Аэрокосмические материалы — это материалы, часто металлические сплавы, которые были разработаны или приобрели известность благодаря их использованию в аэрокосмической отрасли.
Эти применения часто требуют исключительных характеристик, прочности или термостойкости, даже ценой значительных расходов на их производство или обработку. Другие выбираются за их долгосрочную надежность в этой области, где важны требования безопасности, особенно за их устойчивость к усталости.
Область материаловедения является важной в аэрокосмической инженерии. Ее практика определяется международными органами по стандартизации, которые поддерживают стандарты для используемых материалов и процессов. Инженеры в этой области часто могли получить степени или последипломные квалификации в этой области как специальность.
История
Эдвардианский период
Первыми аэрокосмическими материалами были давно известные и часто встречающиеся в природе материалы, которые использовались для создания первых самолетов. В их число входили такие обыденные материалы, как древесина для конструкций крыльев, а также ткань и клей для их покрытия. Их качество имело первостепенное значение, поэтому древесина должна была быть тщательно отобранной ситкинской ели, а покрытие — ирландским льном. Для выбора, производства и использования этих материалов требовались стандарты. Эти стандарты были неофициально разработаны производителями или правительственными группами, такими как HM Balloon Factory, позже ставшая RAE Farnborough, часто при содействии инженерных факультетов университетов.
Следующим этапом в развитии аэрокосмических материалов стало принятие новых разработанных материалов, таких как дюралюминий, первый алюминиевый сплав, упрочняющийся старением. Они предлагали ранее недоступные свойства. Многие из этих новых материалов также требовали изучения для определения степени этих новых свойств, их поведения и того, как их лучше всего использовать. Эта работа часто проводилась через новые финансируемые правительством национальные лаборатории, такие как Reichsanstalt (Немецкий имперский институт) или Британская национальная физическая лаборатория (NPL).
Первая Мировая Война
NPL также была ответственна за, возможно, первый намеренно разработанный аэрокосмический материал — сплав Y. Этот первый никель-алюминиевый сплав был открыт после серии экспериментов во время Первой мировой войны, преднамеренно направленных на поиск лучшего материала для производства поршней для авиационных двигателей.
Межвоенный период
В период между войнами многие аэрокосмические инновации были в области производственных процессов, а не просто изначально более прочного материала, хотя они также выиграли от улучшенных материалов. Один из сплавов R.R., R.R.53B, имел добавленный кремний, который улучшил его текучесть при расплавлении. Это позволило использовать его для таких применений, как литье под давлением, а также для предыдущего литья в песчаные формы, способа производства деталей, которые были и намного дешевле, и также более точными по форме и отделке. Лучший контроль их формы позволил конструкторам формировать их более точно в соответствии со своими задачами, что привело к получению деталей, которые также были тоньше и легче.
Многие межвоенные разработки были направлены на авиационные двигатели, которые выиграли от огромных улучшений, сделанных для растущей автомобильной промышленности. Хотя это и не было строго «аэрокосмической» инновацией, использование тугоплавких сплавов, таких как Stellite и Brightray, для наплавки выпускных клапанов дало огромный прирост надежности авиационных двигателей. Это само по себе способствовало дальним коммерческим полетам, поскольку новые двигатели были достаточно надежными, чтобы считаться безопасными для длительных перелетов через океаны или горные хребты.
Вторая Мировая Война
Авиалайнер «Де Хэвилленд Альбатрос» 1936 года имел фюзеляж деревянной сэндвич-конструкции: пластины березовой фанеры были разделены бальзовым листом. Эта же конструкция прославилась благодаря использованию ее во время войны в быстроходном бомбардировщике «Москит». Помимо того, что он имел легкий вес и высокую производительность, он также избегал использования алюминия, стратегического материала во время войны, и мог использовать навыки столяров, а не специалистов по металлообработке самолетов. Когда Германия попыталась скопировать этот самолет под названием Москито, это не удалось, в первую очередь по материальным причинам. Оригинальный фенольный клей пленка Tego производился только на заводе, разрушенном бомбардировкой. Его замена привела непосредственно к катастрофическим отказам и гибели самолета.
Радар стал достаточно маленьким, чтобы его можно было перевозить на борту самолета, но хрупкие облучатели и отражатели требовали защиты и обтекания от воздушного потока. Были изготовлены формованные обтекатели с использованием акрилового пластика Perspex, который уже использовался для окон кабины. Его можно было нагреть, чтобы размягчить, а затем формовать или формовать в вакууме для придания формы. Другие полимеры, разработанные в то время, в частности нейлон, нашли применение в компактном радиооборудовании в качестве высоковольтных изоляторов или диэлектриков.
Сотовые структуры были разработаны как плоские сэндвич-листы, используемые для переборок и палуб. Они давно использовались в строительстве из дерева и картона, но требовали более прочного материала для использования в аэрокосмической отрасли. Это было достигнуто к концу войны с помощью полностью алюминиевых сотовых сэндвичей.
Послевоенный
Новые материалы
Новые легкие материалы включают керамические матричные композиты, металлические матричные композиты, полимерные аэрогели и CNT-нити, в ходе эволюции полимерных композитов. Эти легкие материалы уступили место более прочным, более надежным структурам, улучшенным срокам производства и повышенным отношениям мощности к весу.
Маркетинг за пределами аэрокосмической отрасли
Термин «аэрокосмический класс» стал модным маркетинговым слоганом для предметов роскоши, особенно для автомобилей и спортивных товаров. Велосипеды, клюшки для гольфа, парусные яхты и даже фонарики — все это продается на основе их высокопроизводительных материалов, независимо от того, имеют ли они отношение к делу или нет. С момента своего появления в 1979 году компания Maglite рекламировала использование алюминия 6061 для корпусов своих фонарей, став одной из первых, кто намеренно использовал аэрокосмические материалы по причине, не связанной с производительностью.
Некоторые спортивные применения были связаны с фактическими качествами материала. Многие производители лыж изготавливали лыжи полностью из композитных материалов на основе ткани и смолы, используя приспособляемость такой конструкции для изменения жесткости, амортизации и крутильной жесткости лыжи по всей ее длине. Hexcel, производитель алюминиевых сотовых листов, стал хорошо известен своими фирменными лыжами, используя тот же самый передовой материал.
Использование в спортивных целях может быть столь же требовательным, как и потребности аэрокосмической отрасли. В частности, при велоспорте материалы могут быть загружены более сильнее, чем при использовании в аэрокосмической отрасли, причем риск возможного отказа считается более приемлемым, чем для самолетов.
Многие применения аэрокосмических материалов для спортивных товаров стали результатом «мирных дивидендов». После Второй мировой войны сплав Hiduminium появился в компонентах велосипедных тормозов, поскольку его производитель стремился расширить новые рынки, чтобы заменить свои предыдущие военные самолеты. В 1990-х годах и плавильщики, и переработчики титана искали новые невоенные рынки после окончания холодной войны, найдя их как в велосипедных рамах, так и в клюшках для гольфа.
Композит из углеродного волокна и его характерный рисунок переплетения стали популярным декоративным выбором для автомобилей и мотоциклов, даже в чисто декоративных контекстах, таких как приборные панели. Это распространилось на использование гибкого наклеиваемого узорчатого винила для скевоморфного воспроизведения внешнего вида без каких-либо физических свойств.