《表2 化学元素在航空材料中的应用》

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《化学元素与航空航天》

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航空材料是制造航空器、航空发动机和机载设备等所用各类材料的总称，是研制生产航空产品的物质保障，也是使航空产品达到人们期望的性能、使用寿命与可靠性的基础。由于航空材料的基础地位和对航空产品贡献率的不断提高，航空材料、航空发动机、信息技术成为并列的3大航空关键技术。如表2所示，基于化学元素视角，总结了目前使用的主要航空材料及其相关应用。目前使用的航空材料主要涉及到铝（Al）、铁（Fe）、镁（Mg）、锂（Li）、钛（Ti）、碳（C）、氮（N）、氧（O）、锰（Mn）、铼（Re）、钌（Ru）、镍（Ni）、铱（Ir）、铜（Cu）、锌（Zn）、铬（Cr）、硼（B）、锑（Sb）、铋（Bi）、硅（Si）、锆（Zr）等。在过去的几十年中，铝及合金材料具有轻质、价格低廉和易于加工的特点，从而主导航空航天材料。航空铝及其合金主要用于飞行器的外壳等非承力部件[23]。而对于起落架、航母舰载机的飞行挂钩等承受巨大拉力的航材需要超强强度钢[24]。超强强度刚，其主要成分为铁元素，其他特种元素的掺杂、冶炼过程，均是各军备制造强国的技术秘密。钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，可制作飞机发动机压气机部件，火箭、导弹和高速飞机的结构件[27]。例如，Ti-6Al-4V合金用在驾驶舱窗框、翼盒、紧固件；Ti-10V-2Fe-3Al合金用在飞机起落架和轨道梁。此外，铼金属称为航空发动机材料的味精，可以提高镍铼合金的高温蠕变强度，可用于制造喷气发动机的燃烧室、涡轮叶片及排气喷嘴[32]。随着科技的发展目前复合材料占据了新型航空航天器制备的主要材料。碳纤维复合材料[28]、芳纶纤维复合材料[29]和硼纤维复合材料[38]，由于其高力学强度、耐高低温的蠕变性能，低密度，长寿命等一系列的优点是目前发展的主流方向。比如波音787梦想号大型飞机复合材料占据了50%，而铝仅仅占据了20%的用量[28]。总之，化学作为中心科学是创造新物质的工具。化学元素优化组合，可为航空航天器的制备储备更多新型高性能材料。