轻量化材料在飞机工业领域中的应用

白牧宸

摘 要：飞机的减重一直是飞机工业关注的重点，轻量化材料的研究是飞机材料领域最活跃的研究方向之一。文中对飞机结构材料中的轻量化材料（铝合金、钛合金、先进复合材料以及蜂窝夹层结构材料）的发展情况、不同材料的特点和应用情况进行了介绍。

关键词：飞机工业；轻量化材料；复合材料

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0056-01

輕量化材料的开发和应用是结构轻量化技术的一个主要研究方向，轻量化材料的研究是目前国际上飞机材料领域最活跃的研究方向之一。据报道，对于民用飞机，每减轻1磅重量，可节约使用成本约200美元；对于军用喷气式飞机，每减轻1磅重量，可节约使用成本约2000美元/月。因此，减轻飞机的重量，提高飞机的航程、减少运营和维护成本，具有非常显著的经济效益；同时可以降低碳排放，有利于维护生态环境。

在飞机结构材料中，高性能的金属、非金属和复合材料以及它们的全新加工生产工艺技术使得材料性能（如高比强度、高比刚度、优异的断裂和应力腐蚀）能被设计，并成为一体的轻量化优良结构材料。先进轻量化材料已成为西方发达国家以及我国急需优先开发的技术领域。下面对飞机工业领域中常用的轻量化材料进行介绍。

1 轻量化材料的发展

1903年12月，莱特兄弟驾驶自制的飞机进行持续的、有动力的、可操控的飞行取得成功，拉开了世界航空工业发展的序幕。当时的第一架载人上天的飞机是由木材、钢和布制造的。

早期的飞机用木条、木三夹板做大梁和机身骨架，用亚麻布做机翼的翼面，即所谓的木布结构。自二十世纪20年代开始，人们设计出半硬壳式机身和具备翼型内部空间的机翼，在发动机托架和发动机整流罩等部位主要采用了金属零件，但翼面、舵面和后机身仍部分沿用传统的布做蒙皮。1925年开始，一些国家用钢管代替木材制作机身骨架，用铝作蒙皮，制造出了早期的全金属结构飞机。自二十世纪40年代末期之后，铝合金逐渐成为了飞机的主要材料；之后，随着飞机飞行速度的不断提高，飞机将承受发动机传导出来的高温以及机身与空气摩擦产生的热量，材料的耐高温性能成为了飞机材料的一个亟待解决的指标，为此，具有高强度和良好耐热性的航空专用钛合金和不锈钢被研发出来；作为特例，上世纪60年代曾出现了全钛高空高速侦察机和不锈钢占主体的轰炸机。上世纪70年代，能使飞机在维持原强度的前提下大幅减重的复合材料应运而生，自此以后，铝、钛、钢和复合材料开始成为飞机的基本结构材料。

在飞机结构材料的应用中，铝合金一直有着重要地位，近三十多年来，钛合金、先进复合材料以及蜂窝夹层结构材料也得到了广泛应用。

2 不同种类轻量化材料的特点和应用情况

2.1 铝合金

铝合金中通常添加铜、锌、锰、硅、镁等元素，具有密度小、比强度高、耐蚀性和成型性好、成本低等优点。飞机上使用最多的铝合金是传统的高强度7×××系列和高韧性2×××系列。采用铝厚板加工而成的复杂的整体结构件代替以前用很多零件装配而成的部件，不但能减轻结构重量，提高载重量和航程，而且高强铝合金还能保证飞机性能的稳定。

铝合金在军机中主要用作机体内部的框架、加强肋、腹板、接头件以及某些蒙皮等结构，F-35战机采用的铝合金总用量超过了30%，我国自主设计研制的第三代战斗机机体结构用材中铝合金占60%～70%；而在大型民用客机（如B777和A380）上，主要用作飞机的机翼、蒙皮、桁架和座椅滑轨等结构处，而目前正在服役中的主要大型客机中，铝合金被大量使用，甚至占据着主导地位。

2.2 钛合金

钛合金是航空材料中最活跃的领域之一。其具有较高的高温强度比、优良的抗腐蚀性能以及机械性能，此外，其与碳/树脂基复合材料的相容性好，可代替铝合金在150°C以上温度使用，提高结构载荷等特性。钛合金的主要缺点是加工困难，使用成本高。

