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第18部分 结构材料 3

第172章 未来飞机结构：从金属结构到复合材料结构 3

1 引言 3

2 飞机结构：过去、现在和未来 5

2.1 现代飞机结构，更轻更省油 6

2.2 结构效率——几何与连续性 7

3 层合板结构：从金属材料到复合材料 10

4 复合材料和多学科飞机设计 11

4.1 多学科机身设计，力学与声学的集成 13

4.2 机身的隔音 14

5 安全低成本层合板 14

6 简单纤维铺层，安全和低成本 18

7 简单聚酯系统，安全和降低成本 20

8 制造、组装和控制：金属纤维的优点 23

9 结论 23

注释 24

参考文献 24

拓展阅读 25

第173章 结构材料：铝及其合金——属性 26

1 引言 26

2 历史 28

3 加工处理 28

4 铝合金的强化机制 29

5 合金牌号和特性 31

6 结论 35

参考文献 35

第174章 结构材料：铝及其合金的制造技术 37

1 引言 37

2 铝结构的制造 37

3 整体加筋板 37

4 铝结构的连接 38

5 铜焊 39

6 熔焊 39

7 弧焊 39

8 气状钨弧焊（GTAW）TIG 39

9 气状金属弧焊（GMAW）MIG 40

10 变极性等离子弧焊接过程（VPPAW） 40

11 束焊 41

12 电阻焊 41

13 固态过程 41

14 线性及旋转摩擦焊接 42

15 摩擦搅拌焊接（FSW） 42

16 铝结构的近网成型过程 43

17 精密铸造 43

18 精密锻造 43

19 夹层结构 44

20 多层成型 44

21 结论 45

致谢 45

参考文献 45

第175章 钛及其合金：冶金、热处理及合金特性 47

1 引言 47

2 为什么选用钛 47

3 钛冶金 49

3.1 合金种类 49

3.2 钛的热处理 50

3.3 一般合金特性 53

3.4 新兴合金 56

4 结论 56

参考文献 56

第176章 金属钛及其合金：处理、加工及力学性能 58

1 处理 58

1.1 熔化 58

1.2 锭的转化 58

1.3 坯锭 59

1.4 薄板产品 59

1.5 杆、锻块 59

1.6 模锻 59

1.7 挤压型材 60

1.8 铸件 60

1.9 粉末冶金 61

2 制造 61

2.1 焊接 61

2.2 超塑成型和扩散结合（SPFDB） 63

2.3 添加层制造 64

2.4 机械加工 65

2.5 表面处理 65

3 机械性能 66

3.1 拉伸强度 67

3.2 延展性 67

3.3 断裂韧性 67

3.4 疲劳 68

3.5 蠕变 70

4 结论 70

参考文献 70

拓展阅读 71

第177章 纤维增强聚合物复合材料：制造和认证问题 72

1 引言 72

2 认证问题 73

2.1 材料和工艺发展 73

2.2 生产和质量评估 73

2.3 构件测试 74

2.4 分析 75

2.5 结构测试 76

2.6 可支持性 76

3 制造选择 76

3.1 材料选取 76

3.2 工艺选择 77

3.3 连接 77

4 结论 77

参考文献 78

拓展阅读 78

第178章 负载层压复合材料结构 79

1 引言 79

2 复合材料层合板的基本术语 79

薄板、层合板和层合板编码 79

3 薄板的应力应变关系 80

4 薄板的本构方程（薄板理论） 81

5 薄板应力分析 81

6 薄板失效准则 82

6.1 薄板面内失效准则 82

6.2 薄板面外失效准则 82

7 自由边应力 82

8 复合材料层合板结构特点 83

9 层合板增强设计方法 83

10 结论 84

参考文献 84

第179章 纤维增强聚合物基复合材料： 压力容器在航空航天的应用 85

1 引言 85

1.1 什么是压力容器（PV） 85

1.2 什么是航天系统 85

1.3 压力容器在航天系统中的应用 86

1.4 国际压力硬件标准 87

2 复合材料缠绕压力容器（COPV）的制造工艺 87

3 复合材料缠绕压力容器应用于航空航天的主要问题 88

3.1 撞击破坏 88

3.2 LBB失效模式 88

3.3 应力破坏寿命 88

4 复合材料缠绕压力容器（COPV）设计和检验的关键要求 89

4.1 设计要求 89

