航空材料是制造航空器、航空發(fā)動機和機載設(shè)備等所用各類材料的總稱。通常包括金屬材料(結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、高溫合金、有色金屬及合金等）、有機高分子材料(橡膠、塑料、透明材料、涂料等）和復(fù)合材料。
航空材料是制造航空器、航空發(fā)動機和機載設(shè)備等所用各類材料的總稱。通常包括金屬材料(結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、高溫合金、有色金屬及合金等）、有機高分子材料(橡膠、塑料、透明材料、涂料等）和復(fù)合材料。 航空材料是研制生產(chǎn)航空產(chǎn)品的物質(zhì)保障，也是使航空產(chǎn)品達到人們期望的性能、使用壽命與可靠性的技術(shù)基礎(chǔ)。由于航空材料的基礎(chǔ)地位，以及其對航空產(chǎn)品貢獻率的不斷提高，航空材料與航空發(fā)動機、信息技術(shù)成為并列的三大航空關(guān)鍵技術(shù)之一，也是對航空產(chǎn)品發(fā)展有重要影響的六項技術(shù)之一。美國空軍在《2025年航空技術(shù)發(fā)展預(yù)測報告》中指出，在全部43項航空技術(shù)中，航空材料重要性位居第2。此外，航空先進材料技術(shù)還被列為美國國防四大科技（分別為信息技術(shù)、材料技術(shù)、傳感器技術(shù)和經(jīng)濟可承受性技術(shù)）優(yōu)選項目之一，是其他三項技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)及重要組成部分。 航空航天材料除了經(jīng)受高應(yīng)力、慣性力外，航空飛行器還要經(jīng)受起飛和降落、發(fā)動機振動、轉(zhuǎn)動件的高速旋轉(zhuǎn)、機動飛行、突風(fēng)等因素導(dǎo)致的沖擊載荷和交變載荷。發(fā)動機燃氣以及太陽輻照導(dǎo)致航空器處于高溫環(huán)境，隨著飛行速度提高，氣動加熱效應(yīng)凸顯，產(chǎn)生“熱障”。此外，還要經(jīng)受交變溫度，在同溫層以亞音速飛行時，表面溫度會降到-50℃左右，極圈以內(nèi)地域的嚴冬環(huán)境溫度會低于-40℃，金屬構(gòu)件或橡膠輪胎容易產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。汽油、煤油等燃料和各種潤滑劑、液壓油，多數(shù)對金屬材料產(chǎn)生腐蝕作用、對非金屬材料產(chǎn)生溶脹作用，而太陽輻照、風(fēng)雨侵蝕、地下潮濕環(huán)境長期儲存產(chǎn)生的霉菌會加速高分子材料的老化過程。 中國航空產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了從修理、引進、仿制到改進、改型和自行設(shè)計研制的發(fā)展歷程。用以制造航空產(chǎn)品的材料也經(jīng)歷了引進、仿制、改進、改型和自行研制的發(fā)展歷程。 到目前為止，我國已定型生產(chǎn)的航空用金屬、有機高分子材料、無機非金屬材料以及復(fù)合材料的牌號約2000余個；已建成具有一定規(guī)模的航空材料研究與生產(chǎn)基地，擁有生產(chǎn)航空產(chǎn)品所需各類材料牌號、品種與規(guī)格的生產(chǎn)設(shè)備及檢測儀器；先后制訂了1000余份各類航空材料、熱工藝及理化檢測標準（包括國標、國軍標與航空標準）；編寫出版了《中國航空材料手冊》、《發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計用材料性能數(shù)據(jù)手冊》及《航空材料選用目錄》等；頒布了《航空工業(yè)材料及熱工藝技術(shù)工作規(guī)定》、《航空材料（含鍛、鑄件）技術(shù)管理辦法》等法規(guī)性文件。 從總體上看，我國目前已定型生產(chǎn)的航空材料（含類別、牌號、品種與規(guī)格）及其相應(yīng)的標準與規(guī)范，基本上能滿足第二代航空產(chǎn)品批生產(chǎn)的需求。