材料是人類實現航空夢想的物質基礎，沒有合適的材料可用就造不出想要的飛機。自上個世紀初，萊特兄弟用木材和蒙布制造出首架有動力、可持續(xù)飛行的飛機以來，航空材料學家不斷地研究新型材料，以加大材料強度，減輕飛機重量，提高飛行效率為目標。

　　上個世紀30年代以后，冶金技術和機械制造技術的進步，使得以硬鋁合金為代表的輕質金屬材料替代木材成為航空飛機的主流材料。鋁合金具有完勝木材的強度、硬度和韌性，且比大部分的合金密度小，并將這一優(yōu)勢延續(xù)到了上世紀50年代。

　　第二次世界大戰(zhàn)帶動了對飛機飛行速度的狂熱追求，以高純鋁合金為主的機身結構已不能滿足應用需求。在此背景下，碳纖維增強的樹脂基復合材料應運而生，逐漸從次承力結構部件應用躍升為機翼、機身等主承力構件的必選材料，與鋁合金進行了一場難分勝負的較量。

　　新的科學技術的進步在促使復合材料快速成熟的同時，人們鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料應用領域也不斷推陳出新，展開了新一輪的拉鋸：一方面，碳纖維復合材料進入了更低成本和能耗的非熱壓罐制造時代;另一方面，鋁合金也向性能更加優(yōu)異的新一代鋁鋰合金過渡。

　　碳纖維跨入高強高模時代

　　碳纖維復合材料目前在小型商務飛機和直升機上的使用比例已達到70%~80%，在軍用飛機上為30%~40%，在大型客機上則為15%~50%。波音787和空客A350客機在復合材料用量上的競爭一度是航空業(yè)界的焦點，也讓人們認識到，碳纖維復合材料已經首次替代鋁合金，成為未來雙通道客機的首選材料。波音787和空客A350的碳纖維復合材料用量在50%左右，而鋁合金僅有20%。

　　日本東麗公司統(tǒng)計，2004年~2010年，世界干線飛機制造市場的碳纖維需求增長了130%，年均增長15%。可以說，在過去的10年間，碳纖維復合材料已經成為航空應用需求量最大的基本結構材料。

　　碳纖維復合材料吸引航空原材料制造商的原因，除了強度大、剛度大和防腐性等優(yōu)異性能之外，就是其外形制造可以高完整性一次成形，在一個加工周期內使機翼整體帶筋壁板和機身整體筒形帶筋壁板成形，極大地減少了緊固件的使用;而且碳纖維復合材料采用加成制造方法成形結構件，在保持強度等性能的同時，避免了金屬切削加工造成的大量原材料浪費。然而，碳纖維復合材料還具有一些顯著的缺點，比如：碳纖維技術進步緩慢，目前的航空主流碳纖維仍采用30年前的產品;機翼、機身這樣的主承力構件固化通常需要熱壓罐，能耗大且費時;原材料和加工成本高，經濟可承受性較低;環(huán)保性、防腐性和回收性有待提高。

　　當然，復合材料正在充分利用技術創(chuàng)新來彌補自身缺陷。首先，第三代碳纖維產品已經實現了跨代發(fā)展。目前主流航空航天級碳纖維采用日本東麗公司的第二代碳纖維產品T800S。其屬于高強度、中模量產品。由于模量低、碳纖維材料脆性強，復合材料構件容易疲勞損傷，發(fā)生災難性破壞。高端航空產品一直迫切需要高強度和高模量兼?zhèn)涞奶祭w維原材料。2014年3月，東麗公司宣布研制出了新型碳纖維T1100G，其拉伸強度較T800S加大了12%，同時拉伸模量較T800S和T1000G均高10%，屬于高強高模類型碳纖維產品。這是繼T800S研制成功30年之后，碳纖維拉伸強度和拉伸模量的首次同步升級，在綜合指標提高方面具有跨代意義，被認為是第3代碳纖維產品

　　其次，非熱壓罐制造工藝改進了傳統(tǒng)的固化工藝。非熱壓罐成形一直是業(yè)界創(chuàng)新研究的重點，有望實現復合材料的快速生產和制造成本降低而備受關注。目前在這個領域已經有眾多豐碩的成果，其中比較典型的有：洛·馬公司制造的X-55先進全復合材料運輸機及其18米長的全復合材料機身，波音和空客合作制造的波音787后壓力隔框及2.5米長的翼梁驗證件， GKN航宇公司制造的下一代復合材料整體機翼驗證件，Duqueine集團利用模壓成形制造的A350機身框架組件，以及波音和洛·馬分別應用基于非熱壓罐成形的自動絲束鋪放工藝制造大型部件等。

