航空材料泛指用于制造航空飛行器的材料。一架軍用飛機(jī)包括機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)、幾載電子和火力控制四大部分，一架民用客機(jī)包括機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載電子和機(jī)艙四大部分。機(jī)體材料和發(fā)動(dòng)機(jī)材料是航空材料中最重耍的結(jié)構(gòu)材料，而電子信息材料是航空機(jī)載裝置中最重要的功能性材料，但它一般不直接算作航空材料。出于航室飛行及其安全性的考慮，航空結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn)是輕質(zhì)、高強(qiáng)、高可靠。飛行器作白一個(gè)整體，還用到少量非結(jié)構(gòu)性材料，如阻尼、減振、降噪、密封材料等。

波音787飛機(jī)材料分析

    在現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷程中，航空材料一直扮演著先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用，幾體材料的進(jìn)步不僅推動(dòng)飛行器本身的發(fā)展，而且?guī)?dòng)了地面交通工具及空間飛行器的進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)材料的發(fā)展則推動(dòng)著動(dòng)力產(chǎn)業(yè)和能源行業(yè)的推陳出新。“一代材料，一代飛行器”是航空工業(yè)發(fā)展的生動(dòng)寫照，也是航空材料帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的真實(shí)描述。可以說(shuō)，航空材料反映結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的前沿，航空材料代表了一個(gè)國(guó)家結(jié)構(gòu)材料技術(shù)的最高水平。

    1航空材料的研究與發(fā)展

    1.機(jī)體材料

    機(jī)體材料主要包括鋁合金、鈦合金和樹脂基復(fù)合材料等，發(fā)展重點(diǎn)集中在低成本、高性能的樹脂基復(fù)合材料技術(shù)。在歐洲空中客車飛機(jī)的主要用材中，最顯著的先進(jìn)材料包括鋁合金-玻璃纖維混雜復(fù)合材料GLARE，碳纖維復(fù)合材料GFRP，芳綸纖維復(fù)合材料AFRP，玻璃纖維復(fù)合材料GFRP以及韌性環(huán)氧樹脂、雙馬來(lái)醚亞胺樹脂和聚酚亞胺樹脂基復(fù)合材料等，它們覆蓋了航空飛行器機(jī)體的主要面積。

    國(guó)際上航空先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的主要性能要求是，較高的耐溫度使用性、盡可能高的抗損傷容限和盡可能低的濕熱環(huán)境效應(yīng)。就民用飛機(jī)上用量最大的碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料而言，近年的趨勢(shì)是發(fā)展液態(tài)成型紡織復(fù)合材料和非熱壓罐成型技術(shù)如電子束輻照交聯(lián)技術(shù)等，即“用得起”的制造技術(shù)（Affordable Proccessing）。而對(duì)更高的溫度要求，雙馬來(lái)酚亞胺、特別是可以液態(tài)成型的聚酚亞胺樹脂基復(fù)合材料（如PETI系列）的前景看好。

    由于制造成本在復(fù)合材料構(gòu)件總成本中所占份額最大，因此低成本成型制造工藝技術(shù)是目前發(fā)展的重點(diǎn)，主要包括紡織復(fù)合材料和樹脂傳遞模塑（RTM或近似的RFI）液態(tài)成型技術(shù)等。通過(guò)編織、經(jīng)編、針織、機(jī)織、縫紉等制造頂成型體，以及液態(tài)成型如樹脂浸滲（RI）和樹脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM，使整體制造的成本降低，層間增強(qiáng)，并達(dá)到減重目標(biāo)。其中，RTM技術(shù)在美國(guó)軍用戰(zhàn)斗機(jī)F-35垂尾及F/A18-E/F襟翼整流罩上的應(yīng)用是使用該項(xiàng)技術(shù)制造的最大尺寸的零部件，前者長(zhǎng)3.6m，重約90kg。我國(guó)在液態(tài)成型復(fù)合材料技術(shù)正在取得進(jìn)展。

