航空航天熱端材料力學性能測試標準對標分析與標準化發(fā)展展望——涵蓋陶瓷基復合材料、高溫合金等關(guān)鍵材料，厘清常溫-高溫測試技術(shù)差異并提出產(chǎn)學研協(xié)同推進策略

引言

2015 年，美國航空航天局 (NASA) 發(fā)布了《2015 航空航天技術(shù)路線圖》, 該文件探討了美國 2015-2035 年航空航天發(fā)展所需的關(guān)鍵技術(shù)及實施路徑，其中，重點提到發(fā)射與推進系統(tǒng)，要求以降低 50% 發(fā)射成本為目標，積極研發(fā)固體火箭推進系統(tǒng)?液體火箭推進系統(tǒng)?吸氣發(fā)射推進系統(tǒng)等航空航天飛行動力部件1?

我國 “十四五規(guī)劃” 中，對航空航天領(lǐng)域發(fā)展提出了明確的要求，要求圍繞高質(zhì)量發(fā)展部署戰(zhàn)略資源，在 “十四五” 末期形成一批對未來發(fā)展有重大影響力的高科技成果 [2]?在 “航空十四五規(guī)劃” 的指導下，近年來，我國航空航天技術(shù)突飛猛進，C919?“殲 20”?“直 20” 的亮相，標志著我國進入航空航天技術(shù)領(lǐng)域強國行列，我國自主研發(fā)的 “太行” 系列航空發(fā)動機更是獲得廣泛關(guān)注 [3]?航天技術(shù)方面，我國 “長征” 航空火箭發(fā)展已歷經(jīng)四代，截至 2021 年底，“長征” 系列運載火箭有 16 個型號處于服役階段，此外亦有 “開拓者”?“快舟” 等型號運載火箭?“神州” 系列載人飛船?“天舟” 貨運飛船?“天宮” 空間站，這些成就標志著我國已成為航空技術(shù)大國 [4-5]?

為配合新時期 “上天?入地?下海” 的國家工程技術(shù)發(fā)展要求，隨著高端裝備的設(shè)計與研發(fā)，新型材料在極端環(huán)境下 (高溫?超高溫?真空?腐蝕) 力學性能的測試逐漸引起材料研發(fā)人員的關(guān)注 [6]?眾所周知，航空航天技術(shù)進步離不開航空特種材料的發(fā)展?目前，航空航天發(fā)動機熱端部件所使用的材料主要有陶瓷?復合材料?合金材料等，相關(guān)材料的研究朝著高性能?復合化?智能化?整體化?低維化?低成本化發(fā)展 [7]?西北工業(yè)大學的張超 [8] 等人，利用硅鉬棒加熱試樣，能夠在空氣及氬氣環(huán)境下將試樣加熱至 1600℃測量動態(tài)壓縮性能；大連理工大學的馬艷艷等人 [9] 設(shè)計的高溫力學試驗裝置，最快升溫速率可達到 800℃/min, 在 - 0.1MPa 真空度環(huán)境中將試樣加熱至 1500℃; 哈爾濱工業(yè)大學的李明旭等人 [10], 使用通電加熱的方式，將針刺 C/C 復合材料加熱至 2800℃測試并且測試了拉伸性能；重慶大學的崔森杰 [11] 等人，使用 PRO/E 設(shè)計極端溫度超高溫陶瓷力學性能測試儀器并通過 ANSYS 有限元模擬分析，模擬結(jié)果表明，儀器理論上可使試件在數(shù)秒內(nèi)達到 2700℃?對于航空航天技術(shù)服務(wù)產(chǎn)業(yè)而言，攻關(guān)高精尖?高技術(shù)?標準化是行業(yè)發(fā)展的必由之路 [12]?先進材料及構(gòu)件的實際應(yīng)用環(huán)境決定了材料性能及測試技術(shù)的發(fā)展方向，目前，國際國內(nèi)極端環(huán)境下材料力學性能測試技術(shù)及測試標準仍存在缺失情況，測試體系建設(shè)仍未完善?本文綜合分析航空航天發(fā)動機熱端部件用陶瓷類?復合材料類及金屬類現(xiàn)有測試標準，對標現(xiàn)有極端環(huán)境力學性能測試技術(shù)，對相關(guān)技術(shù)標準化提出展望?

1、航空航天熱端部件用材料力學性能測試標準分析

1.1 陶瓷材料

陶瓷具有強度高?密度低?耐高溫?耐腐蝕等優(yōu)點，在航空航天高端裝備中，結(jié)構(gòu)陶瓷?高溫陶瓷材料被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機渦輪葉盤?衛(wèi)星的天線罩等航空航天熱保護部件中?因此，陶瓷材料的力學性能，尤其是在高溫?超高溫等極端環(huán)境下的力學性能成為材料可靠性應(yīng)用的關(guān)鍵參考?表 1 列舉了國際國內(nèi)陶瓷材料常溫及高溫環(huán)境力學性能測試標準?

