輕量化材料在飛機(jī)工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

白牧宸

摘 要：飛機(jī)的減重一直是飛機(jī)工業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，輕量化材料的研究是飛機(jī)材料領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。文中對飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中的輕量化材料（鋁合金、鈦合金、先進(jìn)復(fù)合材料以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料）的發(fā)展情況、不同材料的特點(diǎn)和應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)工業(yè)；輕量化材料；復(fù)合材料

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

輕量化材料的開發(fā)和應(yīng)用是結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)的一個(gè)主要研究方向，輕量化材料的研究是目前國際上飛機(jī)材料領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。據(jù)報(bào)道，對于民用飛機(jī)，每減輕1磅重量，可節(jié)約使用成本約200美元；對于軍用噴氣式飛機(jī)，每減輕1磅重量，可節(jié)約使用成本約2000美元/月。因此，減輕飛機(jī)的重量，提高飛機(jī)的航程、減少運(yùn)營和維護(hù)成本，具有非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)可以降低碳排放，有利于維護(hù)生態(tài)環(huán)境。

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中，高性能的金屬、非金屬和復(fù)合材料以及它們的全新加工生產(chǎn)工藝技術(shù)使得材料性能（如高比強(qiáng)度、高比剛度、優(yōu)異的斷裂和應(yīng)力腐蝕）能被設(shè)計(jì)，并成為一體的輕量化優(yōu)良結(jié)構(gòu)材料。先進(jìn)輕量化材料已成為西方發(fā)達(dá)國家以及我國急需優(yōu)先開發(fā)的技術(shù)領(lǐng)域。下面對飛機(jī)工業(yè)領(lǐng)域中常用的輕量化材料進(jìn)行介紹。

1 輕量化材料的發(fā)展

1903年12月，萊特兄弟駕駛自制的飛機(jī)進(jìn)行持續(xù)的、有動(dòng)力的、可操控的飛行取得成功，拉開了世界航空工業(yè)發(fā)展的序幕。當(dāng)時(shí)的第一架載人上天的飛機(jī)是由木材、鋼和布制造的。

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

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用中，鋁合金一直有著重要地位，近三十多年來，鈦合金、先進(jìn)復(fù)合材料以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料也得到了廣泛應(yīng)用。

2 不同種類輕量化材料的特點(diǎn)和應(yīng)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(qiáng)度高、耐蝕性和成型性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。飛機(jī)上使用最多的鋁合金是傳統(tǒng)的高強(qiáng)度7×××系列和高韌性2×××系列。采用鋁厚板加工而成的復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)件代替以前用很多零件裝配而成的部件，不但能減輕結(jié)構(gòu)重量，提高載重量和航程，而且高強(qiáng)鋁合金還能保證飛機(jī)性能的穩(wěn)定。

鋁合金在軍機(jī)中主要用作機(jī)體內(nèi)部的框架、加強(qiáng)肋、腹板、接頭件以及某些蒙皮等結(jié)構(gòu)，F(xiàn)-35戰(zhàn)機(jī)采用的鋁合金總用量超過了30%，我國自主設(shè)計(jì)研制的第三代戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)用材中鋁合金占60%～70%；而在大型民用客機(jī)（如B777和A380）上，主要用作飛機(jī)的機(jī)翼、蒙皮、桁架和座椅滑軌等結(jié)構(gòu)處，而目前正在服役中的主要大型客機(jī)中，鋁合金被大量使用，甚至占據(jù)著主導(dǎo)地位。

2.2 鈦合金

鈦合金是航空材料中最活躍的領(lǐng)域之一。其具有較高的高溫強(qiáng)度比、優(yōu)良的抗腐蝕性能以及機(jī)械性能，此外，其與碳/樹脂基復(fù)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(jié)構(gòu)載荷等特性。鈦合金的主要缺點(diǎn)是加工困難，使用成本高。

目前，鈦合金主要用于飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)較低溫部件（500℃以下），如發(fā)動(dòng)機(jī)火區(qū)、噴口區(qū)、中介機(jī)匣、高壓壓氣機(jī)等。美國F-22戰(zhàn)斗機(jī)中采用鈦合金的主要結(jié)構(gòu)件包括：隔框、機(jī)身側(cè)壁板、方向舵支架、平尾后梁等，而B747中應(yīng)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(jìn)復(fù)合材料

