航空航天熱端材料力學性能測試標準對標分析與標準化發展展望——涵蓋陶瓷基復合材料、高溫合金等關鍵材料，厘清常溫-高溫測試技術差異并提出產學研協同推進策略

引言

2015 年，美國航空航天局 (NASA) 發布了《2015 航空航天技術路線圖》, 該文件探討了美國 2015-2035 年航空航天發展所需的關鍵技術及實施路徑，其中，重點提到發射與推進系統，要求以降低 50% 發射成本為目標，積極研發固體火箭推進系統?液體火箭推進系統?吸氣發射推進系統等航空航天飛行動力部件1?

我國 “十四五規劃” 中，對航空航天領域發展提出了明確的要求，要求圍繞高質量發展部署戰略資源，在 “十四五” 末期形成一批對未來發展有重大影響力的高科技成果 [2]?在 “航空十四五規劃” 的指導下，近年來，我國航空航天技術突飛猛進，C919?“殲 20”?“直 20” 的亮相，標志著我國進入航空航天技術領域強國行列，我國自主研發的 “太行” 系列航空發動機更是獲得廣泛關注 [3]?航天技術方面，我國 “長征” 航空火箭發展已歷經四代，截至 2021 年底，“長征” 系列運載火箭有 16 個型號處于服役階段，此外亦有 “開拓者”?“快舟” 等型號運載火箭?“神州” 系列載人飛船?“天舟” 貨運飛船?“天宮” 空間站，這些成就標志著我國已成為航空技術大國 [4-5]?

為配合新時期 “上天?入地?下海” 的國家工程技術發展要求，隨著高端裝備的設計與研發，新型材料在極端環境下 (高溫?超高溫?真空?腐蝕) 力學性能的測試逐漸引起材料研發人員的關注 [6]?眾所周知，航空航天技術進步離不開航空特種材料的發展?目前，航空航天發動機熱端部件所使用的材料主要有陶瓷?復合材料?合金材料等，相關材料的研究朝著高性能?復合化?智能化?整體化?低維化?低成本化發展 [7]?西北工業大學的張超 [8] 等人，利用硅鉬棒加熱試樣，能夠在空氣及氬氣環境下將試樣加熱至 1600℃測量動態壓縮性能；大連理工大學的馬艷艷等人 [9] 設計的高溫力學試驗裝置，最快升溫速率可達到 800℃/min, 在 - 0.1MPa 真空度環境中將試樣加熱至 1500℃; 哈爾濱工業大學的李明旭等人 [10], 使用通電加熱的方式，將針刺 C/C 復合材料加熱至 2800℃測試并且測試了拉伸性能；重慶大學的崔森杰 [11] 等人，使用 PRO/E 設計極端溫度超高溫陶瓷力學性能測試儀器并通過 ANSYS 有限元模擬分析，模擬結果表明，儀器理論上可使試件在數秒內達到 2700℃?對于航空航天技術服務產業而言，攻關高精尖?高技術?標準化是行業發展的必由之路 [12]?先進材料及構件的實際應用環境決定了材料性能及測試技術的發展方向，目前，國際國內極端環境下材料力學性能測試技術及測試標準仍存在缺失情況，測試體系建設仍未完善?本文綜合分析航空航天發動機熱端部件用陶瓷類?復合材料類及金屬類現有測試標準，對標現有極端環境力學性能測試技術，對相關技術標準化提出展望?

1、航空航天熱端部件用材料力學性能測試標準分析

1.1 陶瓷材料

陶瓷具有強度高?密度低?耐高溫?耐腐蝕等優點，在航空航天高端裝備中，結構陶瓷?高溫陶瓷材料被廣泛應用于發動機渦輪葉盤?衛星的天線罩等航空航天熱保護部件中?因此，陶瓷材料的力學性能，尤其是在高溫?超高溫等極端環境下的力學性能成為材料可靠性應用的關鍵參考?表 1 列舉了國際國內陶瓷材料常溫及高溫環境力學性能測試標準?

表 1 陶瓷材料力學性能測試標準

從表 1 中可看出，陶瓷材料常溫環境下基本力學性能測試標準較為健全，用作隔熱材料的陶瓷涂層力學性能評價亦有相關標準作為支撐?近年來，在我國檢測技術研發人員的努力下，相關測試技術已走在國際前列，主導發布了系列精細陶瓷 ISO 國際標準，如 ISO13124:2011?ISO17095:2013?ISO19603:2016?ISO20343:2017?ISO20407:2017?ISO23458:2020?ISO21713:2020?ISO5722:2023 等，有效解決了特種陶瓷的技術難題和標準化問題，填補了國內外技術空白，對于特種陶瓷，特別是航空航天飛行器用熱端材料的服役安全有重要的現實意義?

