航空航天热端材料力学性能测试标准对标分析与标准化发展展望——涵盖陶瓷基复合材料、高温合金等关键材料，厘清常温-高温测试技术差异并提出产学研协同推进策略

引言

2015 年，美国航空航天局 (NASA) 发布了《2015 航空航天技术路线图》, 该文件探讨了美国 2015-2035 年航空航天发展所需的关键技术及实施路径，其中，重点提到发射与推进系统，要求以降低 50% 发射成本为目标，积极研发固体火箭推进系统､液体火箭推进系统､吸气发射推进系统等航空航天飞行动力部件1｡

我国 “十四五规划” 中，对航空航天领域发展提出了明确的要求，要求围绕高质量发展部署战略资源，在 “十四五” 末期形成一批对未来发展有重大影响力的高科技成果 [2]｡在 “航空十四五规划” 的指导下，近年来，我国航空航天技术突飞猛进，C919､“歼 20”､“直 20” 的亮相，标志着我国进入航空航天技术领域强国行列，我国自主研发的 “太行” 系列航空发动机更是获得广泛关注 [3]｡航天技术方面，我国 “长征” 航空火箭发展已历经四代，截至 2021 年底，“长征” 系列运载火箭有 16 个型号处于服役阶段，此外亦有 “开拓者”､“快舟” 等型号运载火箭､“神州” 系列载人飞船､“天舟” 货运飞船､“天宫” 空间站，这些成就标志着我国已成为航空技术大国 [4-5]｡

为配合新时期 “上天､入地､下海” 的国家工程技术发展要求，随着高端装备的设计与研发，新型材料在极端环境下 (高温､超高温､真空､腐蚀) 力学性能的测试逐渐引起材料研发人员的关注 [6]｡众所周知，航空航天技术进步离不开航空特种材料的发展｡目前，航空航天发动机热端部件所使用的材料主要有陶瓷､复合材料､合金材料等，相关材料的研究朝着高性能､复合化､智能化､整体化､低维化､低成本化发展 [7]｡西北工业大学的张超 [8] 等人，利用硅钼棒加热试样，能够在空气及氩气环境下将试样加热至 1600℃测量动态压缩性能；大连理工大学的马艳艳等人 [9] 设计的高温力学试验装置，最快升温速率可达到 800℃/min, 在 - 0.1MPa 真空度环境中将试样加热至 1500℃; 哈尔滨工业大学的李明旭等人 [10], 使用通电加热的方式，将针刺 C/C 复合材料加热至 2800℃测试并且测试了拉伸性能；重庆大学的崔森杰 [11] 等人，使用 PRO/E 设计极端温度超高温陶瓷力学性能测试仪器并通过 ANSYS 有限元模拟分析，模拟结果表明，仪器理论上可使试件在数秒内达到 2700℃｡对于航空航天技术服务产业而言，攻关高精尖､高技术､标准化是行业发展的必由之路 [12]｡先进材料及构件的实际应用环境决定了材料性能及测试技术的发展方向，目前，国际国内极端环境下材料力学性能测试技术及测试标准仍存在缺失情况，测试体系建设仍未完善｡本文综合分析航空航天发动机热端部件用陶瓷类､复合材料类及金属类现有测试标准，对标现有极端环境力学性能测试技术，对相关技术标准化提出展望｡

1、航空航天热端部件用材料力学性能测试标准分析

1.1 陶瓷材料

陶瓷具有强度高､密度低､耐高温､耐腐蚀等优点，在航空航天高端装备中，结构陶瓷､高温陶瓷材料被广泛应用于发动机涡轮叶盘､卫星的天线罩等航空航天热保护部件中｡因此，陶瓷材料的力学性能，尤其是在高温､超高温等极端环境下的力学性能成为材料可靠性应用的关键参考｡表 1 列举了国际国内陶瓷材料常温及高温环境力学性能测试标准｡

表 1 陶瓷材料力学性能测试标准

从表 1 中可看出，陶瓷材料常温环境下基本力学性能测试标准较为健全，用作隔热材料的陶瓷涂层力学性能评价亦有相关标准作为支撑｡近年来，在我国检测技术研发人员的努力下，相关测试技术已走在国际前列，主导发布了系列精细陶瓷 ISO 国际标准，如 ISO13124:2011､ISO17095:2013､ISO19603:2016､ISO20343:2017､ISO20407:2017､ISO23458:2020､ISO21713:2020､ISO5722:2023 等，有效解决了特种陶瓷的技术难题和标准化问题，填补了国内外技术空白，对于特种陶瓷，特别是航空航天飞行器用热端材料的服役安全有重要的现实意义｡

