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飛行器及其動力裝置、附件、儀表所用的各類材料,是航空航天工程技術發展的決定性因素之一。航空航天材料科學是材料科學中富有開拓性的一個分支。飛行器的設計不斷地向材料科學提出新的課題,推動航空航天材料科學向前發展;各種新材料的出現也給飛行器的設計提供新的可能性,極大地促進了航空航天技術的發展。

航空航天材料的進展取決于下列3個因素:
①材料科學理論的新發現:例如,鋁合金的時效強化理論導致硬鋁合金的發展;高分子材料剛性分子鏈的定向排列理論導致高強度、高模量芳綸有機纖維的發展。
②材料加工工藝的進展:例如,古老的鑄、鍛技術已發展成為定向凝固技術、精密鍛壓技術,從而使高性能的葉片材料得到實際應用;復合材料增強纖維鋪層設計和工藝技術的發展,使它在不同的受力方向上具有最優特性,從而使復合材料具有"可設計性",并為它的應用開拓了廣闊的前景;熱等靜壓技術、超細粉末制造技術等新型工藝技術的成就創造出具有嶄新性能的一代新型航空航天材料和制件,如熱等靜壓的粉末冶金渦輪盤、高效能陶瓷制件等。
③材料性能測試與無損檢測技術的進步:現代電子光學儀器已經可以觀察到材料的分子結構;材料機械性能的測試裝置已經可以模擬飛行器的載荷譜,而且無損檢測技術也有了飛速的進步。材料性能測試與無損檢測技術正在提供越來越多的、更為精細的信息,為飛行器的設計提供更接近于實際使用條件的材料性能數據,為生產提供保證產品質量的檢測手段。

一種新型航空航天材料只有在這三個方面都已經發展到成熟階段,才有可能應用于飛行器上。因此,世界各國都把航空航天材料放在優先發展的地位。中國在50年代就創建了北京航空材料研究所和北京航天材料工藝研究所,從事航空航天材料的應用研究。

18世紀60年代發生的歐洲工業革命使紡織工業、冶金工業、機器制造工業得到很大的發展,從而結束了人類只能利用自然材料向天空挑戰的時代。1903年美國萊特兄弟制造出第一架裝有活塞式航空發動機的飛機,當時使用的材料有木材(占47%),鋼(占35%)和布(占18%),飛機的飛行速度只有16公里/時。1906年德國冶金學家發明了可以時效強化的硬鋁,使制造全金屬結構的飛機成為可能。40年代出現的全金屬結構飛機的承載能力已大大增加,飛行速度超過了600公里/時。在合金強化理論的基礎上發展起來的一系列高溫合金使得噴氣式發動機的性能得以不斷提高。50年代鈦合金的研制成功和應用對克服機翼蒙皮的"熱障"問題起了重大作用,飛機的性能大幅度提高,最大飛行速度達到了3倍音速。40年代初期出現的德國 V-2火箭只使用了一般的航空材料。50年代以后,材料燒蝕防熱理論的出現以及燒蝕材料的研制成功,解決了彈道導彈彈頭的再入防熱問題。60年代以來,航空航天材料性能的不斷提高,一些飛行器部件使用了更先進的復合材料,如碳纖維或硼纖維增強的環氧樹脂基復合材料、金屬基復合材料等,以減輕結構重量。返回型航天器和航天飛機在再入大氣層時會遇到比彈道導彈彈頭再入時間長得多的空氣動力加熱過程,但加熱速度較慢,熱流較小。采用抗氧化性能更好的碳-碳復合材料、陶瓷隔熱瓦等特殊材料可以解決防熱問題。

分類飛行器發展到80年代已成為機械加電子的高度一體化的產品。它要求使用品種繁多的、具有先進性能的結構材料和具有電、光、熱和磁等多種性能的功能材料。航空航天材料按材料的使用對象不同可分為飛機材料、航空發動機材料、火箭和導彈材料和航天器材料等;按材料的化學成分不同可分為金屬與合金材料、有機非金屬材料、無機非金屬材料和復合材料。

材料應具備的條件用航空航天材料制造的許多零件往往需要在超高溫、超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等極端條件下工作,有的則受到重量和容納空間的限制,需要以最小的體積和質量發揮在通常情況下等效的功能,有的需要在大氣層中或外層空間長期運行,不可能停機檢查或更換零件,因而要有極高的可靠性和質量保證。不同的工作環境要求航空航天材料具有不同的特性。