根據(jù)基體材料的不同，先進(jìn)復(fù)合材料主要包括樹脂基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料。

樹脂基復(fù)合材料通常以環(huán)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(qiáng)材料。由于其比強(qiáng)度高、比剛度大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、重量輕、抗燒蝕等優(yōu)點(diǎn)，在軍民用飛機(jī)上用量逐漸增加。在軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用最初主要追求性能，不計(jì)成本，其用量在1980年代中期達(dá)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(jī)上，B787的主體結(jié)構(gòu)（包括機(jī)翼和機(jī)身）上大量采用了先進(jìn)的復(fù)合材料，其用量高達(dá)50%；為了與B787競爭，A350的機(jī)身和機(jī)翼全部采用復(fù)合材料，復(fù)合材料使用量占機(jī)身總質(zhì)量52%。A380是新一代采用復(fù)合材料的大型客機(jī)，其采用玻璃纖維復(fù)合材料制作機(jī)身，并在中央翼盒、地板梁和后壓力隔板采用了碳-碳復(fù)合材料。

金屬基復(fù)合材料與樹脂基復(fù)合材料相比具有層間剪切強(qiáng)度高，工作溫度高、耐磨損、不吸濕、不老化并且具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱等金屬特性而成為復(fù)合材料的重要分支。金屬基復(fù)合材料采用的基體主要有鋁、鎂、鈦和鎳基合金，增強(qiáng)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(fù)合材料發(fā)展最快。金屬基復(fù)合材料可制成板材、棒材、管材和型材等各種產(chǎn)品，并已作過多種飛行器零件。纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料是先進(jìn)航空承力部件的候選材料，碳化硅纖維增強(qiáng)的鈦基復(fù)合材料在壓氣機(jī)葉片、整體葉環(huán)、盤、軸、機(jī)匣、傳動(dòng)桿等部件上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

2.4 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)通常由兩個(gè)比較薄的面板和比較厚的蜂窩芯層構(gòu)成，芯層與面板一般用膠粘結(jié)在一起，也可用熔焊連接成整體。目前航空結(jié)構(gòu)上采用的面板材料主要為碳纖維單向帶或織物增強(qiáng)復(fù)合材料，而芯層主要采用具有壓縮模量高和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)的鋁蜂窩或NOMEX紙蜂窩。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、彎曲剛度與強(qiáng)度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、吸音、隔音和隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)主要有兩類，一類為蜂窩夾層壁板結(jié)構(gòu)，主要用于機(jī)身和機(jī)翼結(jié)構(gòu)，與機(jī)體的連接主要通過金屬預(yù)埋件或梁/墻上的接頭；另一類為全高度夾層結(jié)構(gòu)，主要用于方向舵、升降副翼和襟翼等，零件與機(jī)體的連接主要依靠復(fù)合材料或金屬梁上的接頭。

3 輕量化材料可能的發(fā)展方向

以發(fā)展新一代飛機(jī)和高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)為契機(jī)，飛機(jī)工業(yè)領(lǐng)域的輕量化材料發(fā)展將迎來一個(gè)嶄新的春天?？赡艿陌l(fā)展方向包括：

（1）發(fā)展和確立高強(qiáng)、高韌、高水平的金屬材料，如鋁合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼系列，并可以發(fā)展它們的復(fù)合材料；（2）發(fā)展高比強(qiáng)度、高比剛度、高韌性、高損傷容限、抗腐蝕、耐環(huán)境侵蝕的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料和整體結(jié)構(gòu)，如納米復(fù)合材料技術(shù)、高功能和多功能、結(jié)構(gòu)/功能一體化、智能化結(jié)構(gòu)等；（3）發(fā)展和應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)材料計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，優(yōu)化、改進(jìn)已有材料，創(chuàng)造新材料，并開展低成本材料的研究；（4）加強(qiáng)新型材料性能的表征和評估方法的研究，開發(fā)能滿足新一代飛機(jī)、高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)載設(shè)備用主要材料的測試技術(shù)和設(shè)備，特別是針對高溫材料、功能材料的性能測試技術(shù)和設(shè)備。

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