机载光电设备的材料应用

张博今

摘 要：随着机载光电系统性能指标要求的提高，单一的合金类材料已不能满足高端设备的需求。以复合材料、智能材料等为代表的新型材料正逐步进入光电设备应用领域，并发挥着越来越重要的作用。

关键词：机载光电设备；材料；合金；智能

中图分类号：V242 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）15-0021-02

1 机载光电设备及系统发展概述

随着科技的不断发展以及我国科研水平的不断提高，以光电设备为依托的光电技术逐渐被应用在飞机上。该技术除了在一些民航飞机上使用外，更多被用在战斗类飞机上，以提升战斗机的性能和战斗机的实际作战能力。战斗机通过机载光电设备能够对敌机进行有效侦查，比如对目标飞机的捕获、测距和对战区的侦查等，都有着实际意义。针对目前国际范围内战斗机的发展，依靠单一合金类材料所生产的光电设备和光电系统已经远远不能满足实际作战需要，取而代之的是新型智能材料，新材料的应用将使光电系统在飞行中发挥更大的作用。

2 机载光电设备主要材料探究

2.1 传统单一合金材料

在当前的航空光电设备中，传统材料仍然占有较大的比重，而其应用的机种多以民航飞机为主。传统材料包括镁合金、铝合金、钛合金、镍合金等，这类材料由于取材方便、价格相对较低、加工成型相对容易、技术较为成熟，具有十分广阔的市场，同时，这些材料也为我国机载光电设备的研发奠定了基础。

2.2 新型高科技材料

2.2.1 复合材料

复合材料主要是以金属构件为主，在此基础上添加一定的元素，按照需要强化金属的性能，比如耐高温性、抗腐蚀性、高强度、高韧性等。由于加入了非金属成分，复合材料的材质较金属材料轻便，在机载环境下更具优势。比如在新一代的波音787上，就广泛利用了新型复合材料，约占飞机使用材料总数的50%，并且工程技术人员大胆地将复合材料应用于机翼；我国“大飞机”计划中也将复合材料应用于飞机的客舱等部分，并且飞机内的附属物大部分也使用了复合材料；在军用机层面，美国的阿帕奇直升机和军用运输机A400M也都大量应用了复合材料。图1为新型复合材料。

此外，复合材料在加工过程中体现了快而省的特点。一般的材料需要传统工艺加工，而复合材料可以先由厂商加工成复合件之后，再由终端生产企业进行组装，这样省去了大量的时间，并且能够保证制造的质量。我国机载设备有相当一部分是由复合材料制成的，这些复合材料中最重要的物质之一就是碳化硅。碳化硅不仅被广泛应用在我国的飞机上，还被出口到非洲、南美洲和欧洲国家，比如，由北京机电研究所研制的相机镜筒和遮阳罩等，每年都会有大量产品出口。

2.2.2 智能结构与智能材料

所谓“智能材料”，是指能够根据外界的变化，通过自身的结构调整进行自身性能的调整的材料，由于这种性质与生物体的感知、调整十分类似，我们形象地称此类材料为“智能材料”。将智能材料应用于机载设备，有助于航空事业的进一步发展，对于我国无人机技术的发展更是有着十分重要的意义。从1993年开始，我国的自然科学基金就与中国科学院和中国工程院携手进行智能材料的探索与研发，一些地方高校也参与到其中，比如浙江大学、清华大学、中北大学、哈尔滨工业大学等。在各方的共同努力下，我国在智能材料领域取得的成果颇丰。比如，在飞机机翼上加装的控制系统就是以智能结构为技术依托的，能够在飞机的飞行中根据客观情况自动调整机翼的形态，也能够改善飞机的机动性能。在其他航空领域，比如我国的“天宫一号”空间站，其中的射电望远镜等仪器就使用含有钛金的智能材料，这是一种“记忆”材料，可以在外界撞击变形后，自动恢复到原先的形态和强度。另外，还有很多设备根据具体的需要，应用了不同的智能材料。

2.2.3 压电材料

压电材料之所以被使用，是由于该种材料可以在一定条件下产生流动的电荷。有电荷流动，就能够形成电压差，这种电压差可以使物体出现形变，进而达到预期效果。压电材料被广泛应用于振动控制系统中。常用的压电材料为压电陶瓷和压电聚合物，压电聚合物主要是由压电纤维构成的。