4.2 材料要求 90

4.3 质量保证要求 91

5 结论 91

参考文献 91

第180章 纺织复合材料：聚合物基复合材料 92

1 引言：什么是纺织复合材料？ 92

2 纺织预成型的类型 92

2.1 机织预成型 93

2.2 编织预成型 94

2.3 多轴多层经编预成型（无皱褶织物） 95

3 纺织预成型在复合材料制造中的特性 96

3.1 成型性 96

3.2 渗透性 97

4 纺织复合材料的内部结构 98

4.1 皱褶 99

4.2 孔隙、富树脂区、嵌套 99

5 织物增强复合材料的刚度 99

6 织物增强复合材料的强度和损伤演化 102

6.1 准静态拉伸强度和损伤 102

6.2 压缩和面外加载 103

6.3 复杂加载的失效准则 103

7 纺织复合材料的建模工具 104

7.1 单胞的几何模型 104

7.2 增强材料变形性和悬垂的建模 105

7.3 渗透性和充模的建模 105

7.4 纺织复合材料力学性能和结构分析的建模 106

8 结论 106

参考文献 106

扩展阅读 107

第181章 纺织复合材料：陶瓷基复合材料 108

1 引言 108

2 陶瓷基复合材料：损伤容限型脆性材料 108

3 材料选择和加工 110

3.1 航空航天应用材料选择 110

3.2 纤维 110

3.3 界面涂层 110

3.4 基体材料 111

3.5 加工方法 111

4 单向或层合二维增强陶瓷基复合材料的性能 112

5 三维织物增强陶瓷基复合材料 112

5.1 坚固的薄陶瓷基复合材料面板 113

5.2 三维陶瓷基复合材料结构举例 113

6 三维织物增强陶瓷基复合材料性能的建模 116

7 结论 117

相关章节 117

参考文献 118

第182章 三维贯穿层合（Translaminar）增强和三维纺织复合材料 119

1 引言 119

2 贯穿层合复合材料 120

2.1 定义 120

2.2 穿过层板厚度的缝合复合材料 121

2.3 Z向针刺成型复合材料 121

3 复合材料三维整体式纺织预制件 123

3.1 三维整体式预制件的定义 123

3.2 纺织增强相的不同类型 123

4 二维和三维纺织增强复合材料的设计 124

4.1 纺织复合材料的关键问题 124

4.2 Z向纱线尺寸的影响 125

4.3 预制件纤维结构的影响 126

5 力学性能的比较 129

6 结论 130

致谢 131

参考文献 131

第183章 轻质夹芯结构 133

1 夹芯结构 133

2 夹芯板的制造 134

3 面板的制造 134

4 夹芯 135

5 夹芯的制造 136

6 夹芯板的装配 136

7 切割和折叠拼接 137

8 夹芯结构边缘处理 137

9 连接夹芯板 138

10 夹芯板应用 139

10.1 体育 139

10.2 民用基础设施 139

10.3 内饰 139

10.4 化学／电子 139

10.5 航海应用 139

10.6 汽车和铁轨 139

10.7 航空领域 140

11 结论 140

相关章节 140

参考文献 140

拓展阅读 140

第184章 激光在航空航天制造工业中的应用 141

1 激光钻孔 141

1.1 钻孔 141

1.2 简介 141

1.3 激光钻孔原理 141

1.4 激光钻孔变量 142

1.5 航空航天工业不同材料钻孔 143

1.6 激光钻孔的数学模型 144

1.7 传感器 144

1.8 总结 144

2 焊接 144

2.1 简介 144

2.2 激光焊接原理 145

2.3 激光焊接变量 145

2.4 航空航天工业中不同材料焊接技术 146

2.5 热传递 147

2.6 传感器 147

2.7 总结 147

3 激光冲击喷丸 148

作用机理 148

4 激光熔覆和直接金属沉积技术 148

4.1 简介 148

4.2 激光熔覆建模 149

4.3 激光熔覆技术制造复合材料 150

4.4 固体自由成型 151

4.5 直接金属沉积技术 152

4.6 材料微观结构设计 153

5 结论 154

致谢 154

参考文献 154

第185章 金属与金属和金属与复合材料黏接以及螺栓结构连接 158

1 引言 158

2 机械接头 159

3 黏接接头 159

4 经典接头分析 160