　　最后，熱塑性復合材料有望應用到主承力結構件上。以連續(xù)纖維或長纖維增強的高性能熱塑性復合材料(采用PEEK、PES、PPS等高性能熱樹脂)，既具有熱固性復合材料那樣良好的綜合力學性能，又在材料韌性、防腐性、耐磨性及耐溫性方面有明顯的優(yōu)勢，而且在工藝上還具有良好的二次或多次成形和易于回收的特性，有利于資源充分利用和減輕環(huán)境壓力，具有良好的發(fā)展和應用前景。空客A380就采用了玻璃纖維增強的PPS熱塑性復合材料制造機翼前緣。

　　輕質高強高韌金屬材料“逆襲”

　　盡管復合材料發(fā)展迅速，輿論的熱度也使得鋁合金“航空用材之首”的位置岌岌可危。然而，不管復合材料的推崇者們怎樣鼓吹其優(yōu)異的性能，鋁合金目前仍然是航空飛機結構中除復合材料之外的不二材料。特別是隨著大量采用復合材料制造的飛機逐步進入市場，復合材料在材料屬性、設計經驗、制造水平和維修維護等方面開始暴露出一些問題。而這些問題也給了鋁合金供應商扳回一局的機會，使一些制造商重新將選材的目光投向傳統(tǒng)的鋁合金，比如波音787的機翼承包商三菱重工就將MRJ支線飛機的機翼材料設計由復合材料改回鋁合金。

　　傳統(tǒng)的高純鋁合金材料由于過重，已經逐漸被鋁鋰合金淘汰。然而，第一、二代鋁鋰合金為最大化減小密度，致使鋰含量過高，合金加工性、防腐性及損傷容限性能較差。第三代鋁鋰合金無疑是“金屬復興之路”的重要籌碼。第三代鋁鋰合金在添加鋰元素時，更加注重合金強度與疲勞裂紋擴展性能二者之間的平衡。美鋁公司稱，與碳纖維復合材料相比，鋁鋰合金材料不僅氣動性佳、防腐能力強、可回收，而且重量輕10%，制造、運行、維修成本要低30%，總體的風險更小。

　　在美鋁公司推出的第三代鋁鋰合金產品中，2099型和2199型分別是目前的旗艦產品和未來的主打產品。2099型小密度、高強度模壓合金，剛度、損傷容限、防腐性和焊接性都相當高。目前，該型合金已經用到了波音787、空客A350、A380和龐巴迪C系列飛機上，787也是首個應用鋁鋰合金板材的大型民機。2199型板材具備高模高強、密度小、低光譜疲勞裂紋增長率等屬性，適合用在機身和下翼蒙皮上，比傳統(tǒng)鋁合金輕20%。在應力腐蝕試驗中，2099型和2199型第三代鋁鋰合金應力腐蝕極限強度達到了傳統(tǒng)型鋁合金的數倍，預計2199型合金將成為波音737MAX和空客A320neo機身及下翼面的重要材料。

　　此外，美鋁公司還在開發(fā)多型第三代鋁鋰合金，S-4型合金就是其中之一。它具備密度小、高損傷容限、高強度的特點，適用于機翼和機身蒙皮。S-4合金型的防腐性相當優(yōu)秀，因此在用于機身時，可以不用涂保護層。

　　法國肯聯(lián)公司也大量投資了新的AirWare系列鋁合金產品。Airware具有密度小、剛度大和更高的損傷容限等特征，結合重新設計的結構和先進焊接技術，使用該材料可減輕25%的結構重量。Airware鋁合金目前應用于空客A350以及龐巴迪C系列的機身上。

　　美鋁公司還對諸多制造商的設計師、技術員、管理者和業(yè)務員進行了廣泛調查，就先進合金和碳纖維復合材料哪個更好的問題上，讓他們“選邊站”。美鋁公司公布的結果是，在9個特性中，先進合金占據了絕對的“領先”地位。

　　面對復合材料與金屬之爭，波音、空客等大型飛機制造商并沒有冷眼觀潮，看兩方惡斗，而是黑白兼顧，各有側重和扶持。在復合材料方面，他們主動探索低成本、高效率的機翼和機身制造技術，繼續(xù)推進波音787和空客A350的制造技術改進;在鋁合金方面，他們積極采用第三代鋁鋰合金，并且在激光焊接、攪拌摩擦焊、激光噴丸等先進工藝上尋求突破，持續(xù)用于747-8和A380的效率提高以及737MAX和A320neo的性能提高。

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