压电材料既可作为传感元件，又可作为驱动元件。压电材料的压电效应有较好的线性关系，便于测量和控制。压电材料的制备技术也日趋完善和成熟。目前，压电陶瓷材料，比如PZT材料，被广泛应用于各种传感器和制动器中，用于产生精确的位移、声音以及用于振动测量和主动控制。目前，用压电陶瓷制成的许多种器件都已实用化，比如压电超声换能器、压电陶瓷点火装置、陶瓷滤波器、压电变压器和压电电机等。

2.2.4 蓝宝石材料

由于蓝宝石波段较宽，人工合成后的光学性质与天然形成的差别不大，常被用于光电设备，最早可以追溯到20世纪60年代，当时美国军事部门意识到了蓝宝石在战斗机上的应用或许会为航空领域带来一场革命，在国防部的授意下，一些科研部门和高校开始针对蓝宝石与光电设备进行研究。20世纪80年代，随着蓝宝石人工合成技术的成型以及精密机床的快速发展，使蓝宝石被广泛应用于军事领域。美国的F-22战斗机搭载了有蓝宝石窗口的红外线目标导航系统；英国一些企业所生产的光电桅杆也取材于蓝宝石，如图2。可以预想，随着科技的发展，蓝宝石的应用将会越来越广。

摘 要：随着机载光电系统性能指标要求的提高，单一的合金类材料已不能满足高端设备的需求。以复合材料、智能材料等为代表的新型材料正逐步进入光电设备应用领域，并发挥着越来越重要的作用。

关键词：机载光电设备；材料；合金；智能

中图分类号：V242 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）15-0021-02

1 机载光电设备及系统发展概述

随着科技的不断发展以及我国科研水平的不断提高，以光电设备为依托的光电技术逐渐被应用在飞机上。该技术除了在一些民航飞机上使用外，更多被用在战斗类飞机上，以提升战斗机的性能和战斗机的实际作战能力。战斗机通过机载光电设备能够对敌机进行有效侦查，比如对目标飞机的捕获、测距和对战区的侦查等，都有着实际意义。针对目前国际范围内战斗机的发展，依靠单一合金类材料所生产的光电设备和光电系统已经远远不能满足实际作战需要，取而代之的是新型智能材料，新材料的应用将使光电系统在飞行中发挥更大的作用。

2 机载光电设备主要材料探究

2.1 传统单一合金材料

在当前的航空光电设备中，传统材料仍然占有较大的比重，而其应用的机种多以民航飞机为主。传统材料包括镁合金、铝合金、钛合金、镍合金等，这类材料由于取材方便、价格相对较低、加工成型相对容易、技术较为成熟，具有十分广阔的市场，同时，这些材料也为我国机载光电设备的研发奠定了基础。

2.2 新型高科技材料

2.2.1 复合材料

复合材料主要是以金属构件为主，在此基础上添加一定的元素，按照需要强化金属的性能，比如耐高温性、抗腐蚀性、高强度、高韧性等。由于加入了非金属成分，复合材料的材质较金属材料轻便，在机载环境下更具优势。比如在新一代的波音787上，就广泛利用了新型复合材料，约占飞机使用材料总数的50%，并且工程技术人员大胆地将复合材料应用于机翼；我国“大飞机”计划中也将复合材料应用于飞机的客舱等部分，并且飞机内的附属物大部分也使用了复合材料；在军用机层面，美国的阿帕奇直升机和军用运输机A400M也都大量应用了复合材料。图1为新型复合材料。

此外，复合材料在加工过程中体现了快而省的特点。一般的材料需要传统工艺加工，而复合材料可以先由厂商加工成复合件之后，再由终端生产企业进行组装，这样省去了大量的时间，并且能够保证制造的质量。我国机载设备有相当一部分是由复合材料制成的，这些复合材料中最重要的物质之一就是碳化硅。碳化硅不仅被广泛应用在我国的飞机上，还被出口到非洲、南美洲和欧洲国家，比如，由北京机电研究所研制的相机镜筒和遮阳罩等，每年都会有大量产品出口。

