航空工程材料、飛機(jī)制造互換與協(xié)調(diào)機(jī)械制造概述第九章航空事故原因統(tǒng)計(jì)（1）飛行員失誤：（50%）（2）其他人為因素：空管責(zé)任、飛機(jī)裝載不當(dāng)、燃油不足、保養(yǎng)維護(hù)不當(dāng)

（6%）（3）惡劣氣象因素：天氣，如雷擊、閃電、大霧、冰雹等（12%）（4）機(jī)械故障：發(fā)動(dòng)機(jī)故障、液壓失靈、儀表失靈、金屬疲勞、油箱起火等（22%）（5）意外破壞：撞鳥(niǎo)、電磁波影響、被安裝爆炸裝置、劫機(jī)等（9%）（6）難以解釋的原因：神秘失蹤等（1%）機(jī)械故障空難現(xiàn)場(chǎng)新舟60的起落架事故飛機(jī)主起落架鈦合金主起落架支柱“世界客機(jī)十大空難”中唯一與機(jī)械故障有關(guān)的空難——大阪空難

時(shí)間：1985年8月12日，死亡人數(shù)：520人（最多），客機(jī)：波音-747

原因——“金屬疲勞，尾翼折損”當(dāng)天《日航》波音-747-100SR從東京起飛，往大阪。不久在關(guān)東高天原山墜毀。520人死亡（4人生還），死傷慘重。據(jù)查，七年前該機(jī)機(jī)尾曾受損傷，當(dāng)時(shí)波音維修人員少補(bǔ)了一排鉚釘，致?lián)p傷處積累金屬疲勞，飛行中尾翼撕裂脫落，引發(fā)事故。生還者述，墜機(jī)后不少人仍存活，但救援遲緩。事后日本搜救工作受到輿論指責(zé)。日航董事長(zhǎng)引咎辭職，維修部經(jīng)理自殺謝罪。事故飛機(jī)波音-747（大阪國(guó)際機(jī)場(chǎng)）造成空難的五大機(jī)械故障【引擎故障】引擎故障遠(yuǎn)非想象的可怕。客機(jī)如雙發(fā)、三發(fā)、四發(fā)（波音747等），全部引擎效事幾率極小。2016年2月臺(tái)灣復(fù)興航空基隆河墜機(jī)是因?yàn)橐粋€(gè)引擎失效后機(jī)長(zhǎng)誤把好引擎也關(guān)掉了?！疽簤菏ъ`】飛機(jī)所有控制面，副翼，升力面等均通過(guò)油管連接著機(jī)師的踏板和手柄，液壓像針管，一頭推進(jìn)去，從另一頭出來(lái)。通常很可靠，但有個(gè)缺點(diǎn)——一旦泄漏就失靈。所以一般液壓系統(tǒng)備有三套。不過(guò)失靈的事件也是時(shí)有發(fā)生的。85年日航123次航班后艙門掉落又砸壞尾翼，三套液壓同時(shí)失靈，飛機(jī)墜入山區(qū)，524人只有4人生還。改進(jìn)方向是EMA、EHA。造成空難的五大機(jī)械故障【油箱起火】油箱直接爆炸的事故罕見(jiàn)。爆炸是靜電火花點(diǎn)燃油箱航油蒸氣所致。90年來(lái)美國(guó)發(fā)生過(guò)三起油箱爆炸。96年環(huán)球航空波音747客機(jī)在紐約長(zhǎng)島上空爆炸事故，230人喪生。于是，油箱加裝了安全裝置：用泵向油箱灌注氮?dú)?，以減少航油蒸氣中氧氣的含量，這樣幾乎可消除事故?！颈ㄐ詼p壓】飛機(jī)內(nèi)外有空氣壓差，機(jī)身必須嚴(yán)絲合縫，若有縫隙，就會(huì)像被刺破的氣球一樣炸開(kāi)，叫做爆炸性減壓，一旦發(fā)生，血管里的氣體igz會(huì)變成泡泡阻止血液循環(huán)，同時(shí)血管破裂造成內(nèi)出血，肺也會(huì)被脹破。如果發(fā)生慢性減壓，艙內(nèi)壓力逐漸下降，會(huì)進(jìn)入昏迷狀態(tài)?！窘饘倨跀嗔选恐攸c(diǎn)金屬疲勞斷裂