    為了進(jìn)一步迎接先進(jìn)復(fù)合材料更高性能-價(jià)格比的挑戰(zhàn)，歐洲空中客車公司提出的目標(biāo)是更多地應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料CFRP以減重至30%，從而降低整個(gè)飛行成本40%。但是，CFRP技術(shù)在減重的同時(shí)，制造成本比金屬焊接結(jié)構(gòu)高。應(yīng)用目前空中客車公司已儲(chǔ)備的技術(shù)水平，可以達(dá)到減重15%、降低成本15%的目標(biāo)；而采用新型金屬焊接結(jié)構(gòu)制作機(jī)身，減重10%卻降低成本20%，可見(jiàn)在發(fā)展低成本、高性能復(fù)合材料方面還大有潛力。美國(guó)也有“高速民航機(jī)研究計(jì)劃”，其中心任務(wù)是開發(fā)聚醚亞胺復(fù)合材料和鈦/石墨纖維混雜復(fù)合材料等。

    各國(guó)都非常重視擴(kuò)展先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用的技術(shù)平臺(tái)建設(shè)。目前，美國(guó)正在執(zhí)行“汽車復(fù)合材料技術(shù)向航空轉(zhuǎn)移計(jì)劃”和“復(fù)合材料用得起計(jì)劃”。

    2.發(fā)動(dòng)機(jī)材料

    目前最先進(jìn)的軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要材料有鈦合金、高溫合金以及各類高溫和超高溫復(fù)合材料等。在21世紀(jì)前10年的葉片材料中，單晶葉片材料仍占主導(dǎo)地位。葉片材料經(jīng)歷了鑄造合金、定向凝固合金和單晶合金的發(fā)展歷程，國(guó)外現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料主要采用第二代和第三代單晶合金。這些單晶合金由于富錸易產(chǎn)生脆性相，近年來(lái)研究加入釕或銥以減少脆性傾向，開發(fā)出第四代單晶。葉片技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)是將結(jié)構(gòu)一材料-工藝統(tǒng)一考慮，即開發(fā)lamiloy技術(shù)，采用鑄造及激光打孔工藝直按制造發(fā)散冷卻孔道。

    除提高葉片材料的耐溫等級(jí)外，將金屬間化合物與韌性金屬組成的微疊層復(fù)合材料作為葉片的“熱障涂層”受到重視。該技術(shù)依靠耐高溫金屬間化合物提供高溫強(qiáng)度和蠕變抗力，利用高溫金屬作韌化元素，從而很好地克服了金屬間化合物的脆性。目前采用真空熱壓箔、物理氣相沉積、鑄造和固態(tài)反應(yīng)等方法已研制出幾種微米層次的微疊層復(fù)合材料，包括Nb-Cr2Nb、NB-Nb5Si3以及Nb-MoSi2等。微疊層納米熱障涂層可望將葉片的耐溫能力提高260℃。除用于葉片外，微疊層復(fù)合材料在無(wú)疲勞合金涂層、抗砂蝕樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片涂層等方面也有應(yīng)用機(jī)遇。

    我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，僅鑄造渦輪葉片材料就超過(guò)20種，并開展了單晶鎳基高溫合金、金屬間化合物、陶瓷和C/C復(fù)合材料的研制。我國(guó)低密變、低成本的第一代單晶合金DD3性能與國(guó)外同代合金相當(dāng)，已用于直升機(jī)小發(fā)動(dòng)凱渦輪葉片；第二代單晶高溫合金DD6正在推廣應(yīng)用于先進(jìn)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，其承溫能力相當(dāng)于國(guó)外同代合金，而成本更低。就渦輪盤材料而論，除廣泛使用的粉末盤及其發(fā)展型的雙性能粉末盤、三性指粉末盤外，細(xì)晶變形盤由于成本低也被看好。俄羅斯就堅(jiān)恃認(rèn)為采用傳統(tǒng)熔鑄變形盤，完全可滿足第四、五代發(fā)動(dòng)機(jī)的需要。作為一種新的渦輪盤方案，近年丕開發(fā)了無(wú)夾雜的噴射盤。該技術(shù)與粉末冶金工藝相比具有工序簡(jiǎn)化、成本降低的優(yōu)勢(shì)，其快凝組織特性又奠定了其性能優(yōu)勢(shì)，包括遠(yuǎn)優(yōu)于鑄鍛工藝、相當(dāng)或高F粉末冶金工藝的強(qiáng)度與持久壽命，優(yōu)于粉末冶金工藝的塑性、韌性及低周疲勞壽命，因晶粒細(xì)化而改善的熱加工性能等。由于傳統(tǒng)變形盤的工藝設(shè)備均能使藹用，且材料利用率高，成本明顯低于粉末盤，因此，噴射盤有可能成為粉末盤的強(qiáng)勁對(duì)手。