2.2.2 智能结构与智能材料

所谓“智能材料”，是指能够根据外界的变化，通过自身的结构调整进行自身性能的调整的材料，由于这种性质与生物体的感知、调整十分类似，我们形象地称此类材料为“智能材料”。将智能材料应用于机载设备，有助于航空事业的进一步发展，对于我国无人机技术的发展更是有着十分重要的意义。从1993年开始，我国的自然科学基金就与中国科学院和中国工程院携手进行智能材料的探索与研发，一些地方高校也参与到其中，比如浙江大学、清华大学、中北大学、哈尔滨工业大学等。在各方的共同努力下，我国在智能材料领域取得的成果颇丰。比如，在飞机机翼上加装的控制系统就是以智能结构为技术依托的，能够在飞机的飞行中根据客观情况自动调整机翼的形态，也能够改善飞机的机动性能。在其他航空领域，比如我国的“天宫一号”空间站，其中的射电望远镜等仪器就使用含有钛金的智能材料，这是一种“记忆”材料，可以在外界撞击变形后，自动恢复到原先的形态和强度。另外，还有很多设备根据具体的需要，应用了不同的智能材料。

2.2.3 压电材料

压电材料之所以被使用，是由于该种材料可以在一定条件下产生流动的电荷。有电荷流动，就能够形成电压差，这种电压差可以使物体出现形变，进而达到预期效果。压电材料被广泛应用于振动控制系统中。常用的压电材料为压电陶瓷和压电聚合物，压电聚合物主要是由压电纤维构成的。

压电材料既可作为传感元件，又可作为驱动元件。压电材料的压电效应有较好的线性关系，便于测量和控制。压电材料的制备技术也日趋完善和成熟。目前，压电陶瓷材料，比如PZT材料，被广泛应用于各种传感器和制动器中，用于产生精确的位移、声音以及用于振动测量和主动控制。目前，用压电陶瓷制成的许多种器件都已实用化，比如压电超声换能器、压电陶瓷点火装置、陶瓷滤波器、压电变压器和压电电机等。

2.2.4 蓝宝石材料

由于蓝宝石波段较宽，人工合成后的光学性质与天然形成的差别不大，常被用于光电设备，最早可以追溯到20世纪60年代，当时美国军事部门意识到了蓝宝石在战斗机上的应用或许会为航空领域带来一场革命，在国防部的授意下，一些科研部门和高校开始针对蓝宝石与光电设备进行研究。20世纪80年代，随着蓝宝石人工合成技术的成型以及精密机床的快速发展，使蓝宝石被广泛应用于军事领域。美国的F-22战斗机搭载了有蓝宝石窗口的红外线目标导航系统；英国一些企业所生产的光电桅杆也取材于蓝宝石，如图2。可以预想，随着科技的发展，蓝宝石的应用将会越来越广。

摘 要：随着机载光电系统性能指标要求的提高，单一的合金类材料已不能满足高端设备的需求。以复合材料、智能材料等为代表的新型材料正逐步进入光电设备应用领域，并发挥着越来越重要的作用。

关键词：机载光电设备；材料；合金；智能

中图分类号：V242 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）15-0021-02

1 机载光电设备及系统发展概述

随着科技的不断发展以及我国科研水平的不断提高，以光电设备为依托的光电技术逐渐被应用在飞机上。该技术除了在一些民航飞机上使用外，更多被用在战斗类飞机上，以提升战斗机的性能和战斗机的实际作战能力。战斗机通过机载光电设备能够对敌机进行有效侦查，比如对目标飞机的捕获、测距和对战区的侦查等，都有着实际意义。针对目前国际范围内战斗机的发展，依靠单一合金类材料所生产的光电设备和光电系统已经远远不能满足实际作战需要，取而代之的是新型智能材料，新材料的应用将使光电系统在飞行中发挥更大的作用。

2 机载光电设备主要材料探究

2.1 传统单一合金材料

在当前的航空光电设备中，传统材料仍然占有较大的比重，而其应用的机种多以民航飞机为主。传统材料包括镁合金、铝合金、钛合金、镍合金等，这类材料由于取材方便、价格相对较低、加工成型相对容易、技术较为成熟，具有十分广阔的市场，同时，这些材料也为我国机载光电设备的研发奠定了基础。