——許多零件（直升機(jī)旋翼、發(fā)動(dòng)機(jī)軸和葉片、傳動(dòng)齒輪、彈簧等等，受到方向、大小反復(fù)改變的“交變載荷”。盡管其應(yīng)力值比材料的抗拉強(qiáng)度低，但是長(zhǎng)期使用的條件下會(huì)在一處或多處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，在某個(gè)時(shí)刻突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為“疲勞斷裂”）肌腱自發(fā)性斷裂長(zhǎng)期反復(fù)輕傷或磨損，日久引發(fā)肌腱突然斷裂。

金屬軸的疲勞斷裂疲勞裂紋源于鍵槽左邊底部拐角處應(yīng)力集中。疲勞宏觀斷口分為三個(gè)區(qū)：

①疲勞源區(qū)：A區(qū)，白亮圓斑所包圍的眼狀小塊；

②擴(kuò)展區(qū)：B區(qū)，白色平滑斷口，有多條貝殼花樣形弧線，呈放射狀；

③終斷區(qū)：C區(qū)，金屬軸呈現(xiàn)快速斷裂。2007年11月2日，一架美軍F-15C鷹式戰(zhàn)斗機(jī)在做空中纏斗飛行訓(xùn)練時(shí)，飛機(jī)突然凌空解體。事后的調(diào)查結(jié)果表明，位于飛機(jī)座艙后部一側(cè)的一個(gè)關(guān)鍵支撐構(gòu)件——“桁梁”出現(xiàn)金屬疲勞問(wèn)題。以至于整個(gè)機(jī)頭被甩出機(jī)身。舉例：F-15軍機(jī)座艙后部“桁梁”疲勞釀成事故

2002年5月25日，臺(tái)灣華航的一架波音747客機(jī)在執(zhí)行臺(tái)北-香港的CI611航班途中，墜毀于澎湖外海，機(jī)上225名乘客與機(jī)組人員全部遇難。經(jīng)調(diào)查證實(shí)，失事原因是金屬疲勞斷裂，金屬疲勞裂紋竟源自1980年2月7日飛機(jī)起飛時(shí)擦地產(chǎn)生刮痕。飛機(jī)后續(xù)維修時(shí)，刮痕未被完全刨光和補(bǔ)上補(bǔ)釘，結(jié)果，金屬疲勞裂紋沿著該刮痕發(fā)展。飛機(jī)零件數(shù)量巨大，都用到哪些材料？A380有400百萬(wàn)個(gè)零部件！翼展：79.75米機(jī)長(zhǎng)：72.75米高度：24.09米A380高級(jí)轎車僅9千多個(gè)零件，而波音787客機(jī)遄達(dá)1000（Trent1000）發(fā)動(dòng)機(jī)有9萬(wàn)多個(gè)零組件！鋁合金鈦合金鎂合金銅合金航空塑料航空橡膠膠粘劑隱身材料陶瓷材料絕緣材料密封材料結(jié)構(gòu)鋼耐熱鋼高溫合金鐵碳合金航空工程材料有色金屬高分子材料復(fù)合材料其他材料碳鋼鑄鐵金屬基復(fù)材按基體材料分類聚合物基復(fù)材陶瓷基復(fù)材碳-碳基復(fù)材飛機(jī)結(jié)構(gòu)主要材料的比例（以空客A380為例）

GLARE工藝技術(shù)生產(chǎn)的復(fù)合材料蒙皮叫GLARE蒙皮，在A380飛機(jī)的機(jī)身被采用。相比鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是：

斷裂機(jī)械性能好，能顯著提高抗裂紋增長(zhǎng)能力；

抗腐蝕及防火能力強(qiáng)。在A380-800飛機(jī)蒙皮上應(yīng)用了大約500平方米的GLARE材料。應(yīng)用廣泛，重點(diǎn)介紹鋁合金鈦合金

