機載光電設備的材料應用

張博今

摘 要：隨著機載光電系統性能指標要求的提高，單一的合金類材料已不能滿足高端設備的需求。以復合材料、智能材料等為代表的新型材料正逐步進入光電設備應用領域，并發揮著越來越重要的作用。

關鍵詞：機載光電設備；材料；合金；智能

中圖分類號：V242 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）15-0021-02

1 機載光電設備及系統發展概述

隨著科技的不斷發展以及我國科研水平的不斷提高，以光電設備為依托的光電技術逐漸被應用在飛機上。該技術除了在一些民航飛機上使用外，更多被用在戰斗類飛機上，以提升戰斗機的性能和戰斗機的實際作戰能力。戰斗機通過機載光電設備能夠對敵機進行有效偵查，比如對目標飛機的捕獲、測距和對戰區的偵查等，都有著實際意義。針對目前國際范圍內戰斗機的發展，依靠單一合金類材料所生產的光電設備和光電系統已經遠遠不能滿足實際作戰需要，取而代之的是新型智能材料，新材料的應用將使光電系統在飛行中發揮更大的作用。

2 機載光電設備主要材料探究

2.1 傳統單一合金材料

在當前的航空光電設備中，傳統材料仍然占有較大的比重，而其應用的機種多以民航飛機為主。傳統材料包括鎂合金、鋁合金、鈦合金、鎳合金等，這類材料由于取材方便、價格相對較低、加工成型相對容易、技術較為成熟，具有十分廣闊的市場，同時，這些材料也為我國機載光電設備的研發奠定了基礎。

2.2 新型高科技材料

2.2.1 復合材料

復合材料主要是以金屬構件為主，在此基礎上添加一定的元素，按照需要強化金屬的性能，比如耐高溫性、抗腐蝕性、高強度、高韌性等。由于加入了非金屬成分，復合材料的材質較金屬材料輕便，在機載環境下更具優勢。比如在新一代的波音787上，就廣泛利用了新型復合材料，約占飛機使用材料總數的50%，并且工程技術人員大膽地將復合材料應用于機翼；我國“大飛機”計劃中也將復合材料應用于飛機的客艙等部分，并且飛機內的附屬物大部分也使用了復合材料；在軍用機層面，美國的阿帕奇直升機和軍用運輸機A400M也都大量應用了復合材料。圖1為新型復合材料。

此外，復合材料在加工過程中體現了快而省的特點。一般的材料需要傳統工藝加工，而復合材料可以先由廠商加工成復合件之后，再由終端生產企業進行組裝，這樣省去了大量的時間，并且能夠保證制造的質量。我國機載設備有相當一部分是由復合材料制成的，這些復合材料中最重要的物質之一就是碳化硅。碳化硅不僅被廣泛應用在我國的飛機上，還被出口到非洲、南美洲和歐洲國家，比如，由北京機電研究所研制的相機鏡筒和遮陽罩等，每年都會有大量產品出口。

2.2.2 智能結構與智能材料

所謂“智能材料”，是指能夠根據外界的變化，通過自身的結構調整進行自身性能的調整的材料，由于這種性質與生物體的感知、調整十分類似，我們形象地稱此類材料為“智能材料”。將智能材料應用于機載設備，有助于航空事業的進一步發展，對于我國無人機技術的發展更是有著十分重要的意義。從1993年開始，我國的自然科學基金就與中國科學院和中國工程院攜手進行智能材料的探索與研發，一些地方高校也參與到其中，比如浙江大學、清華大學、中北大學、哈爾濱工業大學等。在各方的共同努力下，我國在智能材料領域取得的成果頗豐。比如，在飛機機翼上加裝的控制系統就是以智能結構為技術依托的，能夠在飛機的飛行中根據客觀情況自動調整機翼的形態，也能夠改善飛機的機動性能。在其他航空領域，比如我國的“天宮一號”空間站，其中的射電望遠鏡等儀器就使用含有鈦金的智能材料，這是一種“記憶”材料，可以在外界撞擊變形后，自動恢復到原先的形態和強度。另外，還有很多設備根據具體的需要，應用了不同的智能材料。

2.2.3 壓電材料

壓電材料之所以被使用，是由于該種材料可以在一定條件下產生流動的電荷。有電荷流動，就能夠形成電壓差，這種電壓差可以使物體出現形變，進而達到預期效果。壓電材料被廣泛應用于振動控制系統中。常用的壓電材料為壓電陶瓷和壓電聚合物，壓電聚合物主要是由壓電纖維構成的。

