一代材料，一代飞机（下）

文/ 肖元

上回说到，飞机结构材料经历了从木质到铝合金、钢材的跨越，它们的性能特点和差异大家都还记得吗？

记得的各位，是否猜对了飞机结构材料进一步的发展呢？来，咱们一起往下看~

第3阶段

1950-1969年

铝，钛，钢结构

进入上世纪50年代以后，人类跨入了超音速时代。伴随超音速飞行而来的是因空气摩擦产生高热所导致的机体结构强度退化问题。当温度达到100℃时，轻合金的静力强度会大幅度衰退，若飞机在120℃下待满100小时，轻合金抵抗蠕变的能力会大幅度降低。

要想达到超音速飞行，必须要有高强度耐热材料，铝合金耐高温性能差，在200℃时强度已下降到常温值的一半左右，明显达不到这一指标。于是，出现了航空专用的既坚固又耐热的钛合金。

钛合金制品

钛合金的强度高，密度低（只有钢的57%左右），比强度（强度/密度）远大于其他金属结构材料，可制作出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等均可采用钛合金。

道格拉斯DC-7飞机（图源：网络）

1953年首飞的道格拉斯DC-7飞机，首次将钛合金应用在发动机舱和隔热板的设计中。

SR-71（图源：网络）

1964年，首个“全钛”高空高速战略侦察机SR-71“黑鸟”（3万米高空进行3倍音速飞行）首飞。SR-71大量使用钛合金，用量达到了飞机结构总重量的93%（结构重量指机翼、机身、尾翼和起落架结构的总重），可承受230度的气动摩擦温度，发动机尾喷管周围区域可承受温度高达510℃，座舱盖的特殊耐热玻璃可承受340℃的高温。此外，在主翼上还开有许多为应付热胀冷缩的细长沟纹。

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第4阶段

1970年-21世纪初

铝，钛，钢，复材结构（以铝为主）

随着材料科学的进步，自上世纪70年代起，新一代航空材料——复合材料——应运而生。复合材料具有比强度高、刚度高、质量轻的特点，并具有抗疲劳、减振、耐高温、耐腐蚀、可设计等一系列优点。它可以使飞机在维持原强度的前提下减轻重量，或在同样的重量下，强度更高。此外，复合材料的结构疲劳寿命比传统的铝合金强上好几倍。为了提升飞机的性能，延长飞机寿命，选用抗疲劳性更好的新材料是必然趋势。

一种复合材料结构示意图， 1、2、3、4为不同材料

复合材料是指由两种或两种以上不同材料以不同方式组合而成的新材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。其基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属。

在这一阶段，复合材料依然无法完全替代传统的铝系金属材料，大多还是只用于非主要承力件上，如舵面蒙皮、设备口盖、小飞机的机身和机翼蒙皮等。

A380（图源：网络）

这一阶段的代表性机型为空客A380，虽然A380大部分机身采用新型可焊接铝合金（这使得激光焊接制造技术得以广泛使用，并消除了铆钉，使得结构质量更轻，强度更好），铝合金用量占整个飞机材料的61%，但复合材料在机身上也得到了广泛使用（占比22%）。

复合材料在A380上的应用

空客A380是首个使用碳纤维增强塑料制成中央翼盒的商用飞机。该中央翼盒重8.8t，用复合材料5.3t，较金属翼盒可减重1.5t。此外垂直尾翼、水平尾翼、地板梁、后承压框及机翼后缘处的襟、副翼同样采用碳纤维复合材料制成。固定机翼前缘使用热塑性复合材料，混合纤维金属铺层材料GLARE（glass laminate aluminium reinforced epoxy）用在机身上部和尾翼的前缘。这种玻璃纤维复合材料比航空中常用的铝合金更轻，耐腐蚀性和抗冲击性能更好。

第5阶段

21世纪初-

复材，铝，钛，钢结构（以复材为主）

随着航空技术的进步，在飞机上使用的复合材料，已由当初只应用于口盖和舱门等非承力构件，逐步扩大应用到减速板和尾翼等次承力构件，而且正向用于机翼甚至前机身等主承力构件的方向发展。

其中碳纤维复合材料以其高强度(是钢铁的5倍)，出色的耐热性(可以耐受2000℃以上的高温)，出色的抗热冲击性，低热膨胀系数，热容量小(节能)，比重小(是钢的1/5)，优秀的抗腐蚀与辐射性能等得到广泛应用。

B787（图源：网络）

波音787飞机是第一款以复合材料为主体材料的民用喷气式客机。碳纤维复合材料在波音787飞机上得到了大面积的应用，不仅减轻了机身的质量，而且提高了飞机的抗疲劳和抗腐蚀性能。B787的机身蒙皮、框、长桁、地板梁、龙骨梁、机翼前后、机翼蒙皮及翼肋等主要结构件全部采用碳纤维复合材料，其中机身、尾翼采用了碳纤维层合板结构；升降舵、方向舵等活动面采用了碳纤维层合板夹层结构；整流罩部位采用了玻璃纤维层合板夹层结构。B787的结构重量中复合材料占到了50%，铝合金为20%，钢为10%，钛合金为15%，其他占5%。

航空技术的进步与发展，对航空材料的更新起着积极的推动作用。与此同时，新材料的出现，制造工艺与理化测试技术的进步，又为航空产品的设计与制造提供了重要的物质与技术基础，从而不断推动航空产业的发展。

未来，飞机将使用什么结构材料？