材料是人類(lèi)實(shí)現(xiàn)航空夢(mèng)想的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒(méi)有合適的材料可用就造不出想要的飛機(jī)。自上個(gè)世紀(jì)初，萊特兄弟用木材和蒙布制造出首架有動(dòng)力、可持續(xù)飛行的飛機(jī)以來(lái)，航空材料學(xué)家不斷地研究新型材料，以加大材料強(qiáng)度，減輕飛機(jī)重量，提高飛行效率為目標(biāo)。
       上個(gè)世紀(jì)30年代以后，冶金技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步，使得以硬鋁合金為代表的輕質(zhì)金屬材料替代木材成為航空飛機(jī)的主流材料。鋁合金具有完勝木材的強(qiáng)度、硬度和韌性，且比大部分的合金密度小，并將這一優(yōu)勢(shì)延續(xù)到了上世紀(jì)50年代。
       第二次世界大戰(zhàn)帶動(dòng)了對(duì)飛機(jī)飛行速度的狂熱追求，以高純鋁合金為主的機(jī)身結(jié)構(gòu)已不能滿(mǎn)足應(yīng)用需求。在此背景下，碳纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，逐漸從次承力結(jié)構(gòu)部件應(yīng)用躍升為機(jī)翼、機(jī)身等主承力構(gòu)件的必選材料，與鋁合金進(jìn)行了一場(chǎng)難分勝負(fù)的較量。
       新的科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步在促使復(fù)合材料快速成熟的同時(shí)，人們鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料應(yīng)用領(lǐng)域也不斷推陳出新，展開(kāi)了新一輪的拉鋸：一方面，碳纖維復(fù)合材料進(jìn)入了更低成本和能耗的非熱壓罐制造時(shí)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(guò)渡。

       碳纖維跨入高強(qiáng)高模時(shí)代

       碳纖維復(fù)合材料目前在小型商務(wù)飛機(jī)和直升機(jī)上的使用比例已達(dá)到70%~80%，在軍用飛機(jī)上為30%~40%，在大型客機(jī)上則為15%~50%。波音787和空客A350客機(jī)在復(fù)合材料用量上的競(jìng)爭(zhēng)一度是航空業(yè)界的焦點(diǎn)，也讓人們認(rèn)識(shí)到，碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)首次替代鋁合金，成為未來(lái)雙通道客機(jī)的首選材料。波音787和空客A350的碳纖維復(fù)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(jì)，2004年~2010年，世界干線(xiàn)飛機(jī)制造市場(chǎng)的碳纖維需求增長(zhǎng)了130%，年均增長(zhǎng)15%。可以說(shuō)，在過(guò)去的10年間，碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)成為航空應(yīng)用需求量最大的基本結(jié)構(gòu)材料。
       碳纖維復(fù)合材料吸引航空原材料制造商的原因，除了強(qiáng)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(gè)加工周期內(nèi)使機(jī)翼整體帶筋壁板和機(jī)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(fù)合材料采用加成制造方法成形結(jié)構(gòu)件，在保持強(qiáng)度等性能的同時(shí)，避免了金屬切削加工造成的大量原材料浪費(fèi)。然而，碳纖維復(fù)合材料還具有一些顯著的缺點(diǎn)，比如：碳纖維技術(shù)進(jìn)步緩慢，目前的航空主流碳纖維仍采用30年前的產(chǎn)品；機(jī)翼、機(jī)身這樣的主承力構(gòu)件固化通常需要熱壓罐，能耗大且費(fèi)時(shí)；原材料和加工成本高，經(jīng)濟(jì)可承受性較低；環(huán)保性、防腐性和回收性有待提高。
       當(dāng)然，復(fù)合材料正在充分利用技術(shù)創(chuàng)新來(lái)彌補(bǔ)自身缺陷。首先，第三代碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了跨代發(fā)展。目前主流航空航天級(jí)碳纖維采用日本東麗公司的第二代碳纖維產(chǎn)品T800S。其屬于高強(qiáng)度、中模量產(chǎn)品。由于模量低、碳纖維材料脆性強(qiáng)，復(fù)合材料構(gòu)件容易疲勞損傷，發(fā)生災(zāi)難性破壞。高端航空產(chǎn)品一直迫切需要高強(qiáng)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(qiáng)度較T800S加大了12%，同時(shí)拉伸模量較T800S和T1000G均高10%，屬于高強(qiáng)高模類(lèi)型碳纖維產(chǎn)品。這是繼T800S研制成功30年之后，碳纖維拉伸強(qiáng)度和拉伸模量的首次同步升級(jí)，在綜合指標(biāo)提高方面具有跨代意義，被認(rèn)為是第3代碳纖維產(chǎn)品。
       其次，非熱壓罐制造工藝改進(jìn)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(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的快速生產(chǎn)和制造成本降低而備受關(guān)注。目前在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)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(jìn)全復(fù)合材料運(yùn)輸機(jī)及其18米長(zhǎng)的全復(fù)合材料機(jī)身，波音和空客合作制造的波音787后壓力隔框及2.5米長(zhǎng)的翼梁驗(yàn)證件， GKN航宇公司制造的下一代復(fù)合材料整體機(jī)翼驗(yàn)證件，Duqueine集團(tuán)利用模壓成形制造的A350機(jī)身框架組件，以及波音和洛·馬分別應(yīng)用基于非熱壓罐成形的自動(dòng)絲束鋪放工藝制造大型部件等。
       最后，熱塑性復(fù)合材料有望應(yīng)用到主承力結(jié)構(gòu)件上。以連續(xù)纖維或長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的高性能熱塑性復(fù)合材料（采用PEEK、PES、PPS等高性能熱樹(shù)脂），既具有熱固性復(fù)合材料那樣良好的綜合力學(xué)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(shì)，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(yīng)用前景。空客A380就采用了玻璃纖維增強(qiáng)的PPS熱塑性復(fù)合材料制造機(jī)翼前緣。