高的比強度和比剛度對飛行器材料的基本要求是:材質輕、強度高、剛度好。減輕飛行器本身的結構重量就意味著增加運載能力,提高機動性能,加大飛行距離或射程,減少燃油或推進劑的消耗。比強度和比剛度是衡量航空航天材料力學性能優劣的重要參數:

比強度=σ/ρ

比剛度=E/ρ

式中σ為材料的強度,E為材料的彈性模量,ρ為材料的比重。

飛行器除了受靜載荷的作用外還要經受由于起飛和降落、發動機振動、轉動件的高速旋轉、機動飛行和突風等因素產生的交變載荷,因此材料的疲勞性能也受到人們極大的重視。

飛行器所經受的高溫環境是空氣動力加熱、發動機燃氣以及太空中太陽的輻照造成的。航空器要長時間在空氣中飛行,有的飛行速度高達3倍音速,所使用的高溫材料要具有良好的高溫持久強度、蠕變強度、熱疲勞強度,在空氣和腐蝕介質中要有高的抗氧化性能和抗熱腐蝕性能,并應具有在高溫下長期工作的組織結構穩定性。火箭發動機燃氣溫度可達3000°C以上,噴射速度可達十余個馬赫數,而且固體火箭燃氣中還夾雜有固體粒子,彈道導彈頭部在再入大氣層時速度高達20個馬赫數以上,溫度高達上萬攝氏度,有時還會受到粒子云的侵蝕,因此在航天技術領域中所涉及的高溫環境往往同時包括高溫高速氣流和粒子的沖刷。在這種條件下需要利用材料所具有的熔解熱、蒸發熱、升華熱、分解熱、化合熱以及高溫粘性等物理性能來設計高溫耐燒蝕材料和發汗冷卻材料以滿足高溫環境的要求。太陽輻照會造成在外層空間運行的衛星和飛船表面溫度的交變,一般采用溫控涂層和隔熱材料來解決。低溫環境的形成來自大自然和低溫推進劑。飛機在同溫層以亞音速飛行時表面溫度會降到-50°C左右,極圈以內各地域的嚴冬會使機場環境溫度下降到-40°C以下。 在這種環境下要求金屬構件或橡膠輪胎不產生脆化現象。液體火箭使用液氧(沸點為-183°C)和液氫(沸點為-253°C)作推進劑,這為材料提出了更嚴峻的環境條件。部分金屬材料和絕大多數高分子材料在這種條件下都會變脆。通過發展或選擇合適的材料,如純鋁和鋁合金、鈦合金、低溫鋼、聚四氟乙烯、聚酰亞胺和全氟聚醚等,才能解決超低溫下結構承受載荷的能力和密封等問題。

各種介質和大氣環境對材料的作用表現為腐蝕和老化。航空航天材料接觸的介質是飛機用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推進劑(如濃硝酸、四氧化二氮、肼類)和各種潤滑劑、液壓油等。其中多數對金屬和非金屬材料都有強烈的腐蝕作用或溶脹作用。在大氣中受太陽的輻照、風雨的侵蝕、地下潮濕環境中長期貯存時產生的霉菌會加速高分子材料的老化過程。耐腐蝕性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料應該具備的良好特性。

空間環境對材料的作用主要表現為高真空(1.33×10帕)和宇宙射線輻照的影響。金屬材料在高真空下互相接觸時,由于表面被高真空環境所凈化而加速了分子擴散過程,出現"冷焊"現象;非金屬材料在高真空和宇宙射線輻照下會加速揮發和老化,有時這種現象會使光學鏡頭因揮發物沉積而被污染,密封結構因老化而失效。航天材料一般是通過地面模擬試驗來選擇和發展的,以求適應于空間環境。

為了減輕飛行器的結構重量,選取盡可能小的安全余量而達到絕對可靠的安全壽命,被認為是飛行器設計的奮斗目標。對于導彈或運載火箭等短時間一次使用的飛行器,人們力求把材料性能發揮到極限程度。為了充分利用材料強度并保證安全,對于金屬材料已經使用"損傷容限設計原則"。這就要求材料不但具有高的比強度,而且還要有高的斷裂韌性。在模擬使用的條件下測定出材料的裂紋起始壽命和裂紋的擴展速率等數據,并計算出允許的裂紋長度和相應的壽命,以此作為設計、生產和使用的重要依據。對于有機非金屬材料則要求進行自然老化和人工加速老化試驗,確定其壽命的保險期。復合材料的破損模式、壽命和安全也是一項重要的研究課題。