壓電材料既可作為傳感元件，又可作為驅動元件。壓電材料的壓電效應有較好的線性關系，便于測量和控制。壓電材料的制備技術也日趨完善和成熟。目前，壓電陶瓷材料，比如PZT材料，被廣泛應用于各種傳感器和制動器中，用于產生精確的位移、聲音以及用于振動測量和主動控制。目前，用壓電陶瓷制成的許多種器件都已實用化，比如壓電超聲換能器、壓電陶瓷點火裝置、陶瓷濾波器、壓電變壓器和壓電電機等。

2.2.4 藍寶石材料

由于藍寶石波段較寬，人工合成后的光學性質與天然形成的差別不大，常被用于光電設備，最早可以追溯到20世紀60年代，當時美國軍事部門意識到了藍寶石在戰斗機上的應用或許會為航空領域帶來一場革命，在國防部的授意下，一些科研部門和高校開始針對藍寶石與光電設備進行研究。20世紀80年代，隨著藍寶石人工合成技術的成型以及精密機床的快速發展，使藍寶石被廣泛應用于軍事領域。美國的F-22戰斗機搭載了有藍寶石窗口的紅外線目標導航系統；英國一些企業所生產的光電桅桿也取材于藍寶石，如圖2。可以預想，隨著科技的發展，藍寶石的應用將會越來越廣。

摘 要：隨著機載光電系統性能指標要求的提高，單一的合金類材料已不能滿足高端設備的需求。以復合材料、智能材料等為代表的新型材料正逐步進入光電設備應用領域，并發揮著越來越重要的作用。

關鍵詞：機載光電設備；材料；合金；智能

中圖分類號：V242 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）15-0021-02

1 機載光電設備及系統發展概述

隨著科技的不斷發展以及我國科研水平的不斷提高，以光電設備為依托的光電技術逐漸被應用在飛機上。該技術除了在一些民航飛機上使用外，更多被用在戰斗類飛機上，以提升戰斗機的性能和戰斗機的實際作戰能力。戰斗機通過機載光電設備能夠對敵機進行有效偵查，比如對目標飛機的捕獲、測距和對戰區的偵查等，都有著實際意義。針對目前國際范圍內戰斗機的發展，依靠單一合金類材料所生產的光電設備和光電系統已經遠遠不能滿足實際作戰需要，取而代之的是新型智能材料，新材料的應用將使光電系統在飛行中發揮更大的作用。

2 機載光電設備主要材料探究

2.1 傳統單一合金材料

在當前的航空光電設備中，傳統材料仍然占有較大的比重，而其應用的機種多以民航飛機為主。傳統材料包括鎂合金、鋁合金、鈦合金、鎳合金等，這類材料由于取材方便、價格相對較低、加工成型相對容易、技術較為成熟，具有十分廣闊的市場，同時，這些材料也為我國機載光電設備的研發奠定了基礎。

2.2 新型高科技材料

2.2.1 復合材料

復合材料主要是以金屬構件為主，在此基礎上添加一定的元素，按照需要強化金屬的性能，比如耐高溫性、抗腐蝕性、高強度、高韌性等。由于加入了非金屬成分，復合材料的材質較金屬材料輕便，在機載環境下更具優勢。比如在新一代的波音787上，就廣泛利用了新型復合材料，約占飛機使用材料總數的50%，并且工程技術人員大膽地將復合材料應用于機翼；我國“大飛機”計劃中也將復合材料應用于飛機的客艙等部分，并且飛機內的附屬物大部分也使用了復合材料；在軍用機層面，美國的阿帕奇直升機和軍用運輸機A400M也都大量應用了復合材料。圖1為新型復合材料。

此外，復合材料在加工過程中體現了快而省的特點。一般的材料需要傳統工藝加工，而復合材料可以先由廠商加工成復合件之后，再由終端生產企業進行組裝，這樣省去了大量的時間，并且能夠保證制造的質量。我國機載設備有相當一部分是由復合材料制成的，這些復合材料中最重要的物質之一就是碳化硅。碳化硅不僅被廣泛應用在我國的飛機上，還被出口到非洲、南美洲和歐洲國家，比如，由北京機電研究所研制的相機鏡筒和遮陽罩等，每年都會有大量產品出口。