針對第三代航空產(chǎn)品所需關(guān)鍵材料，如熱強鈦合金、高強鋁合金、超高強度結(jié)構(gòu)鋼不銹鋼、樹脂基復(fù)合材料、單晶與粉末高溫合金等，從技術(shù)上看，已具備試用條件，但要轉(zhuǎn)化為在特定工況下使用的零部件，并體現(xiàn)出第三代航空產(chǎn)品的總體效能（技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)性能、使用可靠性與壽命以及經(jīng)濟效益等）尚需做大量的工作。
航空材料的發(fā)展趨勢是種類增多，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、標準化勢在必行，可靠性、可維修性、低成本和環(huán)保性要求日趨嚴格。
航空航天飛行器長期在大氣層或外層空間運行，在極端環(huán)境服役還要有極高可靠性和安全性、優(yōu)良的飛行性和機動性，除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足氣動需求、工藝性要求和使用維護要求外，更有賴于材料的優(yōu)異特性和功能。
結(jié)構(gòu)件在服役中要承受各種形式的外力作用，要求材料在規(guī)定期限內(nèi)不超過允許的變形量和不破斷，而航空航天結(jié)構(gòu)還要盡量縮小結(jié)構(gòu)尺寸、降低重量，早期航空航天構(gòu)件采用靜強度設(shè)計，不考慮或很少考慮塑韌性，導(dǎo)致出現(xiàn)了災(zāi)難性事故。
干線飛機主要結(jié)構(gòu)部件
為了保證結(jié)構(gòu)安全并充分利用材料的性能，航空航天結(jié)構(gòu)件的設(shè)計由 “強度設(shè)計原則”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皳p傷容限設(shè)計原則”，并逐步過渡到“全壽命周期設(shè)計原則”，在設(shè)計階段就考慮到產(chǎn)品壽命歷程的所有環(huán)節(jié)，所有相關(guān)因素在產(chǎn)品設(shè)計階段就得到綜合規(guī)劃和優(yōu)化。要求材料不僅具有高的比強度、比剛度，還要有一定的斷裂韌性和沖擊韌性、抗疲勞性能、耐高溫性能、耐低溫性能、耐腐蝕性能、耐老化性能和抗霉菌性能，并有針對性地強化一些性能指標。此外，不同等級的載荷區(qū)采用不同的選材判據(jù)，根據(jù)部件的具體要求選擇與之匹配的材料，大載荷區(qū)采用強度判據(jù)，選用高強材料；中載荷區(qū)采用剛度判據(jù)，選用高彈性模量材料；輕載荷區(qū)主要考慮尺寸穩(wěn)定性，確保構(gòu)件尺寸大于最小臨界尺寸。選擇和評價結(jié)構(gòu)材料時，要根據(jù)服役條件和應(yīng)力狀態(tài)，選擇合適的力學(xué)性能 （拉伸、壓縮、沖擊、疲勞、低溫系列沖擊）測試方法，針對不同的斷裂方式（韌斷、脆斷、應(yīng)力疲勞、應(yīng)變疲勞、應(yīng)力腐蝕、氫脆、中子輻照脆化等），綜合考慮材料強度與塑性、韌性的合理配合。承受拉伸載荷的構(gòu)件，表層及心部應(yīng)力分布均勻，所選材料應(yīng)具有均一組織和性能，大型構(gòu)件應(yīng)有良好的淬透性。承受彎曲及扭轉(zhuǎn)載荷的構(gòu)件，表層及心部應(yīng)力相差較大，可用淬透性較低的材料。承受交變載荷的構(gòu)件，疲勞極限、缺口敏感性為選材的重要考核指標。在腐蝕介質(zhì)中服役的構(gòu)件，抗腐蝕能力、氫脆敏感性、應(yīng)力腐蝕開裂傾向、腐蝕疲勞強度等為選材的重要考核指標。高溫服役材料還要考慮組織穩(wěn)定性，低溫服役材料還要考慮低溫性能。
