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。

航空材料是制造飞机（包括飞行器）、航空发动机及其附件、仪表及随机设备等所用材料的总称，通常包括金属材料(结构钢、不锈钢、高温合金、有色金属及合金等）、有机高分子材料（橡胶、塑料、透明材料、涂料等）和复合材料。

早期的飞机结构简单，所用的材料主要是木材、布和绳索等;20世纪30年代，飞机逐渐发展成为全金属结构,动力装置则为活塞式发动机，所用的材料也只有钢铁、铝合金和镁合金等。

由于作战迫切需要提高飞机的飞行速度，喷气式发动机应运而生。尽管喷气式发动机的原理早为人们所知，但这种发动机的制造成功,还是在耐热合金出现以后。

喷气式发动机完成了航空技术的一次飞跃——突破了“声障”。但随即又出现了“热障”问题。“热障”是当飞机超声速飞行时,飞机蒙皮表面附面层空气因摩擦而生成大量的热，使飞机蒙皮的温度急剧升高，当温度超过250°C时，铝合金就不能用了。这样直到20世纪40年代末，出现钛合金以后,航空技术才又一次出现飞跃——突破了“热障”。

在科学技术迅猛发展的今天，飞机正朝着超高速、巨型、隐身、智能的方向发展，对航空材料提出了越来越高的要求;同时，航空材料也随着科学技术的进步而逐渐发展,新材料新工艺不断涌现，为航空事业的发展提供了物质保障。

近几十年来,新型航空材料及先进工艺发展很快，如高强度铝合金、钛合金、高温合金、超高强度钢、复合材料、隐身材料及定向凝固叶片技术、定向共晶叶片技术、粉末高温合金属轮盘制造技术等，为第四代、第五代飞机的发展提供了物质保障。航空发展史证明,航空材料的每次重大突破，都会促进航空技术产生飞跃式的发展;航空材料不仅是航空事业发展的物质基础，也是航空事业发展的技术支撑。

1．新技术、新工艺的应用是发展航空材料的主要途径

航空材料属于知识密集、技术密集的学科。许多事实说明，单纯依靠传统工艺和技术只改变材料成分，满足现代航空技术提出的越来越高的要求是很困难的，因此，各国对新技术、新工艺在航空材料领域的开发应用都非常重视，促进了航空材料的发展。各国在发展航空材料时应用和研制的新技术、新工艺主要有：定向凝固技术，机械合金化、快速凝固、复合裁剪技术，电子束、等离子束及激光束技术，真空电弧重熔、细晶铸锭技术及相应发展的热等静压技术，超塑成型技术，固态焊接技术。

2．复合材料和复合结构的应用日益增多

近20年来，复合材料的研制和应用发展极为迅速，从70年代初在军用机上开始试用，日前已发展到民用，从非承力件和次承力件发展到主承力件。用量从占飞机结构质量不到1%发展到占30%—50%，并出现了全复合材料飞机。

3．材料研制逐渐走向定量化

随着人们对材料性能与成分、组织和各种影响因素的关系了解越来越深入，材料研制已经逐渐定量化。近年来，随着计算机技术的发展和应用，合金研制定量化的工作取得了突破性进展，提出了全新的合金设计方法，并在研制新合金中取得了可喜成绩，做到了按指定性能设计新合金。例如日本金属材料研究所利用合金设计方法，对美国M247定向合金进行重新设计，增加了钴、铬含量，降低了碳、钛成分，所获得的定向凝固TMD -5合金，其性能比M247合金高得多。

4．材料向高纯、高均匀性方向发展

近年来，微量元素的作用越来越引起人们的重视，对杂质元素的控制越来越严，材料研究正在向高纯度、高均匀性和高精度方向发展。众所周知，夹杂物对疲劳性能和应力腐蚀性能影响很大，特别是对缺口敏感的高强度材料更为明显。因此国外对超高强度钢的S、P含量及夹杂物的要求越来越严。例如美国有关技术标准中规定300M钢的S、P含量必须小于0. 015%，并且两者之和不得大于0.025%。工厂S、P含量控制更严，要求小于0.006%，从而保证超高强度钢的优越性能，延长使用寿命。

