造部品の製造において、かけがえのない材料です。
長い間、航空機製造業界で最も使用されている鋼は、強度レベル 1600 ～ 1850MPa、破壊靱性約 77.5 ～ 91MPa/m2 の中合金高張力鋼です。 現在、同じ破壊靱性指数を維持するために、鋼の最低強度レベルは 1950MPa まで増加していますが、同時に高耐亀裂性、高強度溶接構造用鋼の新しい経済的な合金も開発されています。
高張力鋼の開発の方向性は、冶金製造プロセスをさらに改善し、最適な化学組成と熱処理仕様を選択して、強度性能レベル2100〜2200MPaの高信頼性構造用鋼を開発することです。
車体の軸受構造部品に使用される活性腐食媒体の役割、特に全天候条件での軸受構造部品の使用では、高強度耐食鋼が広く使用されており、この鋼の強度レベルは同等です。合金構造用鋼、信頼性パラメータ（破壊靱性、腐食割れ強度など）は合金構造用鋼を大幅に上回っています。
高張力鋼の利点は、さまざまな溶接方法を使用して溶接を実行できること、耐荷重構造部品を溶接できること、溶接後に熱処理なしで熱間状態または冷間状態で溶接できること、良好な打ち抜き性があることなどです。 ..
高張力鋼材の最も有望な用途は、マルテンサイト系の低炭素分散強化耐食鋼とオーステナイト - マルテンサイト遷移系鋼であり、研究により、高い信頼性と良好な製造条件を維持することで、強度を大幅に向上できることがわかっています。高張力耐食鋼の強度のレベル。
低温技術と装置は高強度耐食鋼の特殊な応用分野であり、開発の方向性は、開発の見通しが良い航空機用の水素燃料エンジンを備え、液体水素と水素媒体で動作する必要があります。研究の方向性としては、カーボンフリー耐食鋼の研究を進めています。
胴体部品におけるチタン合金の割合を改善する可能性は非常に大きく、予測によると、旅客機の胴体におけるチタン合金の割合は20％に達し、軍用機の胴体用途の割合は50％に増加します。 それを確保することが前提です。
チタン合金は強度と信頼性が高くなります。 温度の使用をさらに改善します。 高いプロセスパフォーマンスと優れた溶接性を備えています。 さまざまな半製品を製造できます。 可能な限り成熟した合金とプロセスを使用して構造の形状を改善し、新しい設計ソリューションを開発します。
高強度チタン合金を使用すると、構造の重量効率、信頼性、加工性を向上させながら、構造の質量を減らすことができます。 工業用純鉄の1350倍の強度を有し、工業用純チタンと同等の加工特性を有する、高強度(XNUMXMPa)と高い加工性を兼ね備えた板状合金の開発を計画しています。 また、より高い熱強度、熱安定性、耐用年数を備えた「ニアアルファ」熱強度チタン合金も開発して使用します。
チタン合金の開発方向の 6 つは、高熱強度、特に「ニアアルファ」熱強度の高い安定性と長寿命を備えたチタン合金を開発および使用することです。 第 XNUMX 世代の航空エンジンには、固溶体強化チタン合金プレートと金属間化合物強化チタン合金プレートが使用されます。
チタン・アルミニウム化合物基合金は今後の研究の方向性であり、「γ」合金は700～900℃の温度比熱強度で鋼や熱強度合金に比べて優れていますが、塑性が劣ります。
熱に強いチタン合金開発の新しい方向性は、β固溶体ベースの合金で強化された金属間化合物の使用です。 この合金は、高い熱強度と 600 ～ 700℃の温度での良好な塑性特性を特徴としています。 既存のチタン合金と比較して、このタイプのチタン合金の開発により、強度と熱強度が 25% ～ 30% 向上します。
合金の化学、鋳造、変形プロセスの最適化に重点を置く必要があります。 最適な熱処理仕様の選択と新しい部品設計方法の採用により、使用温度の上昇と質量の削減が決定的な要因となる航空エンジンや航空宇宙技術機器の構造に金属間化合物を使用できるようになります。
航空宇宙技術開発のレベルを表す重要なシンボルは、使用されているポリマー複合材料の数です。ポリマー複合材料は、優れた構造特性と特殊な特性と併せて、比強度と比剛性の点で非常に明らかな優位性を備えており、航空分野で広く使用されています。 ? エアバス A3XX 航空機にはポリマー複合材料が最大 25% 使用されます。