減重對提高飛行器的安全性、增加有效載荷和續(xù)航距離、提高機動性能及射程、降低燃料或推進劑消耗和飛行成本具有實際意義，飛行器速度越快，減重意義越大。戰(zhàn)斗機重量減輕15%，則可縮短飛機滑跑距離15％，增加航程20%，提高有效載荷30%。對于導(dǎo)彈或運載火箭等短時間一次性使用的飛行器，要以最小體積和質(zhì)量發(fā)揮等效功能，力求把材料性能發(fā)揮到極限程度，選取盡可能小的安全余量而達到絕對可靠的安全壽命。對于減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，密度降低30％，比強度提高50％的作用還大。鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料是主要的航空航天結(jié)構(gòu)材料，具有較高的比強度和比剛度，可提高飛行器的有效載荷、機動性、續(xù)航距離，同時降低飛行成本。
超高強度鋼（屈服強度＞1380MPa)在航空航天工程中的用量不會超過10%。對于超聲速殲擊機等現(xiàn)代飛行器，超高強度鋼用量穩(wěn)定在5％~10%，其抗拉強度在600~1850MPa，有時高達到1950MPa，斷裂韌性KIc=78~91MPa·m1/2。在活性腐蝕介質(zhì)中使用的機身承力結(jié)構(gòu)件，一般要采用高強度耐蝕鋼，裝備氫燃料發(fā)動機的飛機要選用無碳耐蝕鋼作為在液氫和氫氣介質(zhì)中服役的構(gòu)件材料。
21世紀的飛行器機身結(jié)構(gòu)材料還是以鋁合金為主 ，包括2XXX系、7XXXX及鋁鋰合金。在鋁合金中加入鋰，可在提高強度的同時降低密度，實現(xiàn)提高構(gòu)件的比強度和比剛度的目標。鋁鋰合金已用于大型運輸機、戰(zhàn)斗機、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、航天飛機、運載火箭，主要用于頭部殼體、承力構(gòu)件、液氫液氧儲箱、管道、有效載荷轉(zhuǎn)接器等，被譽為極具發(fā)展前景的航空航天材料。第三代和正在發(fā)展的第四代鋁鋰合金不再片面追求低密度，有較好的綜合性能，在裂紋擴展速率、疲勞性能、腐蝕性能、彈性模量等與第三代鋁鋰合金相當?shù)臈l件下，第四代鋁鋰合金有更高的靜強度（尤其屈服強度）和更高的斷裂韌性。
鈦合金的比強度高于鋁合金，已應(yīng)用于飛機框架、襟翼導(dǎo)軌和支架、發(fā)動機底座和起落架構(gòu)件等，還可用于排氣罩和隔火板等受熱部分。Ma>2.5的超聲速飛機表面溫度可達到200~350℃，可采用鈦合金作蒙皮。采用快速凝固／粉末冶金方法制備的高純度高致密度的鈦合金，有較好的熱穩(wěn)定性，在700℃的強度與室溫相同，開發(fā)的高強度高韌性的β型鈦合金已被NASA定為SiC/Ti復(fù)合材料的基體材料，用來制造飛機的機身和機翼壁板。鈦合金在航空器中的應(yīng)用比例逐漸增加，在民航機身中的使用量將達20%，在軍機機身中的使用量將高達50%。
金屬基復(fù)合材料、高溫樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳／碳復(fù)合材料已在航空航天領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。碳／碳復(fù)合材料綜合了碳的難熔性與碳纖維的高強度、高剛性，具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導(dǎo)性，在2500℃的高溫下仍具有相當高的強度和韌性，且密度只有高溫合金的1/4。混合型復(fù)合材料得到了越來越多的關(guān)注，如在碳纖維復(fù)合材料中添加玻璃纖維可以改善其沖擊性能，而玻璃纖維增強塑料中加入碳纖維可以增加其剛度。
此外，層狀復(fù)合材料在航空航天工程中的應(yīng)用越來越廣泛，如 A380采用了3％的GLARE，為新型的層壓板。層壓板是通過壓力使兩種不同種類的材料層疊在一起的復(fù)合材料，通常由上面板、上膠合層、芯材、下膠合層、下面板構(gòu)成，其強度和剛度要高于單獨的面板材料或芯材，已應(yīng)用于運輸機和戰(zhàn)斗機。GLARE層壓板是通過壓力（或熱壓罐）把多層薄鋁板和單向性玻璃纖維預(yù)浸料（浸漬環(huán)氧黏合劑）疊接熱壓而成的，如圖1所示。鋁板要經(jīng)過適當?shù)念A(yù)處理，使其更容易與纖維預(yù)浸料層粘在一起。表1為可商業(yè)化生產(chǎn)的GLARE層壓板類型，可根據(jù)需要制成不同厚度的板，纖維可以是2層、3層、4層等，纖維含量和方向符合表中規(guī)定即可，每類GLARE層壓板可以有不同形式，可根據(jù)具體需要進行調(diào)整。