5．一体化是航空材料发展的重要特征

材料工程是一个内容十分广泛的领域，包括成分设计、配制及成型丁艺、选材、加工制造、使用维护、失效分析等，随着科学技术的发展，各学科相互交叉、相互渗透、相互促进的现象越来越多。材料、工艺和性能、设计、制造和材料都越来越趋向一体化。例如复合材料的应用，由于复合材料的各向异性，要充分发挥复合材料的优势，必须把设计、材料、工艺、检测技术很好地结合起来，对受力状态、纤维铺层方向、铺层数量进行综合考虑，才能获得最佳性能。

1．材料科学理论新发现

例如，铝合金的时效强化理论导致硬铝的发展；高分子材料刚性分子链的定向排列理论导致高强度、高模量芳纶有机纤维的发展。

2．材料加工工艺新技术

例如古老的铸、锻技术已发展成为定向凝同技术、精密锻造技术，从而使得高性能的叶片材料得到实际应用。复合材料增强纤维铺层设计和T艺技术的发展，使它在不同的受力方向上具有最优特性，从而使得复合材料具有可设计性，并为它的应用开拓了广阔前景；热等静压技术、超细粉末制造技术等新型T艺技术成功创造出具有崭新性能的航空航天材料和制件，如热等静压技术制造的粉末冶金涡轮盘、高效能陶瓷制件等。

3．材料性能测试与无损检测新技术

现代电子光学仪器已经可以观察到材料的分子结构；材料机械性能的测试装置已经可以模拟飞行器的载荷谱，而且无损检测技术也有了飞速进步。

中国航空材料经历了引进、仿制、改进、改型和自行研制的发展历程。我国已定型生产的航空用金属、有机高分子材料、无机非金属材料以及复合材料的牌号约2000余个；已建成具有一定规模的航空材料研究与生产基地，拥有生产航空产品所需各类材料牌号、品种与规格的生产设备及检测仪器；先后制定了1000余份各类航空材料、热工艺及理化检测标准（包括国标、国军标与航空标准）；编写出版了《中国航空材料手册》《发动机结构设计用材料性能数据手册》及《航空材料选用目录》等；颁布了“航空工业材料及热工艺技术工作规定”“航空材料（含锻、铸件）技术管理办法”等法规性文件。

总体上看，我国已定型生产的航空材料（含类别、牌号、品种与规格）及其相应的标准与规范，基本上能满足第二代航空产品大批生产的需求。针对第三代航空产品所需关键材料，如热强钛合金、高强铝合金、超高强度结构钢不锈钢、树脂基复合材料、单晶与粉末高温合金等，从技术上看，已具备试用条件，但要转化为在特定工况下使用的零部件，并体现出第三代航空产品的总体效能（技术与战术性能、使用可靠性与寿命以及经济效益等）尚需做大量的工作。我国航空材料的现状与新一代航空产品（飞机以F -22为代表，发动机推重比10为代表）对材料的需求之间尚存在较大的差距，主要有：前沿材料研究滞后，新材料储备小，第三代、第四代航空产品所需的一些关键材料，如快速凝固材料、高强轻质结构材料、热强钛合金、超高强度钢、金属问化合物及以其为基的复合材料、树脂基复合材料等的研究滞后，与国外先进新材料研制水平的差距约为15~20年；新材料研制、生产和应用研究的基础条件较差，如超纯熔炼、高温整体扩散连接、喷射成型、等温锻造、电子束沉积涂层、纳米材料制备、超高温检测、超声显微镜、激光无损检测等先进的合成与加工设备、质量检测与控制手段等不能满足新材料研制、生产与应用的需要。

根据材料的组成与结构的特点，航空材料包括金属材料、有机高分子材料（聚合物）、无机非金属材料和复合材料四大类。

金属材料是以金属元素为基的材料。金属材料包括纯金属及其合金。合金是以某一金属元素为基，添加一种以上金属元素或非金属元素（视性能要求而定），经冶炼、加工而成的材料，如碳素钢、低合金钢和合金钢、高温合金、钛合金、铝合金、镁合金等。纯金属很少直接应用，因此金属材料绝大多数是以合金的形式出现。

高分子材料又称聚合物或高聚物。一类由一种或几种分子或分子团（结构单元或单体）以共价键结合成具有多个重复单体单元的大分子，其相对分子质量高达104-106。它们可以是天然产物如纤维、蛋白质和天然橡胶等，也可以是用合成方法制得的，如合成橡胶、合成树脂、合成纤维等非生物高聚物，聚合物的特点是种类多、密度小（仅为钢铁的1/7~1/8),比强度大，电绝缘性、耐腐蚀性好，加工容易，可满足多种特种用途的要求。卨分子材料包括塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂等领域，可部分取代金属、非金属材料。