2.2.2 智能結構與智能材料

所謂“智能材料”，是指能夠根據外界的變化，通過自身的結構調整進行自身性能的調整的材料，由于這種性質與生物體的感知、調整十分類似，我們形象地稱此類材料為“智能材料”。將智能材料應用于機載設備，有助于航空事業的進一步發展，對于我國無人機技術的發展更是有著十分重要的意義。從1993年開始，我國的自然科學基金就與中國科學院和中國工程院攜手進行智能材料的探索與研發，一些地方高校也參與到其中，比如浙江大學、清華大學、中北大學、哈爾濱工業大學等。在各方的共同努力下，我國在智能材料領域取得的成果頗豐。比如，在飛機機翼上加裝的控制系統就是以智能結構為技術依托的，能夠在飛機的飛行中根據客觀情況自動調整機翼的形態，也能夠改善飛機的機動性能。在其他航空領域，比如我國的“天宮一號”空間站，其中的射電望遠鏡等儀器就使用含有鈦金的智能材料，這是一種“記憶”材料，可以在外界撞擊變形后，自動恢復到原先的形態和強度。另外，還有很多設備根據具體的需要，應用了不同的智能材料。

2.2.3 壓電材料

壓電材料之所以被使用，是由于該種材料可以在一定條件下產生流動的電荷。有電荷流動，就能夠形成電壓差，這種電壓差可以使物體出現形變，進而達到預期效果。壓電材料被廣泛應用于振動控制系統中。常用的壓電材料為壓電陶瓷和壓電聚合物，壓電聚合物主要是由壓電纖維構成的。

壓電材料既可作為傳感元件，又可作為驅動元件。壓電材料的壓電效應有較好的線性關系，便于測量和控制。壓電材料的制備技術也日趨完善和成熟。目前，壓電陶瓷材料，比如PZT材料，被廣泛應用于各種傳感器和制動器中，用于產生精確的位移、聲音以及用于振動測量和主動控制。目前，用壓電陶瓷制成的許多種器件都已實用化，比如壓電超聲換能器、壓電陶瓷點火裝置、陶瓷濾波器、壓電變壓器和壓電電機等。

2.2.4 藍寶石材料

由于藍寶石波段較寬，人工合成后的光學性質與天然形成的差別不大，常被用于光電設備，最早可以追溯到20世紀60年代，當時美國軍事部門意識到了藍寶石在戰斗機上的應用或許會為航空領域帶來一場革命，在國防部的授意下，一些科研部門和高校開始針對藍寶石與光電設備進行研究。20世紀80年代，隨著藍寶石人工合成技術的成型以及精密機床的快速發展，使藍寶石被廣泛應用于軍事領域。美國的F-22戰斗機搭載了有藍寶石窗口的紅外線目標導航系統；英國一些企業所生產的光電桅桿也取材于藍寶石，如圖2。可以預想，隨著科技的發展，藍寶石的應用將會越來越廣。

摘 要：隨著機載光電系統性能指標要求的提高，單一的合金類材料已不能滿足高端設備的需求。以復合材料、智能材料等為代表的新型材料正逐步進入光電設備應用領域，并發揮著越來越重要的作用。

關鍵詞：機載光電設備；材料；合金；智能

中圖分類號：V242 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）15-0021-02

1 機載光電設備及系統發展概述

隨著科技的不斷發展以及我國科研水平的不斷提高，以光電設備為依托的光電技術逐漸被應用在飛機上。該技術除了在一些民航飛機上使用外，更多被用在戰斗類飛機上，以提升戰斗機的性能和戰斗機的實際作戰能力。戰斗機通過機載光電設備能夠對敵機進行有效偵查，比如對目標飛機的捕獲、測距和對戰區的偵查等，都有著實際意義。針對目前國際范圍內戰斗機的發展，依靠單一合金類材料所生產的光電設備和光電系統已經遠遠不能滿足實際作戰需要，取而代之的是新型智能材料，新材料的應用將使光電系統在飛行中發揮更大的作用。

2 機載光電設備主要材料探究

2.1 傳統單一合金材料

在當前的航空光電設備中，傳統材料仍然占有較大的比重，而其應用的機種多以民航飛機為主。傳統材料包括鎂合金、鋁合金、鈦合金、鎳合金等，這類材料由于取材方便、價格相對較低、加工成型相對容易、技術較為成熟，具有十分廣闊的市場，同時，這些材料也為我國機載光電設備的研發奠定了基礎。