炭素繊維強化プラスチックをマトリックスとして使用したポリマー複合材料の使用は、構造質量を削減する効果的な手段の 196 つです。 ポリマー複合材料とは通常、高い圧縮強度 (1000 MPa) を維持しながら、高い剛性 (弾性率 400 GPa) と高温での寸法安定性を特徴とする、高弾性率の炭素繊維強化プラスチックを指します。 新世代の航空宇宙技術機器に炭素繊維強化プラスチックを使用すると、尾翼コンポーネント、特に尾翼先端コンポーネントの空力剛性が向上し、構造質量が軽減され、必要な飛行技術の品質が確保されます。 高弾性炭素繊維強化プラスチックのこれらの特性と低密度を組み合わせることで、宇宙ステーションの組み立てやメンテナンス用のマニピュレーターの製造が可能になります。 今後数年間で解決すべき問題には、炭素繊維強化プラスチックの構造特性と特殊特性のさらなる改善、特に動作温度を XNUMX ℃まで高めることが含まれます。
構造材料として、新しい複合材料である有機プラスチックがますます重要な役割を果たすことになります。 近年、第2世代の有機プラスチックの開発が進められており、汎用有機プラスチックのσb（引張強さ）値は3000～3200MPaに達し、E値は130G Paまで増加しました。実験研究では、弾性率を得ることが可能であることが示されています。 200～250GPaの有機プラスチックの弾性率は、実際には使用温度範囲を1倍（205～300℃）に拡大することであり、複合材料の吸水率を大幅に低減することも可能であることに留意すべきである。 比強度と弾性率の点で、現代の有機プラスチック、特に将来の有機プラスチックは、既知のすべてのポリマーを超えるでしょうか? 金属とセラミックのマトリックス複合材料。
現在、プリプレグプロセスで製造されるガラス繊維強化プラスチックや炭素繊維強化プラスチック構造部品の使用が増えています。 このプロセスを使用すると、通常の曲率を持つ部品と複雑な曲率を持つ部品を 40 つのプロセスで作成できます。 従来のポリマー複合材料と比較して、プリプレグベースの複合材料は耐クラック性が 50% ～ 20% 向上するという特徴があります。 せん断強度は50％から20％増加しますか？ 疲労強度と持続強度が 35% ～ 1% 増加しますか? この複合材料により、労力とエネルギー消費量を2/50に削減できます。 構造質量（特にハニカムフィラーの場合）は 5% 削減でき、構造シール性は XNUMX 倍向上します。
最適な合金化と最適な組織化方法を備えた特殊合金の開発により、単結晶ブレードの性能を大幅に向上させることができます。最も有望な合金の XNUMX つは、熱間強度ニッケル合金の亜鉛合金化です。
ニッケル含有合金は、より高い動作温度とより高い耐久強度特性を備えており、1000100% ～ 300% を含む試験合金で σ6> 7 MPa という記録的な耐久強度値が得られており、これにより、6 番目の冷却チャネルを備えた単結晶ブレードの開発が確実になります。発電エンジン。 ニッケル含有合金を使用することにより、タービン入口温度を2000～2100Kまで高めることができ、冷却空気消費量を30%～50%削減でき、冷却空気使用時のブレード寿命を1～3倍延ばすことができます。消費量も同じです。
ガス タービン エンジンのディスク材料の要件は、ブレード材料の要件とは若干異なります。まず、タービン ディスクの動作温度はブレードの動作温度よりも低くなります。 第二に、材料の信頼性に対する要件が高まります。 タービンディスク合金の性能を向上させるための上記の要件は、合金化原理の開発、強化メカニズムの改善、溶解、変形、熱処理の新しい技術方法の開発などの包括的なアプローチによって解決する必要があります。
今日、航空エンジン製造業界が直面している特別な問題は、たとえば溶接マガジンの開発です。 防火管やその他のさまざまな熱間溶接構造コンポーネント。 消防管材料の開発における主な問題は、構造剛性を向上させることであり、この問題の解決策は、良好な溶接性、高いプロセス可塑性など、一連の厳しく包括的なプロセス要件を満たす必要もあります。合金は、消防管の作動温度を 150 ～ 200℃ 上昇させ、信頼性と耐用年数を 50% ～ 100% 延長し、溶接カセットの比強度を大幅に向上させながら、質量を 15% 削減します。
酸化防止保護コーティングの使用は、熱強化合金 (まずタービンブレード) の耐用年数を延ばす上で重要な要素です。