无机非金属材料包括除金属材料、有机高分子材料以外的几乎所有材料。这些材料主要有陶器、瓷器、砖、瓦、玻璃、水泥、耐火材料以及氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、金属陶瓷、复合陶瓷等新型材料。无机非金属材料来源丰富、成本低廉、应用广泛。无机非金属材料具有许多优良的性能，如耐高温、高硬度、抗腐蚀，以及优良的介电、压电、光学、电磁性能及其功能转换特性等；主要缺点是抗拉强度低、韧性差。近年来，又出现了氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷等许多具有特殊性能的新型材料。无机非金属材料已成为多种结构、信息及功能材料的主要来源，如耐高温、抗腐蚀、耐磨损的氧化铝（A1203）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、氧化锆增韧陶瓷；大量用作切削刀具的金属陶瓷·，将电信息转变为光信息的铌酸锂和改性的锆钛酸铅；以及压电陶瓷和PTC陶瓷等。

复合材料是由两种或多种材料组成的多相材料。一般指由一种或多种起增强作用的材料（增强体）与一种起粘结作用的材料（基体）结合制成的具有较高强度的结构材料。增强体是指复合材料中借基体粘结，强度、模量远高于基体的组分。按形态有颗粒、纤维、片状和体型四类。在工业中采用的连续纤维增强体如玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、碳化硅纤维环氧树脂复合材料的疲劳性能和断裂韧度都远优于碳纤维和环氧树脂。

按使用功能，航空材料又可分为结构材料和功能材料两大类。结构材料以力学性能为主，功能材料以物理、化学性能为主。

航空材料既是研制生产航空产品的物质保障，又是推动航空产品史新换代的技术基础。主要的航空结构材料包括结构钢与不锈钢、高温合金、轻金属材料（含铝及铝合金、钛及钛合金）、聚合物基复合材料等。

飞机机体的主要结构村料是结构钢、轻金属材料和复合材料：为了提高飞机的结构效率.降低飞机结构重量系数，高比强度和高比模来那个的轻质、高强、高模材料，正在获得越来越多的应用。随着飞机性能的提高，树脂基复合材料和钛合金用量增加，传统铝合金和钢材用量减少。战斗机以F-22为例，树脂基复合材料的用量已达到整机结构重量的24%,钛合金用量达到整机结构重量的41%;与此同时，铝合金用量下降为只占整机结构重量的15%，钢的用量下降为只占整机结构重量的5%。民机以B-777为例，树脂基复合材料的用量已占整机结构重量的11%,钛合金用量已占到整机结构重量的7%;与此同时，铝合金用量下降为占整机结构重量的70%,但仍是飞机机体结构的主要结构材料；钢的用量下降为只占整机结构重量的11%。

航空发动机的主要结构材料是不锈钢、高温合金和钛合金。在一台先进发动机上，高温合金和钛合金的用量分别要占到发动机总结构重量的55%~65%和25%~40%,并对许多新型高温材料提出了更高的要求，如新型高温合金和高温钛合金、高温树脂基复合材料、金属间化合物及其复合材料、热障涂层材料、金属基复合材料、陶瓷基和碳/碳复合材料等。

机载设备中的关键材料主要是各种微电子、光电子、传感器等光、声、电、磁、热的高功能及多功能材料。

出于航空飞行及其安全性的考虑，航空材料应具有以下特点：

1．高比强度(A)和高比刚度(B)

航空材料的基本要求是：材质轻、强度高、刚度好。提高飞行器的比强度，就要降低其密度，减轻飞行器结构质量，减轻飞行器本身结构质量又意味着增加运载能力，提高机动性能，加大飞行距离或射程，减少燃油或推进剂的消耗。材料比刚度在航空系统中也是非常关键的参数，能影响某些部位的震动性能，比如飞机机翼。

比强度和比刚度是衡量航空航天材料力学性能优劣的重要参数：

式中，σ为材料强度，E为材料弹性模量，ρ为材料密度。飞行器除了受静载荷的作用外还要经受由于起飞和降落、发动机振动、转动件的高速旋转、机动飞行和突风等因素产生的交变载荷，因此材料的疲劳性能也受到人们极大的重视。