2.2 新型高科技材料

2.2.1 复合材料

复合材料主要是以金属构件为主，在此基础上添加一定的元素，按照需要强化金属的性能，比如耐高温性、抗腐蚀性、高强度、高韧性等。由于加入了非金属成分，复合材料的材质较金属材料轻便，在机载环境下更具优势。比如在新一代的波音787上，就广泛利用了新型复合材料，约占飞机使用材料总数的50%，并且工程技术人员大胆地将复合材料应用于机翼；我国“大飞机”计划中也将复合材料应用于飞机的客舱等部分，并且飞机内的附属物大部分也使用了复合材料；在军用机层面，美国的阿帕奇直升机和军用运输机A400M也都大量应用了复合材料。图1为新型复合材料。

此外，复合材料在加工过程中体现了快而省的特点。一般的材料需要传统工艺加工，而复合材料可以先由厂商加工成复合件之后，再由终端生产企业进行组装，这样省去了大量的时间，并且能够保证制造的质量。我国机载设备有相当一部分是由复合材料制成的，这些复合材料中最重要的物质之一就是碳化硅。碳化硅不仅被广泛应用在我国的飞机上，还被出口到非洲、南美洲和欧洲国家，比如，由北京机电研究所研制的相机镜筒和遮阳罩等，每年都会有大量产品出口。

2.2.2 智能结构与智能材料

所谓“智能材料”，是指能够根据外界的变化，通过自身的结构调整进行自身性能的调整的材料，由于这种性质与生物体的感知、调整十分类似，我们形象地称此类材料为“智能材料”。将智能材料应用于机载设备，有助于航空事业的进一步发展，对于我国无人机技术的发展更是有着十分重要的意义。从1993年开始，我国的自然科学基金就与中国科学院和中国工程院携手进行智能材料的探索与研发，一些地方高校也参与到其中，比如浙江大学、清华大学、中北大学、哈尔滨工业大学等。在各方的共同努力下，我国在智能材料领域取得的成果颇丰。比如，在飞机机翼上加装的控制系统就是以智能结构为技术依托的，能够在飞机的飞行中根据客观情况自动调整机翼的形态，也能够改善飞机的机动性能。在其他航空领域，比如我国的“天宫一号”空间站，其中的射电望远镜等仪器就使用含有钛金的智能材料，这是一种“记忆”材料，可以在外界撞击变形后，自动恢复到原先的形态和强度。另外，还有很多设备根据具体的需要，应用了不同的智能材料。

2.2.3 压电材料

压电材料之所以被使用，是由于该种材料可以在一定条件下产生流动的电荷。有电荷流动，就能够形成电压差，这种电压差可以使物体出现形变，进而达到预期效果。压电材料被广泛应用于振动控制系统中。常用的压电材料为压电陶瓷和压电聚合物，压电聚合物主要是由压电纤维构成的。

压电材料既可作为传感元件，又可作为驱动元件。压电材料的压电效应有较好的线性关系，便于测量和控制。压电材料的制备技术也日趋完善和成熟。目前，压电陶瓷材料，比如PZT材料，被广泛应用于各种传感器和制动器中，用于产生精确的位移、声音以及用于振动测量和主动控制。目前，用压电陶瓷制成的许多种器件都已实用化，比如压电超声换能器、压电陶瓷点火装置、陶瓷滤波器、压电变压器和压电电机等。

2.2.4 蓝宝石材料

由于蓝宝石波段较宽，人工合成后的光学性质与天然形成的差别不大，常被用于光电设备，最早可以追溯到20世纪60年代，当时美国军事部门意识到了蓝宝石在战斗机上的应用或许会为航空领域带来一场革命，在国防部的授意下，一些科研部门和高校开始针对蓝宝石与光电设备进行研究。20世纪80年代，随着蓝宝石人工合成技术的成型以及精密机床的快速发展，使蓝宝石被广泛应用于军事领域。美国的F-22战斗机搭载了有蓝宝石窗口的红外线目标导航系统；英国一些企业所生产的光电桅杆也取材于蓝宝石，如图2。可以预想，随着科技的发展，蓝宝石的应用将会越来越广。