目前，钛合金主要用于飞机的发动机较低温部件（500℃以下），如发动机火区、喷口区、中介机匣、高压压气机等。美国F-22战斗机中采用钛合金的主要结构件包括：隔框、机身侧壁板、方向舵支架、平尾后梁等，而B747中应用了世界上最大的钛合金锻件，主要用于主起落架支撑梁，加工后零件重三百多公斤。

2.3 先进复合材料

根据基体材料的不同，先进复合材料主要包括树脂基复合材料和金属基复合材料。

树脂基复合材料通常以环氧树脂和不饱和聚酯树脂为基体，以玻璃纤维、碳纤维等为增强材料。由于其比强度高、比刚度大、可设计性强、重量轻、抗烧蚀等优点，在军民用飞机上用量逐渐增加。在军用飞机结构中的应用最初主要追求性能，不计成本，其用量在1980年代中期达到最高峰，之后由于成本的压力，其用量降至20%～30%，主要用于垂尾翼、平尾翼、方向舵、、扰流板等次承力部件。民用飞机上，B787的主体结构（包括机翼和机身）上大量采用了先进的复合材料，其用量高达50%；为了与B787竞争，A350的机身和机翼全部采用复合材料，复合材料使用量占机身总质量52%。A380是新一代采用复合材料的大型客机，其采用玻璃纤维复合材料制作机身，并在中央翼盒、地板梁和后压力隔板采用了碳-碳复合材料。

金属基复合材料与树脂基复合材料相比具有层间剪切强度高，工作温度高、耐磨损、不吸湿、不老化并且具有导电、导热等金属特性而成为复合材料的重要分支。金属基复合材料采用的基体主要有铝、镁、钛和镍基合金，增强体主要有硼纤维、SiC纤维和颗粒、碳纤维、氧化铝纤维等，其中，铝基复合材料发展最快。金属基复合材料可制成板材、棒材、管材和型材等各种产品，并已作过多种飞行器零件。纤维增强的钛基复合材料是先进航空承力部件的候选材料，碳化硅纤维增强的钛基复合材料在压气机叶片、整体叶环、盘、轴、机匣、传动杆等部件上已经得到了广泛应用。

2.4 蜂窝夹层结构

蜂窝夹层结构通常由两个比较薄的面板和比较厚的蜂窝芯层构成，芯层与面板一般用胶粘结在一起，也可用熔焊连接成整体。目前航空结构上采用的面板材料主要为碳纤维单向带或织物增强复合材料，而芯层主要采用具有压缩模量高和质量轻等优点的铝蜂窝或NOMEX纸蜂窝。蜂窝夹层结构具有质量轻、弯曲刚度与强度大、抗失稳能力强、吸音、隔音和隔热性能好等优点。

飞机结构用蜂窝夹层结构主要有两类，一类为蜂窝夹层壁板结构，主要用于机身和机翼结构，与机体的连接主要通过金属预埋件或梁/墙上的接头；另一类为全高度夹层结构，主要用于方向舵、升降副翼和襟翼等，零件与机体的连接主要依靠复合材料或金属梁上的接头。

3 轻量化材料可能的发展方向

以发展新一代飞机和高推重比发动机为契机，飞机工业领域的轻量化材料发展将迎来一个崭新的春天。可能的发展方向包括：

（1）发展和确立高强、高韧、高水平的金属材料，如铝合金、钛合金、超高强度钢系列，并可以发展它们的复合材料；（2）發展高比强度、高比刚度、高韧性、高损伤容限、抗腐蚀、耐环境侵蚀的先进结构材料和整体结构，如纳米复合材料技术、高功能和多功能、结构/功能一体化、智能化结构等；（3）发展和应用先进技术，加强材料计算机设计技术，优化、改进已有材料，创造新材料，并开展低成本材料的研究；（4）加强新型材料性能的表征和评估方法的研究，开发能满足新一代飞机、高推重比发动机及机载设备用主要材料的测试技术和设备，特别是针对高温材料、功能材料的性能测试技术和设备。

参考文献

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