現在、混合粉末中での拡散アルミナイズによる保護コーティングの製造プロセスの代替技術として、さまざまな複雑な組成を備えた新しいプロセスとコーティングが導入されています。 研究者らは、さまざまな元素イオンをマトリックスとして使用するプラズマ真空コーティングの新しい方法を開発しました。 ほぼ同じ膜厚（50～70μm）の場合、合金化したオリジナル溶射合金が硫化物から刃を効果的に保護します。 酸化物腐食を防止し、大量生産のアルミメッキコーティングと比較してブレードの寿命を一桁延長できます。
高エネルギー真空プラズマプロセスで多成分材料をコーティングする新しい方法では、固体表面上の高速プラズマ流の作用により、処理された材料の組成、組織、微細形状、および物理化学的特性が意図的に強化されます。表面。 このプロセスの主な利点は、高いコーティング品質、緻密で非多孔質、優れた可塑性、強力な接着力（100M P a 以上）です。 汎用性が高く、あらゆるタイプの保護コーティングを産業用デバイスに適用できます。 高い蒸着精度。
コーティング、コーティング装置、プロセスのコストは低く、多成分材料の高エネルギー真空プラズマプロセスを使用してコーティングを適用すると、拡散コーティング、粘着コーティング、粘着拡散コーティングなど、さまざまなコーティングを得ることができます。
ガスタービンエンジンの動作温度と部品寿命をさらに改善することが急務であるため、ニッケルマトリックス相強化固溶体よりも優れた安定性を備えた新しい合金マトリックスの探索が求められています。 新しい合金マトリックスはNi3Alタイプの金属間化合物の使用に適しており、金属間化合物の共有結合は通常の固溶体の金属結合よりも合金の熱強度の問題を効果的に解決できます。 これらの合金の熱強度のレベルは、Ni3Al マトリックスの追加合金化と、鋳造プロセスによって決定される鋳造組織に従って調整できます。 この場合、合金の熱強度は、等軸組織から柱状組織、そして単結晶組織へと移行するにつれて増加します。
単結晶金属間合金は、全体的な性能が優れています。 同じレベルの熱強度（温度 1100°C）では、金属間化合物合金に含まれるタングステン (W) やモリブデン (M o) などの希少貴金属の量は大幅に少なくなります。
金属間化合物ベースの合金は、900 ～ 1150°C の動作温度範囲で冷却および非冷却のノズル ガイド ベーン、火管、ノズル部品の製造に効果的に使用できます。 同市の最新の科学成果により、合金の熱強度を50～70MPa以上まで高めることが可能となった。
耐熱強度材料の研究分野におけるさらなる進歩（使用温度は1300℃以上に上昇）を確実にするのは、金属複合材料にかかっています。 金属複合材料のマトリックスは、チタン、金属間化合物などのさまざまな材料で作ることができ、一方、強化材料は、フィラメント状結晶、炭化ケイ素粒子を含む拡散耐火性化合物粒子、酸化物繊維、またはタングステン繊維で作ることができます。
特殊な複合材は、共晶合金の方向性結晶化プロセスに従って製造される、いわゆる天然複合材です。 このような合金では、各共晶相が結晶化線に対して垂直に成長するため、平面結晶化線を移動させることにより、一定の配向性を持った繊維状組織が得られる。 この材料の強化剤は、高融点金属炭化物（TaC、NbC）単結晶のフィラメント状結晶が互いに撹拌された連続骨格です。 開発した天然複合材料は、1200℃の高温でも高い持続強度レベル（σ70b>1200MPa）を維持することができます。 先進的なガスタービン エンジンにおける複合材料の割合は大幅に増加すると予測されています (最大 40%)。
材料の役割に関するさまざまな媒体や大気環境は、腐食や老化として現れます。 媒体と接触する航空宇宙材料には、航空機燃料 (ガソリン、灯油など)、ロケット推進剤 (濃硝酸、亜酸化窒素、ヒドラジンなど)、およびさまざまな潤滑剤、油圧作動油などが含まれます。金属および非金属材料に強い腐食作用や膨潤があり、大気中での太陽光照射、風雨による浸食、カビの長期保管による地下の湿気により、ポリマー材料の老化が促進されます。 加工性、耐食性、老化防止性、防カビ性など、優れた特性が求められる航空宇宙材料。
宇宙環境が材料に与える影響は主に高真空（1.33×10-10Pa）と宇宙線照射の影響に現れます。 高真空環境で金属材料同士が接触すると、表面が高真空環境によって浄化され、分子拡散プロセス「冷間圧接」現象が促進されるため、金属材料同士が接触します。 高真空中の非金属材料や宇宙線の照射により揮発や経年劣化が促進され、場合によっては揮発性物質の付着や汚染による光学レンズの劣化、経年劣化による密閉構造の破損などを引き起こすことがあります。 宇宙材料は、宇宙環境に適応するために地上シミュレーション試験を経て選定・開発されるのが一般的です。