5 混合接头分析 162

6 设计展望 164

参考文献 165

第186章 热防护系统 166

1 引言 166

2 航天飞机的遗产 167

2.1 隔热瓦和覆盖层 168

2.2 覆有增强碳－碳材料的机翼前缘、凸出部分 168

3 较新的隔热瓦和覆盖层概念 169

4 金属热防护系统 170

5 结构集成TPS／陶瓷基复合材料（CMC） 171

6 热结构 171

7 冷却概念 172

8 尖前缘和超高温陶瓷 172

9 示范试验飞行器 173

10 烧蚀材料 174

11 电弧试验 175

12 充气系统 175

13 结论 175

致谢 175

参考文献 176

第187章 叠层（Layer-by-Layer，LBL）纳米材料制成的先进复合材料 178

1 引言 178

2 叠层黏土 178

2.1 黏土粒子的结构与特性 178

2.2 多层黏土的结构组织 179

2.3 作为高性能纳米复合材料的多层黏土 179

2.4 多层黏土在生物技术方面的应用 182

2.5 多层黏土的各向异性传输 182

2.6 多层黏土在光学与电子方面的应用 183

3 叠层碳纳米管 183

3.1 CNTs结构与特性 183

3.2 多层碳纳米管的结构组织 183

3.3 电导体方面的应用 183

3.4 传感器方面的应用 184

3.5 燃料电池方面的应用 184

3.6 叠层纳米／微球涂层及生物医学方面的应用 185

4 结论 186

参考文献 186

第188章 纳米材料的力学性能 189

1 聚合物基纳米材料的重要性 189

2 填料几何性质对纳米复合材料刚度的影响 190

3 纳米夹杂对聚合物的增强与增韧效应 192

4 纳米复合材料模型 194

5 结论 195

致谢 195

参考文献 195

第19部分 耐高温材料 199

第189章 钛合金：加工、性质及其应用 199

1 引言 199

2 钛的合金化 200

3 钛合金的加工 200

4 工艺与性能关系 202

4.1 钛合金微观结构的演变 202

4.2 拉伸性质 204

4.3 断裂韧性 204

4.4 疲劳特性 205

4.5 蠕变行为 205

4.6 应力腐蚀开裂（StressCorrosionCracting，SCC） 206

5 钛合金的航空航天应用 206

6 结论 209

7 致谢 209

扩展阅读 209

第190章 TiAl金属互化物 210

1 引言 210

2 组成和微观结构 210

3 热力学性质 212

4 变形特性、强度和韧性 212

5 裂纹扩展和断裂韧性 214

6 疲劳 215

7 蠕变 216

8 加工 217

8.1 铸造 217

8.2 粉末冶金 217

8.3 锻造加工 217

8.4 连接 218

9 表面处理 218

10 结论 219

致谢 219

相关章节 219

参考文献 219

第191章 高温应用下的金属基复合材料 221

1 引言 221

2 加工 223

2.1 搅拌铸造 223

2.2 熔体浸渗法／压挤铸造 223

2.3 原位反应（In situ reaction） 223

2.4 粉末加工 223

2.5 纤维箔铺层 223

2.6 基体纤维涂层的巩固 223

3 铝复材 224

4 钛基系统 224

4.1 静态拉仲性能 224

4.2 蠕变和疲劳 224

5 金属问化合物 225

5.1 钛铝合金复合材料 226

5.2 镍基系统 226

5.3 硅化系统 226

6 应用 227

6.1 整体叶片环和叶片环 227

6.2 轴 228

6.3 其他部件 228

7 结论 229

参考文献 229

第192章 多晶镍基高温合金：加工工艺、性能及应用 231

1 引言 231

2 航空燃气轮机工作环境 231

3 高温合金冶金学基础 233

3.1 γ基体的固溶强化 233

3.2 析出强化 233

3.3 碳化物相 234

3.4 微量元素的影响 234

3.5 结构与性能间的关系 234

4 热处理的作用 235

5 多晶体加工锻造 235

6 铸锻工艺 236

6.1 真空感应熔炼（Vacuum-InductionMelting，VIM）、真空电弧重熔（Vacuum Arc Remelting，VAR）和电渣重熔（Electro Slag Remelting，ESR） 236

