金属材料的应用分析及解读

2019-02-09赵娇娇

世界有色金属 2019年4期

关键词：卫星天线记忆合金航空航天

赵娇娇

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000）

1 金属材料的种类及其性质

1.1 金属材料的种类

所谓的金属材料具体是指有光泽、能够导电、可以延展的材料，虽然金属材料的种类比较多，但却可将之归纳为两类，一类是黑色金属，另一类是有色金属，除了这两大类金属之外，还有一类较为特殊的金属材料，即特种金属。

①黑色金属。这类金属材料又被称之为钢铁材料，如工业纯铁、钢、铸铁等。②有色金属。这类金属材料包括除铁、锰、铬之外的其它金属及合金，可以细分为以下几种：轻金属、重金属、贵金属、稀有金属等等。③特种金属。这类金属材料通常是指具有特殊结构和功能的金属，如非晶态金属、纳米晶金属、金属基复合材料等等。

1.2 金属材料的性质

①硬度。这是大部分金属材料都具有的基本特性，正是因为金属本身有非常高的硬度，从而使其在很多对硬度要求较高的领域中得到广泛应用。硬度是一种能力，也是金属的重要性能指标，硬度越高，耐磨性就越好。②塑性。该性质具体是指金属在受到外部载荷作用的情况下，产生塑性变形而不被破坏的一种能力。通常情况下，可以用长度延伸率以及断面收缩率这两个指标对金属的塑性进行衡量，这两个指标越高，金属材料的塑性就越好，能够承受的载荷就越大。③疲劳。金属材料在应用时会被制造成各种形状的零件或是构件，它们在工作中通常需要承受交变荷载的作用，虽然这一过程中产生的应力并不会超过金属材料本身的屈服强度，但随着时间的推移，加之应力的循环作用，还是可能引起金属材料脆性断裂，这就是金属材料的疲劳特性。

2 金属材料在航空航天领域中的应用

在航空航天领域中，金属材料的应用非常广泛，下面就一些典型金属材料的应用进行分析。

（1）镁锂合金在航空航天中的应用。镁锂合金是目前全世界已知金属材料中重量最轻的一种，这种金属材料主要是由镁、锂、锌等组成，其中锂的含量约为5-16wt%左右。镁锂合金具有超轻的重量、优异的刚性、超高的比强度、良好的导电及导热等特性，并且还具有一定的电磁屏蔽和减震性能，正因为镁锂合金所具有的这些特性使其在航空航天等诸多领域中得到应用。在航空航天领域中，对相关产品的结构重量要求非常之高，这是因为重量过大会导致相应的成本提高，以航天飞机为例，当其本身的重量增大1kg时，会使发射成本随之增加10万元人民币左右，如果能够使航天飞机的自重减轻，那么发射成本自然会大幅度降低。目前，在航空航天领域中，镁锂合金的应用越来越广泛，其中比较典型的有火箭舱的制造，飞机的上下侧板，飞行器的防护罩及燃料箱，航天气瓶的内衬以及登月平台等等。例如，由国外某公司研发的镁锂合金在著名的阿金纳运载火箭的通信卫星上进行应用，由此使卫星的整体重量大幅度降低，为顺利升空提供了条件；又如，美国某公司在一艘运载火箭的计算机和电路面板的制造中应用了镁锂合金。除此之外，还有很多宇宙飞船、火箭、卫星的零部件都是以镁锂合金制成。

（2）铝合金在航空航天中的应用。铝合金一直以来都是航空航天飞行器制造中应用较为广泛的一种金属材料，随着航空航天技术的不断发展，对铝合金的性能提出了更高的要求，在这一前提下，铝锂合金随之问世，这种金属材料的密度要比普通铝合金低很多，并且耐腐蚀性更好，比强度更高。相关研究结果表明，向铝合金中加入适量的锂，不但能够使铝合金的密度降低，而且还能使铝合金的弹性模量进一步提升，在客机的制造中，如果用铝锂合金代替铝合金，能够使飞机自身的重量降低，根据业内人士估算，降低幅度可以达到12.5%～14.6%左右，由此可节省燃料和成本；若是在军用战机的制造中，用铝锂合金替代铝合金，能够使战机的起飞滑跑距离显著缩短，有效航程则会随之增加。正是因为铝锂合金所具备的这些应用优势，使得各国在航天飞机的制造中都开始用铝锂合金替代铝合金。

如，某型号的空中客机在机身蒙皮、机翼前后缘上均使用了铝锂合金，该材料的用量在金属材料中的占比超过15%。

（3）形状记忆合金的应用。形状记忆合金是一种非常特殊的金属材料，业内将这种材料称之为智能金属，它具有如下特性：无需借助任何外力作用，并且不需要接触，通过改变环境温度，便可以产生变形。这种材料的功能非常强大，如传感、能量转换、控制等，并且结构非常简单。对于航空航天领域而言，由于运行环境较为特殊，因此，要求应用的金属材料应当能够适应极端苛刻的条件，形状记忆合金恰好能够达到航空航天运行环境的要求，由此使其在该领域中得到了应用。

在航天飞机上，除了大量的电子系统之外，还有一些结构复杂的液压和气压系统，对于飞机而言，这些系统至关重要，与飞机的维护及报废等方面具有密切的关联。相关统计数据结果显示，飞机飞行故障中，有将近30%左右的故障是液压系统造成的，由此使得液压系统被归入到飞机故障率最高的系统行列之中。为了解决这一问题，业内的专家学者提出，可以用形状记忆合金制作连接管的接头，并使接头的尺寸略小于管道的外径，定型后，管接头会在低于相变温度的条件下，使接头内径强制扩大，这样便可以卡住管道，从而达到密封的要求。如，美国某型号的战斗机在制造时，应用了形状记忆合金制作管接头，解决了漏油问题，液压系统的故障率大幅度降低。除此之外，形状记忆合金还能用于制作宇宙飞船的卫星天线。由于卫星天线的面积相对较大，很难通过运载火箭进行整体运输，若是在地面上将卫星天线拆解之后，再运到太空进行组装，不仅耗时较长，而且在太空上作业难度较大，形状记忆合金在卫星天线上的应用使这个问题得到有效解决。

（4）纤维陶瓷的应用。虽然纤维陶瓷并不是金属材料，但在航空航天领域中，这是为数不多能够替代金属材料进行应用的材料之一。此类材料具有耐高温的特性，并且重量比较轻。由于飞机上的某些部件需要承受超过2000℃的高温，而大部分金属材料的熔点都低于该值，也就是说，如果用金属材料，那么这些部件很可能会熔化，即使没有熔化，金属也会失去原本的坚固性，这对于飞机的安全影响巨大。耐高温是纤维陶瓷最为突出的特性，并且这种材料不能再燃烧，抗热、抗氧化，不会断裂，因此可将这种材料用于喷气式发动机上的重要部位，也可用于火箭液体驱动装置的燃烧仓及喷嘴。