鋼復(fù)合材料GLARE蒙皮表面防護(hù)材料其他飛機(jī)結(jié)構(gòu)主要材料的比例（以波音787為例）

Carbonlaminate（碳纖維疊層）Carbonsandwich（碳纖維蜂窩夾層）Fiberglass（玻璃纖維）Aluminum（鋁合金）Aluminum/steel/titaniumpylons（鋁、鋼、鈦吊架）Vought‘sfirst787aftfuselagesectionisstagedforacompanycelebrationneartheSouthCarolinastate（南卡羅萊納州）flag(May8,2007)波音-787的復(fù)合材料機(jī)身段（2）超硬鋁Al-Zn-Mg-Cu系列7A04在飛機(jī)應(yīng)用廣泛，如機(jī)翼蒙皮、隔框、桁條等，甚至可代替高強(qiáng)度鋼制造起落架、機(jī)翼、大梁，缺點(diǎn)是易應(yīng)力腐蝕、耐高溫差（3）鍛鋁Al-Cu-Mg-Si系列熱塑性好，適合鍛造毛坯完全/不完全退火：降低硬度、強(qiáng)度、體改塑性，便于機(jī)械加工淬火（固溶處理）：提高強(qiáng)度和硬度。例如550C保溫-水中快冷，強(qiáng)度從200MPa升高到250MPa時(shí)效：淬火后放置一段時(shí)間，強(qiáng)度和硬度而提高明顯。人工時(shí)效：淬火后常溫下自發(fā)強(qiáng)化自然實(shí)效：淬火后置入烘箱低溫加熱保溫。過(guò)時(shí)效：烘箱溫度過(guò)高或常溫下放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，強(qiáng)度和硬度反而降低。但是耐腐蝕性能增加。

不可熱處理強(qiáng)化，抗腐蝕性能防銹鋁：Al-Mg、Al-Mn系列（1）硬鋁Al-Cu-Mg系列應(yīng)用廣泛：蒙皮、翼肋水平尾翼的翼面等

可熱處理強(qiáng)化鋁合金變形鋁合金鋁為主，加入Cu、Mg、Mn、Si等合金元素，經(jīng)過(guò)壓力加工生產(chǎn)出的鋁合金叫作變形鋁合金變形鋁的熱處理【硬鋁】鋁-銅-鎂合金，飛機(jī)用最早，牌號(hào)多，時(shí)效強(qiáng)化后顯著提高硬度，成“硬鋁”。加工工藝性能優(yōu)良。【超硬鋁】鋁-鋅-銅-鎂合金，室溫下強(qiáng)度最高500～700MPa（接近45

鋼）。缺點(diǎn)耐腐蝕和耐熱性均差，不得超過(guò)120C工作，也稱“室溫下的超硬鋁”。?？湛?80外翼下翼面整體鋁合金壁板，長(zhǎng)度30余m、厚度30余mm機(jī)身蒙皮、機(jī)翼蒙皮、尾翼蒙皮，機(jī)翼翼肋、縱墻、桁條、翼梁，機(jī)身主框、縱梁等等很多用到鋁合金。鈦合金在航空航天的應(yīng)用舉例應(yīng)用領(lǐng)域材料使用特性應(yīng)用部位航空發(fā)動(dòng)機(jī)500C下高屈服強(qiáng)度/密度比、高疲勞強(qiáng)度/密度比、熱穩(wěn)定性好、抗腐蝕、輕量化500C下部位：壓氣盤、動(dòng)/靜葉片、機(jī)殼、燃燒室外殼、排氣機(jī)構(gòu)外殼、中心體、噴氣管等機(jī)身在300C下的比強(qiáng)度很高蒙皮、大梁、起落架、翼肋、隔框、緊固件、導(dǎo)管、艙門、拉桿等航天高溫或超低溫下的比強(qiáng)度高、韌性和塑性好高壓容器、燃料儲(chǔ)箱、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)/導(dǎo)彈殼體、飛船蒙皮、結(jié)構(gòu)骨架、主起落架、登月艙等民機(jī)結(jié)構(gòu)中鋁合金/鈦合金重量的比例鈦合金（輕合金）鋁：鈦：鎂：鋼的金屬密度=