1.2 复合材料

复合材料是由两种或两种以上材料，通过物理或化学方法，组成具有新性能的功能材料｡目前，先进复合材料具有重量轻､强度大､熔点高､耐疲劳､耐磨损､热稳定性良好等诸多优点，被广泛应用于发动机叶片等关键部位，大到航天器､火箭导弹､核反应堆，小到汽车，家具都能够见到复合材料的应用｡近几年，随着航空航天领域的快速发展，各国都加大了对先进复合材料研究的支持力度，同时也间接推动了先进复合材料测试标准的建设，表 2 是复合材料在常温及高温环境下的力学性能测试标准｡

表 2 复合材料力学性能测试标准

近年来，随着先进复合材料的研究热度不断升高，测试标准体系被迅速完善｡尤其是 2021 年发布的《连续纤维增强陶瓷基复合材料高温力学性能试验方法》(GJB10311-2021), 规范了陶瓷基复合材料在高温环境下拉伸､弯曲､压缩､剪切､疲劳､蠕变等基本力学性能的测试方法，为材料及构件在高温环境中安全性应用提供了技术支撑｡

1.3 金属､高温合金材料

金属及合金是应用最早也是最广泛的一类材料，在航空航天领域中，铝合金､镁合金､钛合金和镍钼钨合金等合金材料由于具有低密度､使用寿命高､耐腐蚀､耐高温等优异的性能，用于航空航天发动机中压气机盘､叶片､鼓筒､高压压气机转子､压气机机匣等关键部位，由于研究时间跨度长，因此，金属及合金材料测试标准体系已相对完善，表 3 为金属及合金材料常温及高温环境力学性能相关测试标准｡

表 3 金属及高温合金材料力学性能测试标准

从表格中可看出，金属及合金材料常温､高温环境力学性能测试标准体系已较为完善，同时，应注意到，由于基本物理性质的限制，金属及合金材料大多易氧化且仅能在 1200℃及以下温度环境中正常工作｡因此，超高温､高温氧化等极端环境下的力学性能测试标准仍旧空白｡

2、展望

随着我国航空航天技术的进步，对于航空航天发动机热端部件用特种材料在超高温､高温氧化等极端环境下进行力学性能测试的需求，将呈现井喷式爆发｡

精细陶瓷材料在超高温等极端环境下进行力学性能测试的国家标准体系仍未健全，相关测试标准体系的建设仍需要技术研发人员的共同努力｡先进复合材料超高温环境力学性能测试国家标准在 GJB10311-2021 的引领下已初具规模，并且逐步向高温氧化极端环境测试方向探索，GB/T36264-2018 能够测试先进复合材料在 2200℃高温氧化环境下的拉伸性能｡由此可见，相关标准体系的健全与完善只是时间问题｡金属及合金材料高温环境力学性能测试国家标准体系已较为完善，超高温､高温氧化环境力学测试标准的建立需要材料研发人员及测试技术研发人员的共同努力｡

高校､科研院所､航空航天企业及检验检测机构应建立健全产学研合作机制，加强沟通协作，共同推进先进材料研发与极端环境下力学性能测试技术研发，为我国航空航天技术的快速发展提供有力支撑｡

参考文献

[1] 王晓海，周宇昌。美国航空航天局 2015 技术路线图概述及对我国航天发展的启示 [J]. 卫星与网络，2016 (10):60-67.

[2] 张占仓。关于 “十四五” 规划的若干重大问题研究 [J]. 区域经济评论，2020 (1):23-31.

[3] 肖思思，王浩明，田建川.“蓝天盛会” 见证中国航空航天发展 [J]. 中国科技财富，2022 (11).

[4] 陈虓，郑勇。中国航天发射任务的统计与分析 [J]. 中国航天，2022 (4):41-47.

[5] 佚名。四级固体火箭 “长征” 十一号 “一箭三星” 发射成功 [J]. 中国航天，2022 (4).

[6] 姜宗林，刘俊丽，苑朝凯，等。超常环境力学领域研究新进展 -《力学学报》极端力学专题研讨会综述报告 [J]. 力学学报，2021,53 (2):589-599.

[7] 田迅明。航空航天材料发展现状及前景研究 [J]. 中国高新区，2019 (2):47.

[8] 张超，索涛，张欣玥，等.2D-C/SiC 在极端高温环境下的动态压缩力学性能测试 [C].2018 年全国固体力学学术会议，2018.

[9] 马艳艳。感应加热高温力学试验装置的研制 [D]. 大连理工大学，2020.

[10] 李明旭。针刺碳 / 碳复合材料超高温拉伸力学性能试验研究 [J]. 哈尔滨工业大学，2020.

[11] 崔森杰。极端温度超高温陶瓷力学性能测试技术仪器的设计 [D]. 重庆大学，2014.

[12] 李芳，何国胜，李刚，等。航天技术应用及服务产业 “十四五” 整体发展规划及路径选择 [J]. 中国航天，2021 (3):18-22.

（注，原文标题：航空航天飞行器热端部件用高温材料极端环境力学性能测试标准分析及展望）

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