輕量化材料在飛機工業領域中的應用

白牧宸

摘 要：飛機的減重一直是飛機工業關注的重點，輕量化材料的研究是飛機材料領域最活躍的研究方向之一。文中對飛機結構材料中的輕量化材料（鋁合金、鈦合金、先進復合材料以及蜂窩夾層結構材料）的發展情況、不同材料的特點和應用情況進行了介紹。

關鍵詞：飛機工業；輕量化材料；復合材料

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0056-01

輕量化材料的開發和應用是結構輕量化技術的一個主要研究方向，輕量化材料的研究是目前國際上飛機材料領域最活躍的研究方向之一。據報道，對于民用飛機，每減輕1磅重量，可節約使用成本約200美元；對于軍用噴氣式飛機，每減輕1磅重量，可節約使用成本約2000美元/月。因此，減輕飛機的重量，提高飛機的航程、減少運營和維護成本，具有非常顯著的經濟效益；同時可以降低碳排放，有利于維護生態環境。

在飛機結構材料中，高性能的金屬、非金屬和復合材料以及它們的全新加工生產工藝技術使得材料性能（如高比強度、高比剛度、優異的斷裂和應力腐蝕）能被設計，并成為一體的輕量化優良結構材料。先進輕量化材料已成為西方發達國家以及我國急需優先開發的技術領域。下面對飛機工業領域中常用的輕量化材料進行介紹。

1 輕量化材料的發展

1903年12月，萊特兄弟駕駛自制的飛機進行持續的、有動力的、可操控的飛行取得成功，拉開了世界航空工業發展的序幕。當時的第一架載人上天的飛機是由木材、鋼和布制造的。

早期的飛機用木條、木三夾板做大梁和機身骨架，用亞麻布做機翼的翼面，即所謂的木布結構。自二十世紀20年代開始，人們設計出半硬殼式機身和具備翼型內部空間的機翼，在發動機托架和發動機整流罩等部位主要采用了金屬零件，但翼面、舵面和后機身仍部分沿用傳統的布做蒙皮。1925年開始，一些國家用鋼管代替木材制作機身骨架，用鋁作蒙皮，制造出了早期的全金屬結構飛機。自二十世紀40年代末期之后，鋁合金逐漸成為了飛機的主要材料；之后，隨著飛機飛行速度的不斷提高，飛機將承受發動機傳導出來的高溫以及機身與空氣摩擦產生的熱量，材料的耐高溫性能成為了飛機材料的一個亟待解決的指標，為此，具有高強度和良好耐熱性的航空專用鈦合金和不銹鋼被研發出來；作為特例，上世紀60年代曾出現了全鈦高空高速偵察機和不銹鋼占主體的轟炸機。上世紀70年代，能使飛機在維持原強度的前提下大幅減重的復合材料應運而生，自此以后，鋁、鈦、鋼和復合材料開始成為飛機的基本結構材料。

在飛機結構材料的應用中，鋁合金一直有著重要地位，近三十多年來，鈦合金、先進復合材料以及蜂窩夾層結構材料也得到了廣泛應用。

2 不同種類輕量化材料的特點和應用情況

2.1 鋁合金

鋁合金中通常添加銅、鋅、錳、硅、鎂等元素，具有密度小、比強度高、耐蝕性和成型性好、成本低等優點。飛機上使用最多的鋁合金是傳統的高強度7×××系列和高韌性2×××系列。采用鋁厚板加工而成的復雜的整體結構件代替以前用很多零件裝配而成的部件，不但能減輕結構重量，提高載重量和航程，而且高強鋁合金還能保證飛機性能的穩定。

鋁合金在軍機中主要用作機體內部的框架、加強肋、腹板、接頭件以及某些蒙皮等結構，F-35戰機采用的鋁合金總用量超過了30%，我國自主設計研制的第三代戰斗機機體結構用材中鋁合金占60%～70%；而在大型民用客機（如B777和A380）上，主要用作飛機的機翼、蒙皮、桁架和座椅滑軌等結構處，而目前正在服役中的主要大型客機中，鋁合金被大量使用，甚至占據著主導地位。

2.2 鈦合金

鈦合金是航空材料中最活躍的領域之一。其具有較高的高溫強度比、優良的抗腐蝕性能以及機械性能，此外，其與碳/樹脂基復合材料的相容性好，可代替鋁合金在150°C以上溫度使用，提高結構載荷等特性。鈦合金的主要缺點是加工困難，使用成本高。