       輕質(zhì)高強(qiáng)高韌金屬材料“逆襲”

       盡管復(fù)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(fù)合材料的推崇者們?cè)鯓庸拇灯鋬?yōu)異的性能，鋁合金目前仍然是航空飛機(jī)結(jié)構(gòu)中除復(fù)合材料之外的不二材料。特別是隨著大量采用復(fù)合材料制造的飛機(jī)逐步進(jìn)入市場(chǎng)，復(fù)合材料在材料屬性、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、制造水平和維修維護(hù)等方面開(kāi)始暴露出一些問(wèn)題。而這些問(wèn)題也給了鋁合金供應(yīng)商扳回一局的機(jī)會(huì)，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(jī)翼承包商三菱重工就將MRJ支線(xiàn)飛機(jī)的機(jī)翼材料設(shè)計(jì)由復(fù)合材料改回鋁合金。
       傳統(tǒng)的高純鋁合金材料由于過(guò)重，已經(jīng)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(guò)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(wú)疑是“金屬?gòu)?fù)興之路”的重要籌碼。第三代鋁鋰合金在添加鋰元素時(shí)，更加注重合金強(qiáng)度與疲勞裂紋擴(kuò)展性能二者之間的平衡。美鋁公司稱(chēng)，與碳纖維復(fù)合材料相比，鋁鋰合金材料不僅氣動(dòng)性佳、防腐能力強(qiáng)、可回收，而且重量輕10%，制造、運(yùn)行、維修成本要低30%，總體的風(fēng)險(xiǎn)更小。
       在美鋁公司推出的第三代鋁鋰合金產(chǎn)品中，2099型和2199型分別是目前的旗艦產(chǎn)品和未來(lái)的主打產(chǎn)品。2099型小密度、高強(qiáng)度模壓合金，剛度、損傷容限、防腐性和焊接性都相當(dāng)高。目前，該型合金已經(jīng)用到了波音787、空客A350、A380和龐巴迪C系列飛機(jī)上，787也是首個(gè)應(yīng)用鋁鋰合金板材的大型民機(jī)。2199型板材具備高模高強(qiáng)、密度小、低光譜疲勞裂紋增長(zhǎng)率等屬性，適合用在機(jī)身和下翼蒙皮上，比傳統(tǒng)鋁合金輕20%。在應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)中，2099型和2199型第三代鋁鋰合金應(yīng)力腐蝕極限強(qiáng)度達(dá)到了傳統(tǒng)型鋁合金的數(shù)倍，預(yù)計(jì)2199型合金將成為波音737MAX和空客A320neo機(jī)身及下翼面的重要材料。
       此外，美鋁公司還在開(kāi)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(qiáng)度的特點(diǎn)，適用于機(jī)翼和機(jī)身蒙皮。S-4合金型的防腐性相當(dāng)優(yōu)秀，因此在用于機(jī)身時(shí)，可以不用涂保護(hù)層。
       法國(guó)肯聯(lián)公司也大量投資了新的AirWare系列鋁合金產(chǎn)品。Airware具有密度小、剛度大和更高的損傷容限等特征，結(jié)合重新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和先進(jìn)焊接技術(shù)，使用該材料可減輕25%的結(jié)構(gòu)重量。Airware鋁合金目前應(yīng)用于空客A350以及龐巴迪C系列的機(jī)身上。
       美鋁公司還對(duì)諸多制造商的設(shè)計(jì)師、技術(shù)員、管理者和業(yè)務(wù)員進(jìn)行了廣泛調(diào)查，就先進(jìn)合金和碳纖維復(fù)合材料哪個(gè)更好的問(wèn)題上，讓他們“選邊站”。美鋁公司公布的結(jié)果是，在9個(gè)特性中，先進(jìn)合金占據(jù)了絕對(duì)的“領(lǐng)先”地位。
       面對(duì)復(fù)合材料與金屬之爭(zhēng)，波音、空客等大型飛機(jī)制造商并沒(méi)有冷眼觀潮，看兩方惡斗，而是黑白兼顧，各有側(cè)重和扶持。在復(fù)合材料方面，他們主動(dòng)探索低成本、高效率的機(jī)翼和機(jī)身制造技術(shù)，繼續(xù)推進(jìn)波音787和空客A350的制造技術(shù)改進(jìn)；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(jìn)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。（劉亞威、胡燕萍 中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心）