    2航空材料發(fā)展趨勢(shì)

    航空材料的發(fā)展趨勢(shì)是種類增多，成本降低，性能提高。具體體現(xiàn)為：傳統(tǒng)材料大有可為，新型材料亟待應(yīng)用，新興材料層出不窮；材料的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化勢(shì)在必行，可靠性、可維修性、低成本和環(huán)保性要求日趨嚴(yán)格。

    1.傳統(tǒng)材料大有可為

    傳統(tǒng)航空材料凝結(jié)了大量的研究成果，也積累了可貢的使用經(jīng)驗(yàn)，輕易放棄這些傳統(tǒng)材料劃不來(lái)。正如美國(guó)“先進(jìn)民用飛機(jī)新材料專業(yè)委員會(huì)”、“國(guó)家材料咨詢局”、“航空航天工程局”、“工程和技術(shù)系統(tǒng)專業(yè)委員會(huì)”和“國(guó)家研究委員會(huì)”等五大單位在《用于下一代民用運(yùn)輸機(jī)的新材料》的聯(lián)合研究報(bào)告中所指出的，即“目前影響民航業(yè)、制造商和材料工業(yè)的動(dòng)蕩不定的經(jīng)濟(jì)氣候，己經(jīng)使先進(jìn)材料的應(yīng)用準(zhǔn)則發(fā)生了重大的變化，從而使材料性能不再是選材的首要標(biāo)準(zhǔn)。飛機(jī)制造商對(duì)民航業(yè)降低總成本（包括采購(gòu)和維修成本）的耍求也正在做出反應(yīng)，要求材料的變化方式是逐步改善，即漸進(jìn)演化式的，而不是革命性的”。

    這種漸進(jìn)演化式發(fā)展反映為，在復(fù)合材料改進(jìn)、傳統(tǒng)金屬材料超純?nèi)蹮挘约拌T、鍛件的研制、試驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程中，拋棄了試湊的傳統(tǒng)方法，代之以材料性能和產(chǎn)品制造一體化的可設(shè)計(jì)和可預(yù)測(cè)的全新概念，廣泛引人仿真及人工智能技術(shù)，特別是在制蚤制造技術(shù)方面不斷取得進(jìn)展和開拓創(chuàng)新。這種高技術(shù)含量、高附加值的航空材料的發(fā)展以信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的高速發(fā)展為依托，將對(duì)航空材料的發(fā)展產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。

    2.新型材料亟待應(yīng)用

    冷戰(zhàn)時(shí)期的積累和長(zhǎng)期的超前研究?jī)?chǔ)備了相當(dāng)數(shù)量的新材料，但它們至今仍在候選名單上等待應(yīng)用，典型例子有高性能的雙馬來(lái)醚亞胺樹脂基復(fù)合材料、熱塑性樹脂基復(fù)合材料和各種金屬基復(fù)合材料等。暫時(shí)不應(yīng)用這些材料的原因很復(fù)雜，其中之一是新材料過(guò)高的成本-效益比，包括采購(gòu)、制造、取證和全壽命等。對(duì)先進(jìn)的高性能復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)而言，至今仍對(duì)其基本的失效機(jī)理及其相互間的作用缺乏深刻而本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，因此，工業(yè)界出于技術(shù)和安全風(fēng)險(xiǎn)的考慮，缺乏了解先進(jìn)材料的熱情，也沒(méi)有使用先進(jìn)材料的經(jīng)驗(yàn)，更沒(méi)有等待先進(jìn)材料發(fā)展成熟的耐心。世界范圍內(nèi)的激烈競(jìng)爭(zhēng)使材料主管部門很難為中長(zhǎng)期的發(fā)展計(jì)劃做出長(zhǎng)期的財(cái)務(wù)承諾，結(jié)果是很難建立起精干而專業(yè)性的材料研究、發(fā)展和供應(yīng)基地。