2．优良的耐高低温性能

飞行器所经受的高温环境是由空气动力加热、发动机燃气以及太空中太阳的辐照造成的。航空器长时间在空气中飞行，有的飞行速度高达3倍音速，所使用的高温材料要具有良好的高温持久强度、蠕变强度、热疲劳强度，在空气和腐蚀介质中要有高的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，并应具有在高温下长期工作的组织结构稳定性。火箭发动机燃气温度达30000C以上，喷射速度可达十余个马赫数，而且固体火箭燃气中还夹杂有固体粒子，弹道导弹头部在进入大气层时速度高达20个马赫数以上，温度高达上万摄氏度，有时还会受到粒子云的侵蚀，因此在航空技术领域中所涉及的高温环境往往同时包括高温高速气流和粒子的冲刷。在这种条件下需要利用材料所具有的熔解热、蒸发热、升华热、分解热、化合热以及高温黏性等物理性能来设计高温耐烧蚀材料和发汗冷却材料以满足高温环境的要求。太阳辐照会造成在外层空间运行的卫星和飞船表面温度的交变，一般采用温控涂层和隔热材料来解决。低温环境的形成来自大自然和低温推进剂。飞机在同温层以亚音速飞行时表面温度会降到-50C左右，极圈以内各地域的严冬会使机场环境温度下降到-40C以下，在这种环境下要求金属构件或橡胶轮胎不产生脆化现象。液体火箭使用液氧（沸点为-183℃）和液氢（沸点为-253℃）作推进剂，这为材料提出了更严峻的环境条件。部分金属材料和绝大多数高分子材料在这种条件下都会变脆。通过发展或选择合适的材料，如纯铝和铝合金、钛合金、低温钢、聚四氟乙烯、聚酰亚胺和全氟聚醚等，才能解决超低温下结构承受载荷的能力和密封等问题。

3．耐老化和耐腐蚀

各种介质和大气环境对材料的作用表现为腐蚀和老化。航空航天材料接触的介质是飞机用燃料（如汽油、煤油）、火箭用推进剂（如浓硝酸、四氧化二氮、肼类）和各种润滑剂、液压油等。其中多数对金属和非金属材料都有强烈的腐蚀作用或溶胀作用。在大气中受太阳的辐照、风雨的侵蚀以及地下潮湿环境中长期贮存时产生的霉菌会加速高分子材料的老化过程。耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料应该具备的良好特性。

4．适应空间环境

空间环境对材料的作用主要表现为高真空（1.33×10-oPa）和宇宙射线辐照的影响。金属材料在高真空下互相接触时，由于表面被高真空环境所净化而加速了分子扩散过程，出现“冷焊”现象；非金属材料在高真空和宇宙射线辐照下会加速挥发和老化，有时这种现象会使光学镜头因挥发物沉积而被污染，密封结构因老化而失效。航天材料一般是通过地面模拟试验来选择和发展的，以求适应于空间环境。

5．寿命和安全

为了减轻飞行器的结构质量，选取尽可能小的安全余量而达到绝对可靠的安全寿命，被认为是飞行器设计的奋斗目标。对于导弹或运载火箭等短时间一次使用的飞行器，人们力求把材料性能发挥到极限程度。为了充分利用材料强度并保证安全，对于金属材料已经使用“损伤容限设计原则”。这就要求材料不但具有高的比强度，而且还要有高的断裂韧性。在模拟使用的条件下测定出材料的裂纹起始寿命和裂纹的扩展速率等数据，并计算出允许的裂纹长度和相应的寿命，以此作为设计、生产和使用的重要依据。对于有机非金属材料则要求进行自然老化和人工加速老化试验，确定其寿命的保险期。复合材料的破损模式、寿命和安全也是一项重要的研究课题。