目前，鈦合金主要用于飛機的發動機較低溫部件（500℃以下），如發動機火區、噴口區、中介機匣、高壓壓氣機等。美國F-22戰斗機中采用鈦合金的主要結構件包括：隔框、機身側壁板、方向舵支架、平尾后梁等，而B747中應用了世界上最大的鈦合金鍛件，主要用于主起落架支撐梁，加工后零件重三百多公斤。

2.3 先進復合材料

根據基體材料的不同，先進復合材料主要包括樹脂基復合材料和金屬基復合材料。

樹脂基復合材料通常以環氧樹脂和不飽和聚酯樹脂為基體，以玻璃纖維、碳纖維等為增強材料。由于其比強度高、比剛度大、可設計性強、重量輕、抗燒蝕等優點，在軍民用飛機上用量逐漸增加。在軍用飛機結構中的應用最初主要追求性能，不計成本，其用量在1980年代中期達到最高峰，之后由于成本的壓力，其用量降至20%～30%，主要用于垂尾翼、平尾翼、方向舵、、擾流板等次承力部件。民用飛機上，B787的主體結構（包括機翼和機身）上大量采用了先進的復合材料，其用量高達50%；為了與B787競爭，A350的機身和機翼全部采用復合材料，復合材料使用量占機身總質量52%。A380是新一代采用復合材料的大型客機，其采用玻璃纖維復合材料制作機身，并在中央翼盒、地板梁和后壓力隔板采用了碳-碳復合材料。

金屬基復合材料與樹脂基復合材料相比具有層間剪切強度高，工作溫度高、耐磨損、不吸濕、不老化并且具有導電、導熱等金屬特性而成為復合材料的重要分支。金屬基復合材料采用的基體主要有鋁、鎂、鈦和鎳基合金，增強體主要有硼纖維、SiC纖維和顆粒、碳纖維、氧化鋁纖維等，其中，鋁基復合材料發展最快。金屬基復合材料可制成板材、棒材、管材和型材等各種產品，并已作過多種飛行器零件。纖維增強的鈦基復合材料是先進航空承力部件的候選材料，碳化硅纖維增強的鈦基復合材料在壓氣機葉片、整體葉環、盤、軸、機匣、傳動桿等部件上已經得到了廣泛應用。

2.4 蜂窩夾層結構

蜂窩夾層結構通常由兩個比較薄的面板和比較厚的蜂窩芯層構成，芯層與面板一般用膠粘結在一起，也可用熔焊連接成整體。目前航空結構上采用的面板材料主要為碳纖維單向帶或織物增強復合材料，而芯層主要采用具有壓縮模量高和質量輕等優點的鋁蜂窩或NOMEX紙蜂窩。蜂窩夾層結構具有質量輕、彎曲剛度與強度大、抗失穩能力強、吸音、隔音和隔熱性能好等優點。

飛機結構用蜂窩夾層結構主要有兩類，一類為蜂窩夾層壁板結構，主要用于機身和機翼結構，與機體的連接主要通過金屬預埋件或梁/墻上的接頭；另一類為全高度夾層結構，主要用于方向舵、升降副翼和襟翼等，零件與機體的連接主要依靠復合材料或金屬梁上的接頭。

3 輕量化材料可能的發展方向

以發展新一代飛機和高推重比發動機為契機，飛機工業領域的輕量化材料發展將迎來一個嶄新的春天。可能的發展方向包括：

（1）發展和確立高強、高韌、高水平的金屬材料，如鋁合金、鈦合金、超高強度鋼系列，并可以發展它們的復合材料；（2）發展高比強度、高比剛度、高韌性、高損傷容限、抗腐蝕、耐環境侵蝕的先進結構材料和整體結構，如納米復合材料技術、高功能和多功能、結構/功能一體化、智能化結構等；（3）發展和應用先進技術，加強材料計算機設計技術，優化、改進已有材料，創造新材料，并開展低成本材料的研究；（4）加強新型材料性能的表征和評估方法的研究，開發能滿足新一代飛機、高推重比發動機及機載設備用主要材料的測試技術和設備，特別是針對高溫材料、功能材料的性能測試技術和設備。

參考文獻

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