航空材料發(fā)展史

自從人類開始嘗試遨游藍(lán)天,"用什么樣的材料制造飛機(jī)"就一直是擺在科學(xué)家和工程師面前的一個(gè)重大問題，航空材料的發(fā)展也在極大程度上推動(dòng)了航空事業(yè)的進(jìn)步。一百多年來，航空材料的發(fā)展所經(jīng)歷的階段如下表所示。[1]

航空材料發(fā)展歷程

在航空發(fā)展的萌芽階段，木頭和帆布是天然材料中強(qiáng)度、重量、剛度均最為適合制造飛機(jī)的。因此，直至第一次世界大戰(zhàn)，木頭和帆布都是藍(lán)天上的主宰。其重量輕、強(qiáng)度、剛度較高，是自然材料中最適合用來制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)的。

到了一戰(zhàn)末期，金屬材料開始登上了航空舞臺(tái)，以鋁鎂合金為主，輔以少量不銹鋼的全金屬飛機(jī)開始稱霸地球的天空。二戰(zhàn)之后，隨著人類對(duì)于飛行速度的不斷追求，一種新的金屬——鈦合金，以其超高的剛度、強(qiáng)度以及耐高溫性能登上了歷史舞臺(tái)。

當(dāng)人們都認(rèn)為金屬材料將是未來天空的主宰時(shí)，復(fù)合材料的出現(xiàn)再一次掀起了一場(chǎng)航空材料革命，自20世紀(jì)七十年代至今，復(fù)合材料在飛機(jī)制造中的地位越來越強(qiáng)，并大有從配角變身主角的勢(shì)頭。在誕生之初只被使用在尾翼、鴨翼等載荷較小位置的復(fù)合材料，如今在最新的客機(jī)——空客A350以及波音-787身上已經(jīng)占到了50%左右，站上了主導(dǎo)地位。

波音787客機(jī)

空客A350客機(jī)

航空材料的特點(diǎn)

作為航空器上所使用的材料，一方面，我們需要其"結(jié)實(shí)"，另一方面，我們還希望其密度小，重量輕。通常，我們用"強(qiáng)度"和"剛度"兩個(gè)性質(zhì)來描述一種材料"結(jié)實(shí)"與否，強(qiáng)度指的是受力后不易產(chǎn)生破壞的能力，而剛度指的是受力后不易產(chǎn)生變形的能力。比如，蜘蛛絲可以承受非常大的拉力而不斷裂，這意味著其強(qiáng)度很大，但是蛛絲受力后會(huì)產(chǎn)生很大的變形，因而其剛度很?。黄胀úＡ芰笞冃魏苄?，因此其具有較高的剛度，但是非常容易斷裂破壞，因此我們用"強(qiáng)度低"來形容它。在航空領(lǐng)域，通常，我們希望材料即具有高強(qiáng)度，又具有高剛度，還具有密度小，重量輕的特點(diǎn)，除此之外，工程師還提出了諸如耐高溫，耐腐蝕，易加工等種種性能要求，可見，航空業(yè)對(duì)于材料的要求相當(dāng)之高。

鋁合金

鋁合金主要是鋁與銅、鎂和鋅的合金。是飛機(jī)制造中應(yīng)用較早、使用最廣泛的材料，其優(yōu)勢(shì)主要在于塑性好，強(qiáng)度高，易于加工，重量輕。另外，鋁合金具有高的斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度，具有高的耐腐蝕性，良好的低溫性能，且價(jià)格低廉，因此，直至今日，飛翔在藍(lán)天中的大部分飛機(jī)依舊以鋁合金為主要結(jié)構(gòu)材料。但是，鋁合金的耐磨、耐高溫性能較差，不適合使用在高速飛行氣動(dòng)加熱較為顯著的情況下。

鋼

鋼材成本較低，強(qiáng)度大、耐高溫，但是重量也大，所以在多數(shù)飛機(jī)上并沒有廣泛使用，只分布在飛機(jī)上一些高負(fù)載區(qū)域如機(jī)翼、尾翼接頭等處。然而，在冷戰(zhàn)期間，卻出現(xiàn)了一型"劍走偏鋒"的戰(zhàn)斗機(jī)——前蘇聯(lián)的米格-25，為了承受高速下的氣動(dòng)加熱，米格-25結(jié)構(gòu)重量的80%為合金鋼，這也使得這款戰(zhàn)斗機(jī)顯得尤為笨重，機(jī)動(dòng)性大大降低。

鈦合金

鈦合金首先是作為發(fā)動(dòng)機(jī)材料在飛機(jī)上使用的，隨后在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。鈦合金的強(qiáng)度接近于合金鋼，而重量卻比合金鋼輕很多，因此用鈦合金制造的構(gòu)件比鋼制構(gòu)件可以顯著降低重量，此外鈦合金還具有較高耐熱性和耐腐蝕性。因此，在上文提到的米格-25戰(zhàn)機(jī)研制的同時(shí)期，美國研制的能在3萬米高空以3倍以上音速飛行的SR-71偵察機(jī)大量采用了鈦合金。然而，由于強(qiáng)度、剛度極佳，又耐高溫和腐蝕，鈦合金的冶煉和加工極為困難，美國的科研人員為此在SR-71的設(shè)計(jì)和制造上付出了高昂的人力和財(cái)力。

米格-25戰(zhàn)斗機(jī)

SR-71“黑鳥”高空高速偵察機(jī)

復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或多種材料復(fù)合而成的材料，其通常由增強(qiáng)體與基體構(gòu)成，如下圖所示在航空領(lǐng)域?qū)儆谛滦筒牧?，然而在日常生活中其?shí)非常常見。鋼筋混凝土是我們?nèi)粘Ｉ钪卸冀佑|過的建筑復(fù)合材料，在這種復(fù)合材料中，鋼筋作為增強(qiáng)體，起主要承載作用，而鋼筋周圍的混凝土作為基體，其粘合作用。

復(fù)合材料，圖中綠色為基體，圓柱形為增強(qiáng)體

使用性能更強(qiáng)，重量更輕的基體和增強(qiáng)體，就可以制造出先進(jìn)的航空復(fù)合材料。 復(fù)合材料的密度低，強(qiáng)度和剛度很高，抗疲勞性能、減震性能和工藝成型性能都很好，并可按結(jié)構(gòu)性能的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前飛機(jī)制造中經(jīng)常使用的復(fù)合材料包括：樹脂基，金屬基復(fù)合材料以及陶瓷基和碳－碳復(fù)合材料等等。

未來航空材料[2]

未來的航空材料將繼續(xù)朝著高性能、低成本、復(fù)合化、功能化、智能化的方向發(fā)展。一方面，隨著新型復(fù)合材料技術(shù)以及新型金屬加工制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，材料的強(qiáng)度、剛度、韌性、耐高溫、低溫、氧化、腐蝕等性能將不斷增強(qiáng)，重量將不斷降低，提升飛行器的飛行性能、可靠性以及使用壽命，飛行器的制造成本不斷降低。另一方面，新的技術(shù)將賦予結(jié)構(gòu)材料新的功能，如隱身、傳感、驅(qū)動(dòng)、自檢等等，并使得航空材料變得智能，實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)、自診斷、自調(diào)節(jié)、自恢復(fù)、自保護(hù)等多種特殊功能。

參考文獻(xiàn)

[1]. 李成功, 傅恒志, 于翹. 航空航天材料[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2001;

[2]. 唐見茂.航空航天材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].航天器環(huán)境工程,2013,30(2):115-120;