航空材料是研制生产航空产品的物质保障，与航空技术关系极为密切，具有以下特殊性。

1．轻质高强、高温耐蚀

航空产品特殊的工作环境对航空材料提出“轻质高强、高温耐蚀”的特殊要求。航空工业有一句口号叫做“为每一克减重而奋斗”，反映了减重对于航空产品的重大经济意义。而且材料减重对飞机减重的贡献也越来越大，所以轻质高强是航空材料必须满足的首要性能要求。“高温耐蚀”的“高温”是指航空材料要能耐受较高的工作温度。对于机身材料，气动力加热效应使机身表面温度升高，需要结构材料具有好的高温强度；对于发动机材料，要求涡轮盘和涡轮叶片材料要有好的高温强度和耐高温腐蚀性能。“耐蚀”是指航空材料要有优良的抗腐蚀，主要是指抗应力腐蚀、腐蚀疲劳的能力。

2．高的质量要求

航空器是技术密集、高集成度的复杂产品，只有采用质地优良的航空材料才能制造出安全可靠、性能优良的飞机和发动机。航空产品的多样性和小批量生产，导致了航空材料研制和生产上的多品种、多规格、小批量、技术质量要求高等特点。

3．低成本航空材料

新型号的先进飞机价格不断攀升，航空技术领先的国家和地区都先后对航空产品提出了“买得起”的要求。而材料在航空产品的成本和价格构成中占有相当份额，所以科学地选材和努力发展低成本材料技术是航空材料发展的重要方向。

1. 高性能

高性能是指轻质、高强度、高模量、高韧性、耐高温、耐低温，抗氧化、耐腐蚀等。材料的高性性能对减轻飞行器结构质量和提高结构效率、提高服役可靠性及延长使用寿命极为重要，是航空航天材料研究不断追求的目标。

2. 高功能及多功能

材料在光、电、声、热、磁方面的特殊功能是支撑某些关键技术以提高飞行器机动性能和突防能力的重要保证。如以红外材料为基础的光电成像夜视技术能增强坦克、装甲车、飞机、军舰及步兵的夜战能力，红外成像制导技术可大大提高导弹的命中率和抗干扰能力，以新型固体激光材料为基础的激光测距和火控系统等可使灵活作战能力大大加强。

3. 复合化

复合化已成为新材料的屯要发展趋势之一。业内专家指出，航空复合材料未来20~30年将迎来新的发展时期，甚至引发航空产业链的革命性变革，包括设计理念的创新和设计团队知识的更新，航空产品供应链的战略性改变，新型复合材料技术不断出现（如混杂复合技术、源于自然界中珍珠贝壳结构后发的仿生复合技术），以及对航空维修业提出前所未有的挑战。复合材料可以明显减轻结构质量和提高结构效率。国外卫星、战略导弹及固体火箭发动机的关键结构材料几乎已经复合材料化。

4. 智能化

智能化是航空航天材料重要发展趋势之一。智能复合材料将复合材料技术与现代传感技术、信息处理技术和功能驱动技术集成于一体，将感知单元（传感器）、信息处理单元（微处理器）与执行单元（功能驱动器）联成一个回路，通过埋置在复合材料内部不同部位的传感器感知内外环境和受力状态的变化，并将感知到的变化信息通过微处理器进行处理并做出判断，向功能驱动器发出指令信号；而功能驱动器可根据指令信号的性质和大小进行相应的调节，使构件适应有关变化。整个过程完全自动化，从而实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自保护等多种特殊功能。智能复合材料是传感技术、计算机技术与材料科学交叉融合的产物，存在许多领域展现了广阔的应用前景，例如飞机的智能蒙皮与自适应机翼就是由智能复合材料构成的一种高端的智能结构。

5. 低成本

航空航天村料从过去中纯追求高性能发展到今天综合考虑性能与价格的平衡，低成本化贯穿材料、结构设计、制造、检测评价以及维护维修等全过程。对碳纤维复合材料而言，其制造成本在整个成本中占有相当大的比例；因此，对其低成本制造技术应投入足够关注。各种低成本制造技术发展很快，尤其是以树脂传递成型(RTM)为代表的液体成型技术和以大型复杂构件的共固化/共胶接为代表的整体化成型技术等均得到了很大的发展。航空航天材料的低成本是一个重要发展趋势。材料的低成本目标包括原材料、制备加工、监测评价和维修等全过程。

6．高环境相容性

航空航天飞行器所用的材料及其制备、加工和回收，必须具有高度的环境相容性，无污染，易回收。

7．材料的计算设计和模拟仿真

航空航天技术日新月异地发展，飞行器关键零部件的工况和环境条件更加苛刻，为适应材料科学的创新，发展了材料的计算设计和数值模拟技术。