2.2 新型高科技材料

2.2.1 復合材料

復合材料主要是以金屬構件為主，在此基礎上添加一定的元素，按照需要強化金屬的性能，比如耐高溫性、抗腐蝕性、高強度、高韌性等。由于加入了非金屬成分，復合材料的材質較金屬材料輕便，在機載環境下更具優勢。比如在新一代的波音787上，就廣泛利用了新型復合材料，約占飛機使用材料總數的50%，并且工程技術人員大膽地將復合材料應用于機翼；我國“大飛機”計劃中也將復合材料應用于飛機的客艙等部分，并且飛機內的附屬物大部分也使用了復合材料；在軍用機層面，美國的阿帕奇直升機和軍用運輸機A400M也都大量應用了復合材料。圖1為新型復合材料。

此外，復合材料在加工過程中體現了快而省的特點。一般的材料需要傳統工藝加工，而復合材料可以先由廠商加工成復合件之后，再由終端生產企業進行組裝，這樣省去了大量的時間，并且能夠保證制造的質量。我國機載設備有相當一部分是由復合材料制成的，這些復合材料中最重要的物質之一就是碳化硅。碳化硅不僅被廣泛應用在我國的飛機上，還被出口到非洲、南美洲和歐洲國家，比如，由北京機電研究所研制的相機鏡筒和遮陽罩等，每年都會有大量產品出口。

2.2.2 智能結構與智能材料

所謂“智能材料”，是指能夠根據外界的變化，通過自身的結構調整進行自身性能的調整的材料，由于這種性質與生物體的感知、調整十分類似，我們形象地稱此類材料為“智能材料”。將智能材料應用于機載設備，有助于航空事業的進一步發展，對于我國無人機技術的發展更是有著十分重要的意義。從1993年開始，我國的自然科學基金就與中國科學院和中國工程院攜手進行智能材料的探索與研發，一些地方高校也參與到其中，比如浙江大學、清華大學、中北大學、哈爾濱工業大學等。在各方的共同努力下，我國在智能材料領域取得的成果頗豐。比如，在飛機機翼上加裝的控制系統就是以智能結構為技術依托的，能夠在飛機的飛行中根據客觀情況自動調整機翼的形態，也能夠改善飛機的機動性能。在其他航空領域，比如我國的“天宮一號”空間站，其中的射電望遠鏡等儀器就使用含有鈦金的智能材料，這是一種“記憶”材料，可以在外界撞擊變形后，自動恢復到原先的形態和強度。另外，還有很多設備根據具體的需要，應用了不同的智能材料。

2.2.3 壓電材料

壓電材料之所以被使用，是由于該種材料可以在一定條件下產生流動的電荷。有電荷流動，就能夠形成電壓差，這種電壓差可以使物體出現形變，進而達到預期效果。壓電材料被廣泛應用于振動控制系統中。常用的壓電材料為壓電陶瓷和壓電聚合物，壓電聚合物主要是由壓電纖維構成的。

壓電材料既可作為傳感元件，又可作為驅動元件。壓電材料的壓電效應有較好的線性關系，便于測量和控制。壓電材料的制備技術也日趨完善和成熟。目前，壓電陶瓷材料，比如PZT材料，被廣泛應用于各種傳感器和制動器中，用于產生精確的位移、聲音以及用于振動測量和主動控制。目前，用壓電陶瓷制成的許多種器件都已實用化，比如壓電超聲換能器、壓電陶瓷點火裝置、陶瓷濾波器、壓電變壓器和壓電電機等。

2.2.4 藍寶石材料

由于藍寶石波段較寬，人工合成后的光學性質與天然形成的差別不大，常被用于光電設備，最早可以追溯到20世紀60年代，當時美國軍事部門意識到了藍寶石在戰斗機上的應用或許會為航空領域帶來一場革命，在國防部的授意下，一些科研部門和高校開始針對藍寶石與光電設備進行研究。20世紀80年代，隨著藍寶石人工合成技術的成型以及精密機床的快速發展，使藍寶石被廣泛應用于軍事領域。美國的F-22戰斗機搭載了有藍寶石窗口的紅外線目標導航系統；英國一些企業所生產的光電桅桿也取材于藍寶石，如圖2。可以預想，隨著科技的發展，藍寶石的應用將會越來越廣。