6.2 粉末冶金加工 236

6.3 锻造 237

6.4 锻后处理 237

7 使用注意事项 237

8 未来研究方向——根据工作环境对材料进行优化 238

9 结论 239

相关章节 239

参考文献 239

第193章 镍基高温合金在叶片中的应用：制造、性能和应用 240

1 燃气涡轮发动机中的高温合金 240

2 高温合金的成分 240

2.1 铸造高温合金 243

2.2 定向固化合金 244

3 高温合金的性能 246

3.1 拉仲性能 246

3.2 蠕变性能 247

3.3 疲劳和疲劳裂纹扩展 249

4 结论 249

致谢 249

参考文献 249

第194章 镍基超耐热合金的深入研究 251

1 引言 251

2 铌硅化物基合金 252

3 钼硅化物基合金 257

4 展望 259

参考文献 259

第195章 航空发动机材料的固态焊接 261

1 引言 261

2 摩擦焊接的工艺环节 262

2.1 惯性摩擦焊接 262

2.2 线性摩擦焊接 262

3 惯性摩擦焊接和线性摩擦焊接方法中材料和残余应力的影响 263

3.1 同类焊接中材料的影响 263

3.2 同类焊接中残余应力的影响 263

3.3 异种焊接的影响 263

4 案例研究 264

4.1 案例研究一：用惯性摩擦焊接法焊接镍基超耐热合金 264

4.2 案例研究二：用线性摩擦焊接法焊接钛合金 266

4.3 案例研究三：用惯性摩擦焊接法焊接高性能钢 268

5 结论 269

参考文献 270

第196章 钛合金的超塑性成型以及扩散压合 272

1 引言 272

2 超塑性行为的特点及要求 272

3 超塑性行为的力学特性 272

4 超塑性材料的特性：本构关系 273

4.1 m值的测量 273

4.2 拉仲试验 274

4.3 双轴锥测试 274

4.4 本构关系 274

5 超塑性合金 274

5.1 超塑性合金的类型 274

5.2 钛合金晶粒细化的影响 275

5.3 影响钛合金超塑性性能的因素 275

6 加工钛合金以形成超塑性微观结构：各向异性／结构 275

6.1 加工 275

6.2 各向异性／结构 276

6.3 降低超塑性成型温度 276

7 超塑性成型——加工及设备 276

7.1 简单的凹模成型 277

7.2 热片材垂帘成型 277

7.3 超塑性成型的仿真和控制 277

8 扩散压合 277

8.1 扩散黏合的建模 277

8.2 扩散压合步骤和设备 278

8.3 а－晶格 279

8.4 扩散压合测试 279

8.5 超塑性成型以及扩散压合／超塑性成型的好处与劣势 280

9 超塑性成型／扩散压合技术的应用 280

10 结论 281

致谢 281

参考文献 281

第197章 机翼组件的近净成型构造 283

1 引言 283

1.1 激光直接沉积法 283

1.2 净成型热等静压法 284

2 净成型制造业在航空航天工业中的应用 284

2.1 直接激光沉积的应用 284

2.2 净成型热等静压在航空航天中的应用 287

3 结论 290

致谢 290

相关章节 291

参考文献 291

第198章 热障涂层 292

1 引言 292

2 热障涂层系统 293

2.1 介绍 293

2.2 黏结层 293

2.3 顶部涂层 294

3 热障涂层中的孔结构 296

3.1 介绍 296

3.2 等离子喷涂热障涂层 296

3.3 电子束物理气相沉积热障涂层 296

4 失效机理 297

4.1 介绍 297

4.2 黏结涂层的氧化 297

4.3 顶部涂层的退化 298

4.4 导致失效的其他因素 298

4.5 热障涂层的寿命预测 298

5 前景展望 298

致谢 299

备注 300

符号／记号列表 300

相关章节 300

参考文献 300

扩展阅读 301