2.7：4.5：1.74：7.8g/cm3優(yōu)點(diǎn)

比強(qiáng)度（強(qiáng)度-重量比）高

熱強(qiáng)度高

抗蝕性好缺點(diǎn)

難加工（工藝性差）

不耐磨

成本高

高溫下吸氫/氧而脆化，所以熱加工要在真空或保護(hù)氛圍中進(jìn)行

空心鈦合金風(fēng)扇葉片EEE-E空心葉片剖面鈦合金渦輪葉盤渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金空心整流葉片風(fēng)扇（進(jìn)氣道）（低/高壓）壓氣機(jī)燃燒室渦輪尾噴管排氣出口溫度

600C出口溫度

1700C高溫合金（燃?xì)鉁u輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的主要材料）（蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度、耐高溫瞬時(shí)強(qiáng)度、高溫機(jī)械強(qiáng)度、熱疲勞均高）渦輪葉片高溫合金燃燒室高溫合金渦輪盤高溫合金高溫合金均以鐵、鉻、鎳為基體。渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料——（復(fù)材）三代機(jī)（J11）VS四代機(jī)（F22）材料對(duì)比

——由兩種或多種不同材料組成的具有兩個(gè)或兩個(gè)以上相態(tài)結(jié)構(gòu)的材料。J11F22J11F22第四代戰(zhàn)斗機(jī)美國(guó)的F-22和F35、俄羅斯的Su-37為代表，采用翼身融合、多面體結(jié)構(gòu)、外傾式雙垂尾、大邊條機(jī)翼或三翼面結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料用量

24%以上，鈦合金達(dá)到40%左右，整體壁板、大型結(jié)構(gòu)件，用復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)件占據(jù)了重要地位。F35F22為何要多用復(fù)合材料：優(yōu)于單一材料。強(qiáng)度、彈性、耐腐蝕、輕燃油、起飛載重量、載彈量......民機(jī)：空客A380結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用部位A380是空客首次大范圍大型民機(jī)應(yīng)用復(fù)合材料。其中央翼盒重8.8噸，有5.3噸復(fù)合材料。水平-垂直尾翼、后機(jī)身、機(jī)翼固定前緣、機(jī)翼后緣、襟翼跟蹤梁、橫向壁板、次承力翼肋、襟翼整流罩、擾流板、副翼、起落架艙門等都采用復(fù)合材料。最重要的復(fù)材——碳纖維（carbon

fiber，簡(jiǎn)稱CF）碳纖維（carbon

及fiber，簡(jiǎn)稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向延伸而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石磨材料。它比重不到鋼的1/4，但強(qiáng)度卻非常高。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻遠(yuǎn)高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國(guó)防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維材料。碳纖維材料廣泛用于航空航天、軍事工業(yè)、建筑、汽車以及民用工業(yè)等廣泛領(lǐng)域。【碳纖維強(qiáng)度】（4000-5000MPa）【超硬鋁、45號(hào)鋼】（500～700MPa）原絲碳纖維【生產(chǎn)工藝】合成油劑聚苯烯腈（PAN）紡絲原絲

預(yù)氧化低溫碳化高溫碳化表面處理上漿碳纖維成品（微晶石墨材料）

卷繞制備工藝流程簡(jiǎn)介A350的復(fù)合材料機(jī)身壁板

空客后機(jī)身段由以下幾大部分組成：（1）機(jī)身尾段（西班牙的空客赫塔菲工廠生產(chǎn)）；（2）四塊后機(jī)身段蒙皮，其中上下蒙皮（德國(guó)的空客施塔德工廠生產(chǎn)）、兩塊側(cè)蒙皮（德國(guó)PremiumAEROTEC公司生產(chǎn)）；（3）地板結(jié)構(gòu)。