    3.新興材料層出不窮

    新技術(shù)特別是納米技術(shù)為航空材料的發(fā)展開拓了新的思路，人們充滿熱情地研究由片狀納米黏土改性的環(huán)氧樹脂、雙馬來(lái)醚亞胺樹脂和聚醚亞胺樹脂，研究納米改性的鋁合金，期望在性能上獲得顯著提高。英、德等國(guó)對(duì)由碳納米管增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料開展了許多研究工作，結(jié)果表明，無(wú)論力學(xué)性能還是電磁性能均有改進(jìn)。納米技術(shù)的發(fā)展還有力地帶動(dòng)了航空材料的發(fā)展，如雷達(dá)罩納米防雨涂層以及隱身材料的納米化等。

    4.材料標(biāo)準(zhǔn)化、通用化勢(shì)在必行

    隨著國(guó)際經(jīng)濟(jì)的一體化，航空材料在國(guó)際材料市場(chǎng)上的流通以標(biāo)準(zhǔn)化、通用化為前提。目前，國(guó)際航空材料的發(fā)展趨勢(shì)是在國(guó)內(nèi)取消軍用標(biāo)準(zhǔn)，而代之以軍民兩用標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)際范圍內(nèi)實(shí)施國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)，有利于國(guó)際合作與交流及市場(chǎng)開拓，如俄羅斯在鋁鋰合金和欽合金的出口問(wèn)題上，以往因未與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，使上述材料出口受阻。為擴(kuò)大出口，俄羅斯己逐步改用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)已經(jīng)進(jìn)人WTO，但我國(guó)航空材料的體系建設(shè)以及航空材料的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀卻很落后。原因主要在于我國(guó)航空材料多是在跟蹤和引進(jìn)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，形成了各國(guó)航空材料在我國(guó)并存的混亂局面。國(guó)防工業(yè)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)和中國(guó)航空工業(yè)正著手開展中國(guó)航空材料體系的建設(shè)工作，這將為我國(guó)航空材料的健康發(fā)展創(chuàng)造更好的發(fā)展前提。

    5.低成本和可維修性成為趨勢(shì)

    航空材料的高技術(shù)特征必然帶來(lái)高成本。目前環(huán)氧樹脂的價(jià)格大約是每磅7美元，鈦為每磅10美元，先進(jìn)復(fù)合材料為每磅60美元。降低航空產(chǎn)品采購(gòu)成本的主要途徑是改變?cè)O(shè)計(jì)概念、采用低成本材料和成形加工技術(shù)等，降低航空產(chǎn)品使用成本或全壽本成本的主耍途徑是提高材料的可靠性和壽命。航空產(chǎn)品在選材時(shí)不僅要考慮使用性能，而且還必須考慮可維修性。如果航空產(chǎn)品的全壽命成本及維修費(fèi)用為采購(gòu)成本的兩倍時(shí)，就需重新考慮選材問(wèn)題，發(fā)展高可靠性、維修性能好的航空材料，以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使命壽命和簡(jiǎn)化維修越來(lái)越受到重視。

    3發(fā)展我國(guó)航空材料的建議

    我國(guó)航空材料工業(yè)存在的主要問(wèn)題可以總結(jié)為“五多五少”：仿制材料多而創(chuàng)斤材料少，低水乎材料多而高水乎材料少，立項(xiàng)研制的材料多而改進(jìn)改型的材料少，獲獎(jiǎng)勵(lì)的材料多而真正用上的材料少，和單一用途的材料多而一材多用的材料少。此外，部門之間的協(xié)調(diào)機(jī)制也不夠健全，低水乎重復(fù)、各自為政和無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重困擾著我國(guó)航空材料科研和生產(chǎn)的健康發(fā)展。根據(jù)“有限目標(biāo)，突出重點(diǎn)”的原則，我國(guó)航空材料界對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的篩選進(jìn)輛〔深人討論，普遍認(rèn)同的三大關(guān)鍵技術(shù)是復(fù)合材料技術(shù)、渦輪盤材料技術(shù)和渦輪叫≠材料技術(shù)。目前正在實(shí)施的科技發(fā)展汁劃將針對(duì)這些問(wèn)題，集中力量攻關(guān)，以開創(chuàng)我國(guó)航空材料發(fā)展的嶄新局面。