第199章 寿命预测方法和组件的分类：方法概论 302

1 引言 302

2 组件的分类 302

3 寿命预测方法 303

3.1 安全寿命 303

3.2 2／3功能异常 304

3.3 断裂力学 304

3.4 数据库 305

3.5 损伤容限 305

3.6 失效原因 306

3.7 新寿命相关 306

3.8 非LCF方法 306

3.9 未来的挑战 307

参考文献 307

第20部分 活性材料 311

第200章 活性材料在航空航天中的应用 311

1 引言 311

2 系统优势 311

2.1 噪声和振动抑制 312

2.2 形状自适应结构 315

3 结论 318

致谢 318

备注 318

参考文献 318

第201章 铁电材料 322

1 铁电的基本原理 322

1.1 材料行为 322

1.2 微观结构 322

1.3 相变 322

2 材料属性 324

2.1 线性属性 324

2.2 转换 326

3 宏观行为 326

3.1 畴 326

3.2 多晶陶瓷 326

4 结论 328

参考文献 328

第202章 压电陶瓷制动器和传感器 329

1 压电陶瓷的基本原理 329

1.1 物理原理 329

1.2 电力本构方程 329

2 压电陶瓷制动器 330

2.1 制动器的封锁力和自由位移 331

2.2 制动器负载线 332

2.3 静态激励磁场下的行为 332

2.4 动态激励磁场下的行为 333

2.5 消极行为和介电击穿 333

2.6 能量消耗 334

2.7 压电耦合系数kij 335

3 压电陶瓷传感器 335

3.1 基本的传感机制 336

3.2 信号调理元件 336

3.3 传感器校准 337

4 结论 338

参考文献 339

第203章 形状记忆合金 341

1 引言 341

1.1 独特表现 341

1.2 形状记忆合金的发展史 342

2 形状记忆合金的应用 343

2.1 使用模式 343

2.2 航空航天应用 344

2.3 潜在的未来航空航天应用 344

3 热机械行为 345

3.1 马氏体相变，晶体和微结构 346

3.2 基本热机械行为 347

3.3 环境介质和加载速率敏感性 348

3.4 局部化和转换方面 349

3.5 周期性的行为和安定 349

3.6 拉压不对称 350

3.7 多轴向行为 351

4 建模 351

5 最新进展 351

5.1 成本与数量 351

5.2 低滞后SMAs 351

5.3 高温形状记忆合金 351

5.4 铁磁形状记忆合金 352

5.5 新形式的形状记忆合金 352

6 结论 352

致谢 352

备注 352

参考文献 353

第204章 航空航天工程中的电活性聚合物（EAP）制动器 354

1 引言 354

2 历史展望 354

3 电活性聚合物（EAP）组 355

3.1 电子／电场激活式EAP 355

3.2 离子式EAP 357

4 EAP制动器的掰手腕挑战 357

5 EAP的应用 358

6 结论 359

致谢 359

参考文献 360

第21部分 空间应用材料 363

第205章 空间材料：介绍和概述 363

1 引言 363

2 运行注意事项 363

2.1 发射和折返 363

2.2 运行阶段 364

3 空间环境 364

3.1 空间环境构成和它们对材料的影响 364

3.2 空间腐蚀和原子氧 365

3.3 辐射 366

3.4 冲击破坏 367

4 太阳能电池 368

4.1 太阳能电池退化 368

5 结论 369

参考文献 369

第206章 太空中的聚合物 370

1 引言 370

2 空间环境条件下聚合物的热光学性质变化 371

3 聚合物与残留在地球大气层中原子氧的相互作用 371

3.1 聚酰亚胺的快原子氧侵蚀特性 371