組裝時(shí)將機(jī)身尾段作為基準(zhǔn)定位。在空客漢堡工廠完成結(jié)構(gòu)組裝。然后該機(jī)身段被運(yùn)往位于法國(guó)圖盧茲的空客A350XWB總裝廠。空客A350XWB寬體飛機(jī)后機(jī)身段（長(zhǎng)20m，全碳纖維復(fù)合材料）（a）機(jī)翼外翼（b）尾翼、鴨翼（c）發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道樹(shù)脂基復(fù)合材料（e）S形進(jìn)氣道（d）RTM波紋梁飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用三種隱身技術(shù)（1）減小飛機(jī)雷達(dá)反射截面（RCS）

外形隱身設(shè)計(jì)；

隱身（吸波）材料；

主動(dòng)對(duì)消、被動(dòng)對(duì)消等；（2）降低紅外輻射

對(duì)紅外輻射部位采取隔

熱、降溫等措施；（3）涂隱蔽色簡(jiǎn)單隱身二次大戰(zhàn)迷彩涂料、降低飛機(jī)與天空背景的對(duì)比度，模糊目視特征；60年代，美偵察機(jī)“黑鳥(niǎo)”SR-71全身涂黑色吸波材料，消除反光，吸收雷達(dá)波，將電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能耗散等；F22“猛禽”從《隱身人

格里芬》到《隱身戰(zhàn)機(jī)》——科幻到現(xiàn)實(shí)，異曲同工隱身材料【隱身飛機(jī)（Stealthaircraft）】指雷達(dá)反射波和紅外輻射等特征信息較弱，不易敵方探測(cè)發(fā)現(xiàn)的飛機(jī)【隱身材料】減弱武器裝備的特征信號(hào)，縮短被發(fā)現(xiàn)距離或降低概率的一種功能材料。有分別針對(duì)雷達(dá)、紅外、光、聲波的隱身效果。（1）雷達(dá)隱身材料

雷達(dá)是當(dāng)前最主要的軍事探測(cè)手段，對(duì)航空器探測(cè)的雷達(dá)工作頻率為1GHz～18GHz，雷達(dá)隱身就是要降低飛機(jī)的雷達(dá)反射截面面積（RCS：RadarCrossSection）。

相比于外形設(shè)計(jì)隱身，隱身功能材料（雷達(dá)吸波）更簡(jiǎn)便易行。其特點(diǎn)是能吸收電磁波，對(duì)電磁波的反射-散射-透射很弱。

理想的隱身材料的特點(diǎn)：吸收頻帶寬、質(zhì)量輕、厚度薄、物理力學(xué)性能好、使用簡(jiǎn)便。

雷達(dá)隱身材料的分類

隱身材料寄生型隱身材料結(jié)構(gòu)型隱身材料（1）涂料型吸波材料（2）泡沫型吸波材料（3）吸波膩?zhàn)樱?）電路模擬吸波結(jié)構(gòu)等等（1）夾層型復(fù)合材料（2）層合型吸波復(fù)合材料等J31J20J31J20和J31將利用功能奇特、更強(qiáng)大的所謂“超材料”制成隱身蒙皮。原J20\F22\F35均采用隱身外形設(shè)計(jì)+隱身材料。隱身外形設(shè)計(jì)盡量減少雷達(dá)波反射，而無(wú)法完全吸收電磁波?！痉措[身雷達(dá)】目前隱形技術(shù)無(wú)法對(duì)頻率30千、94千、140千GHz毫米波雷達(dá)隱身，故威脅著隱身飛機(jī)。我國(guó)研發(fā)的“超材料”能對(duì)毫米波雷達(dá)隱身，屬一種超越自然材料的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，有天然材料不具備的超常物理性質(zhì)。如“左手材料”、“光子晶體”、“超磁性材料”等。在一定頻段下具有負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)介電常數(shù)，對(duì)電磁波傳播形成“負(fù)折射率”。即不產(chǎn)生，也不吸收電磁波，而是引導(dǎo)被物體阻擋的電磁波繞著走，實(shí)現(xiàn)完