車両の構造質量を軽減するために、可能な限り小さな安全マージンを選択し、絶対的に信頼できる安全寿命を達成することが車両設計の目標と考えられます。 ミサイルやロケットなど、短期間で使用される乗り物では、材料の性能を限界まで引き出すことが求められます。 金属材料には、材料強度を最大限に活かして安全性を確保するため、高い比強度だけでなく高い破壊靱性が要求される「耐損傷設計原理」が採用されています。 模擬使用条件下で、材料の亀裂発生寿命と亀裂拡大率が測定され、許容亀裂長さとそれに対応する寿命が設計、製造、使用の重要な基礎として計算されます。 有機非金属材料の場合、耐用期間の保険期間を決定するために、自然老化試験と人工加速老化試験が必要です。また、複合材料の破損パターン、寿命と安全性も重要な研究テーマです。
航空宇宙材料の進歩は次の 3 つの要素によって決まり、これら 3 つがすべて成熟した段階まで開発されて初めて空飛ぶ乗り物への応用が可能となります。 そのため、世界各国は航空宇宙材料の開発を優先してきました。
宇宙産業の急速な発展に伴い、宇宙船の構造材料も長期的に継続的に開発されることになります。 宇宙船の構造に使用される新しい軽合金の割合は徐々に増加しており、複合材料の応用は宇宙船の構造に使用される材料の変化に貢献しており、急速に開発されています。 金属と無機/有機材料の優れた特性を組み合わせた金属マトリックス複合材料も、航空宇宙構造研究者の視野に入っています。 さらに、構造材料は構造設計と切り離すことができず、一部の従来の複雑な構造は、新しい多機能構造 (MFC) や 3D プリント構造に置き換えられています。 今後、宇宙機の構造材料は多様化・高性能化する傾向にあります。
従来の軽合金が依然として主流ですが、現代の衛星の高性能、軽量構造の要件に適応するために、新しい軽合金が徐々に適用され、合金材料は徐々に複合材料に置き換えられる傾向があります。 特に自動車および航空分野で複合材料が大きな成功を収めると、材料の軽量化に対するより高い要求が求められる航空宇宙分野でも複合材料が飛躍し始めました。 しかし、研究が深まるにつれて、一般的に使用されている樹脂ベースの複合材料には、靭性が低い、二次加工性が低い、耐熱性や耐湿性が低い、宇宙環境への適応性が低いなど、いくつかの固有の欠陥があることが判明しています。合金材料は、宇宙船上の広い領域に短時間で適用することが困難であるため、航空宇宙分野での合金材料の適用および開発にスペースと機会が与えられます。
複合材料の開発の勢いは良好であり、その応用範囲は今後も拡大していくでしょう。 複合材料の開発期間は比較的短いですが、その急速な開発傾向は、人々に大きな応用の可能性があると信じさせるのに十分です。 複合材料は、常に航空分野における航空宇宙用途の先を行ってきました。 航空機への応用は二次構造材から主構造材まで展開されています。 ボーイング787やエアバス380などの大型航空機の構造部品の複合材料量は世界の40～50％を占め、最新鋭ヘリコプタの構造部品の複合材料量は80％以上を占めています。 。 ボーイングとエアバスの公開調査データによると、2020年までに両社の航空機の構造部品はすべて複合材料を使用するようになる。 同様に、航空宇宙分野の複合材料には、巨大な開発スペースと展望があるでしょう。 これは、衛星トラスで以前広く使用されていたアルミニウム合金トラス接合部が炭素繊維複合材接合部に置き換えられつつあるという事実によっても証明されています。 図 2 は、典型的な炭素繊維複合材の接合部を示しています。 現在に至るまで、炭素繊維高性能複合材料は依然として複合材料の研究と応用の焦点となっています。 国際先進レベルとの差を縮めるために、中国は現在、複合材料の先進研究に大きな注目を集めている。 低コストの一貫生産技術の発展、自動化・大規模・高精度の製造装置の成熟化により、マトリックス樹脂や炭素繊維の性能、耐湿熱性、伸び率が継続的に向上しています。炭素繊維強化樹脂マトリックス複合材料の破断点は大幅に改善されており、宇宙船の構造に使用される複合材料の量は確実にさらに増加するでしょう。
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