3.2 由FAO流诱发的质量损失的动力学研究 373

3.3 由FAO轰击聚合物过程中带有质量损失的化学反应的概率 373

4 在太空环境中全氟聚合物PTFE与FEP的损毁 374

4.1 Teflon在真空紫外辐射中破坏的主要特点 375

4.2 蒸发模型的一般特点 376

4.3 FEP薄膜在实验室和飞行测试下的差异 377

5 结论 377

相关章节 377

参考文献 377

第207章 空间材料的表面改性 379

1 引言 379

2 空间材料表面工程方法 380

2.1 薄膜防护涂料 381

2.2 表面改性工艺 381

2.3 颗粒疏松材料和涂料 390

3 结论与未来趋势 391

致谢 392

参考文献 392

第208章 微流星体和轨道碎片对空间材料和结构的冲击损伤 395

1 引言 395

2 冲击的风险评估 396

2.1 冲击概率 396

2.2 卫星的故障概率 397

3 结构和材料的冲击伤害 397

3.1 时金属的冲击破坏 397

3.2 复合材料层合板的冲击破坏 399

4 冲击屏蔽结构 400

5 月球环境 401

6 结论 401

符号列表 401

参考文献 402

第209章 太空腐蚀 404

1 引言 404

2 什么是原子氧 404

3 原子氧效应 405

3.1 ATOX通量 405

3.2 ATOX碰撞能量 405

3.3 材料温度 405

3.4 热应力 405

3.5 协同效应的太阳辐射 405

3.6 碰撞角度 405

3.7 间接碰撞 406

3.8 原子氧对金属的作用 406

3.9 原子氧与非金属作用 408

3.10 原子氧与有机物作用 408

3.11 原子氧与润滑油作用 408

3.12 在有缺陷的保护层之间捕获原子氧 408

4 测试 409

4.1 飞行测试 409

4.2 原子氧的地面测试 410

5 结论 410

参考文献 410

第210章 材料的太空飞行试验 412

1 太空飞行试验介绍 412

2 材料的太空飞行试验 414

2.1 航天飞机飞行试验 414

2.2 自由飞行器 416

2.3 俄罗斯和平号空间站 419

2.4 国际空间站（ISS） 420

3 结论 425

参考文献 425

第211章 太空环境模拟与材料试验 429

1 引言 429

2 仪器的设计和运行要求 430

2.1 真空系统 430

2.2 试验环境 430

2.3 样品处理和存储 431

2.4 洁净度和污染控制 431

2.5 测量原则 431

3 真空释气 431

3.1 基本筛分试验方法 431

3.2 动态试验方法 432

3.3 仪器设计 432

3.4 测试标准 432

3.5 数据分析方法 433

4 原子氧模拟 433

4.1 仪器设计 433

4.2 测试标准 433

4.3 数据分析方法 434

5 热力学测试 434

5.1 仪器设计 434

5.2 测试标准 434

5.3 数据分析方法 434

6 电磁辐射和带电粒子 435

6.1 仪器设计 435

6.2 测试标准 436

6.3 数据分析方法 436

7 微流星体和轨道碎片 436

7.1 设备设计 436

7.2 测试标准 436

7.3 数据分析方法 436

8 加压环境下的试验 437

8.1 气体释放 437

8.2 可燃性 437

9 其他环境 437

9.1 月球和行星环境 437

9.2 飞船发射和返回 437

9.3 协同环境 437

9.4 地面环境 438

10 结论和更多资讯 438

参考文献 438

附录1 《航空航天科技出版工程》英文版编写委员会 439

附录2 《航空航天科技出版工程4材料技术》英文版参编人员 442

索引 445

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