表 1 陶瓷材料力學性能測試標準

從表 1 中可看出，陶瓷材料常溫環(huán)境下基本力學性能測試標準較為健全，用作隔熱材料的陶瓷涂層力學性能評價亦有相關(guān)標準作為支撐?近年來，在我國檢測技術(shù)研發(fā)人員的努力下，相關(guān)測試技術(shù)已走在國際前列，主導發(fā)布了系列精細陶瓷 ISO 國際標準，如 ISO13124:2011?ISO17095:2013?ISO19603:2016?ISO20343:2017?ISO20407:2017?ISO23458:2020?ISO21713:2020?ISO5722:2023 等，有效解決了特種陶瓷的技術(shù)難題和標準化問題，填補了國內(nèi)外技術(shù)空白，對于特種陶瓷，特別是航空航天飛行器用熱端材料的服役安全有重要的現(xiàn)實意義?

1.2 復合材料

復合材料是由兩種或兩種以上材料，通過物理或化學方法，組成具有新性能的功能材料?目前，先進復合材料具有重量輕?強度大?熔點高?耐疲勞?耐磨損?熱穩(wěn)定性良好等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機葉片等關(guān)鍵部位，大到航天器?火箭導彈?核反應(yīng)堆，小到汽車，家具都能夠見到復合材料的應(yīng)用?近幾年，隨著航空航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，各國都加大了對先進復合材料研究的支持力度，同時也間接推動了先進復合材料測試標準的建設(shè)，表 2 是復合材料在常溫及高溫環(huán)境下的力學性能測試標準?

表 2 復合材料力學性能測試標準

近年來，隨著先進復合材料的研究熱度不斷升高，測試標準體系被迅速完善?尤其是 2021 年發(fā)布的《連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料高溫力學性能試驗方法》(GJB10311-2021), 規(guī)范了陶瓷基復合材料在高溫環(huán)境下拉伸?彎曲?壓縮?剪切?疲勞?蠕變等基本力學性能的測試方法，為材料及構(gòu)件在高溫環(huán)境中安全性應(yīng)用提供了技術(shù)支撐?

1.3 金屬?高溫合金材料

金屬及合金是應(yīng)用最早也是最廣泛的一類材料，在航空航天領(lǐng)域中，鋁合金?鎂合金?鈦合金和鎳鉬鎢合金等合金材料由于具有低密度?使用壽命高?耐腐蝕?耐高溫等優(yōu)異的性能，用于航空航天發(fā)動機中壓氣機盤?葉片?鼓筒?高壓壓氣機轉(zhuǎn)子?壓氣機機匣等關(guān)鍵部位，由于研究時間跨度長，因此，金屬及合金材料測試標準體系已相對完善，表 3 為金屬及合金材料常溫及高溫環(huán)境力學性能相關(guān)測試標準?

表 3 金屬及高溫合金材料力學性能測試標準

從表格中可看出，金屬及合金材料常溫?高溫環(huán)境力學性能測試標準體系已較為完善，同時，應(yīng)注意到，由于基本物理性質(zhì)的限制，金屬及合金材料大多易氧化且僅能在 1200℃及以下溫度環(huán)境中正常工作?因此，超高溫?高溫氧化等極端環(huán)境下的力學性能測試標準仍舊空白?

2、展望

隨著我國航空航天技術(shù)的進步，對于航空航天發(fā)動機熱端部件用特種材料在超高溫?高溫氧化等極端環(huán)境下進行力學性能測試的需求，將呈現(xiàn)井噴式爆發(fā)?

精細陶瓷材料在超高溫等極端環(huán)境下進行力學性能測試的國家標準體系仍未健全，相關(guān)測試標準體系的建設(shè)仍需要技術(shù)研發(fā)人員的共同努力?先進復合材料超高溫環(huán)境力學性能測試國家標準在 GJB10311-2021 的引領(lǐng)下已初具規(guī)模，并且逐步向高溫氧化極端環(huán)境測試方向探索，GB/T36264-2018 能夠測試先進復合材料在 2200℃高溫氧化環(huán)境下的拉伸性能?由此可見，相關(guān)標準體系的健全與完善只是時間問題?金屬及合金材料高溫環(huán)境力學性能測試國家標準體系已較為完善，超高溫?高溫氧化環(huán)境力學測試標準的建立需要材料研發(fā)人員及測試技術(shù)研發(fā)人員的共同努力?

高校?科研院所?航空航天企業(yè)及檢驗檢測機構(gòu)應(yīng)建立健全產(chǎn)學研合作機制，加強溝通協(xié)作，共同推進先進材料研發(fā)與極端環(huán)境下力學性能測試技術(shù)研發(fā)，為我國航空航天技術(shù)的快速發(fā)展提供有力支撐?

參考文獻

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（注，原文標題：航空航天飛行器熱端部件用高溫材料極端環(huán)境力學性能測試標準分析及展望）

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