1.2 復合材料

復合材料是由兩種或兩種以上材料，通過物理或化學方法，組成具有新性能的功能材料?目前，先進復合材料具有重量輕?強度大?熔點高?耐疲勞?耐磨損?熱穩定性良好等諸多優點，被廣泛應用于發動機葉片等關鍵部位，大到航天器?火箭導彈?核反應堆，小到汽車，家具都能夠見到復合材料的應用?近幾年，隨著航空航天領域的快速發展，各國都加大了對先進復合材料研究的支持力度，同時也間接推動了先進復合材料測試標準的建設，表 2 是復合材料在常溫及高溫環境下的力學性能測試標準?

表 2 復合材料力學性能測試標準

近年來，隨著先進復合材料的研究熱度不斷升高，測試標準體系被迅速完善?尤其是 2021 年發布的《連續纖維增強陶瓷基復合材料高溫力學性能試驗方法》(GJB10311-2021), 規范了陶瓷基復合材料在高溫環境下拉伸?彎曲?壓縮?剪切?疲勞?蠕變等基本力學性能的測試方法，為材料及構件在高溫環境中安全性應用提供了技術支撐?

1.3 金屬?高溫合金材料

金屬及合金是應用最早也是最廣泛的一類材料，在航空航天領域中，鋁合金?鎂合金?鈦合金和鎳鉬鎢合金等合金材料由于具有低密度?使用壽命高?耐腐蝕?耐高溫等優異的性能，用于航空航天發動機中壓氣機盤?葉片?鼓筒?高壓壓氣機轉子?壓氣機機匣等關鍵部位，由于研究時間跨度長，因此，金屬及合金材料測試標準體系已相對完善，表 3 為金屬及合金材料常溫及高溫環境力學性能相關測試標準?

表 3 金屬及高溫合金材料力學性能測試標準

從表格中可看出，金屬及合金材料常溫?高溫環境力學性能測試標準體系已較為完善，同時，應注意到，由于基本物理性質的限制，金屬及合金材料大多易氧化且僅能在 1200℃及以下溫度環境中正常工作?因此，超高溫?高溫氧化等極端環境下的力學性能測試標準仍舊空白?

2、展望

隨著我國航空航天技術的進步，對于航空航天發動機熱端部件用特種材料在超高溫?高溫氧化等極端環境下進行力學性能測試的需求，將呈現井噴式爆發?

精細陶瓷材料在超高溫等極端環境下進行力學性能測試的國家標準體系仍未健全，相關測試標準體系的建設仍需要技術研發人員的共同努力?先進復合材料超高溫環境力學性能測試國家標準在 GJB10311-2021 的引領下已初具規模，并且逐步向高溫氧化極端環境測試方向探索，GB/T36264-2018 能夠測試先進復合材料在 2200℃高溫氧化環境下的拉伸性能?由此可見，相關標準體系的健全與完善只是時間問題?金屬及合金材料高溫環境力學性能測試國家標準體系已較為完善，超高溫?高溫氧化環境力學測試標準的建立需要材料研發人員及測試技術研發人員的共同努力?

高校?科研院所?航空航天企業及檢驗檢測機構應建立健全產學研合作機制，加強溝通協作，共同推進先進材料研發與極端環境下力學性能測試技術研發，為我國航空航天技術的快速發展提供有力支撐?

參考文獻

[1] 王曉海，周宇昌。美國航空航天局 2015 技術路線圖概述及對我國航天發展的啟示 [J]. 衛星與網絡，2016 (10):60-67.

[2] 張占倉。關于 “十四五” 規劃的若干重大問題研究 [J]. 區域經濟評論，2020 (1):23-31.

[3] 肖思思，王浩明，田建川.“藍天盛會” 見證中國航空航天發展 [J]. 中國科技財富，2022 (11).

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[5] 佚名。四級固體火箭 “長征” 十一號 “一箭三星” 發射成功 [J]. 中國航天，2022 (4).

[6] 姜宗林，劉俊麗，苑朝凱，等。超常環境力學領域研究新進展 -《力學學報》極端力學專題研討會綜述報告 [J]. 力學學報，2021,53 (2):589-599.

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[8] 張超，索濤，張欣玥，等.2D-C/SiC 在極端高溫環境下的動態壓縮力學性能測試 [C].2018 年全國固體力學學術會議，2018.

[9] 馬艷艷。感應加熱高溫力學試驗裝置的研制 [D]. 大連理工大學，2020.

[10] 李明旭。針刺碳 / 碳復合材料超高溫拉伸力學性能試驗研究 [J]. 哈爾濱工業大學，2020.

[11] 崔森杰。極端溫度超高溫陶瓷力學性能測試技術儀器的設計 [D]. 重慶大學，2014.

[12] 李芳，何國勝，李剛，等。航天技術應用及服務產業 “十四五” 整體發展規劃及路徑選擇 [J]. 中國航天，2021 (3):18-22.

（注，原文標題：航空航天飛行器熱端部件用高溫材料極端環境力學性能測試標準分析及展望）

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