航空航天工業中，航天器的制造，需要對飛行過程中自然力對材料的影響，有敏銳的理解。

GE 陶瓷基復合材料

在地球表面，就人類對元素的理解而言，生命是相當有序的，但在太空中，溫度波動、輻射和化學相互作用都可能對用于建造航天器的材料的彈性產生巨大影響。

在選擇航天器材料時，除了環境因素外，還必須考慮重量、質量、重力和能源使用等因素。就像傳統飛機一樣，航天飛行器必須保持重量平衡，才能安全地獲得升力并保持飛行。

在軌道運行時，航天器的質量會影響其使用推力和保持導航矢量的能力。因為重量（Weight）和質量（Mass）在設計中經常是相關的，所以在選擇航天器的材料時必須考慮這兩個因素。

為了解決上述挑戰，復合材料通常用于制造航空航天飛行器。與傳統的航空合金相比，航空復合材料具有許多優點，但這些優點的價值取決于飛行器的類型和任務。

復合材料飛機通常更輕，因為它是由塑料和碳纖維等材料制成的。這些復合材料制造的飛機既輕又耐用，還能抵抗極端溫度的影響。

航空航天設計中的復合材料也可以采用單體殼成型，進一步減輕環境壓力。

最初，20世紀50年代使用的復合材料利用了玻璃纖維與樹脂一起排列在基體中的優勢。這些設計被用于商用客機，但碳纖維很快成為更具性能的復合材料選材。

此外，碳纖維層壓板已被用于制造飛機零件設計的三明治結構，如副翼和尾翼部件。芳香族聚酰胺纖維，也被稱為芳綸纖維，也被用于航空航天設計中，因為這些纖維含有很強的耐熱性能及拉伸強度。

如上所述，航空航天復合材料還必須能夠處理極端的溫度波動。在太空中，溫度可以降到零下450華氏度（約232℃）以下。在重返地球大氣層時，溫度可飆升至華氏3000度（約1649℃）以上。

這意味著航空航天材料必須能夠散熱和抵御寒冷，同時屏蔽內部的乘員或有效載荷。復合材料已被證明在這些任務中是有效的，同時在高海拔的太空旅行和常規航空中保持抗強壓力的彈性。

航天材料的重大創新

盡管復合材料已經超越了傳統的單元素合金，但航空航天工業的工程師們一直在研究有望提供更好性能的新型合金材料。

鈹是一種重量輕、強度高的化學元素，已與鈦、鋁等材料一起用于制造混合合金材料。

美國輕質材料制造創新研究所的產品“未來輕量化合金”也在推進用于航空航天設計的合金生產和著色等新技術。

該計劃的重點是與航空航天工業的制造商和材料加工商合作，研發為飛行應用的新合金和混合材料。

“未來輕量化合金”計劃的創新之處在于發現了對合金進行熱處理以改善其性能的新方法。此外，合金的切割方式也會對其性能產生影響。

在切割航空航天材料時，表面完整性是一個重點，因為包含缺陷的小區域可能導致升空后災難性的問題。此外，用于切割的工具和設備的磨損會導致成本增加和不一致的切割結果。

“未來輕量化合金”計劃的目標之一，正是改進切削工藝，降低成本并提高表面完整性。