圖1 GLARE層壓板示意圖
表1 可商業(yè)化生產(chǎn)的GLARE層壓板類型
GLARE層壓板的拼接技術(shù)解決了鋁板寬度有限的問題，如圖2所示，拼接時，同層鋁板間有一條窄縫，不同層鋁板間的接縫在不同位置，這些接縫可以通過纖維層和其他層鋁板連接起來，使得大型機身壁板或整體蒙皮制造成為可能，并具有出色的抗疲勞、抗腐蝕和阻燃性能，從而消除了鉚釘孔及由此引發(fā)的應(yīng)力集中。為了確保載荷的安全傳遞，可在拼接處增加一個補強層，即增鋪一層金屬板或一層玻璃纖維預(yù)浸料。
圖2 GLARE層壓板拼接示意圖
蜂窩夾層復(fù)合材料由夾層和蒙皮（面板）復(fù)合而成，蒙皮可以是鋁、碳／環(huán)氧復(fù)合材料等，夾層形似蜂窩，是由金屬材料、玻璃纖維或復(fù)合材料制成的一系列六邊形、四邊形及其他形狀的孔格，在夾層的上下兩面再膠接（或釬焊）上較薄的面板。鋁蜂窩夾芯復(fù)合材料的芯材由鋁箔以不同方式膠接，通過拉伸而制成不同規(guī)格的蜂窩，芯材的性能主要通過鋁箔的厚度和孔格大小來控制，具有比強度和比剛度高、抗沖擊性能好、減振、透微波、可設(shè)計性強等優(yōu)點，與鉚接結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)效率可提高15%~30％。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料可用來制作各種壁板，用于翼面、艙面、艙蓋、地板、發(fā)動機護罩、消聲板、隔熱板、衛(wèi)星星體外殼、拋物面天線、火箭推進劑儲箱箱底等。但是，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在某些環(huán)境中易腐蝕，受沖擊時，蜂窩夾層會發(fā)生永久變形，使蜂窩夾層與蒙皮發(fā)生分離。
下表2為美國軍機用結(jié)構(gòu)材料的百分比，總的變化趨勢是復(fù)合材料和鈦合金的用量逐漸增多，鋁合金的用量有所下降。
表2 美國軍機用結(jié)構(gòu)材料的百分比
下表3為典型干線飛機用材比例，B787的復(fù)合材料占50%，A350的復(fù)合材料占52 % ,大量應(yīng)用復(fù)合材料將成為航空航天領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。復(fù)合材料減重效果好，耐損傷、抗腐蝕、耐久性好，適合機敏結(jié)構(gòu)，但是，復(fù)合材料成本很高，抗沖擊性能差，無塑性，技術(shù)難度增加，可維修性差、再生利用性差。因此，A320neo和B737MAX的復(fù)合材料用量并未比A320和B737增加。表3 典型干線飛機用材比例(%)
機型 | 鋁合金 | 鋼鐵 | 鈦合金 | 復(fù)合材料 | 其他 |
B373 | 79 | 12 | 5 | 3 | 1 |
B747 | 79 | 13 | 4 | 3 | 1 |
B757 | 78 | 12 | 6 | 3 | 1 |
B767 | 80 | 14 | 2 | 3 | 1 |
B777 | 70 | 11 | 7 | 11 | 1 |
B787 | 20 | 10 | 15 | 50 | 5 |
A300 | 76 | 13 | 4 | 5 | 2 |
A310 | 74 | 8 | 5 | 6 | 7 |
A320 | 66 | 6 | 5 | 15 | 8 |
A330/A340 | 66 | 5 | 5 | 16 | 8 |
A380 | 61 | 5 | 5 | 22 | 7 |
A350 | 20 | 7 | 14 | 52 | 7 |
MD-82 | 74.5 | 12 | 6 | 7.5 | - |
MS-21 | 33 | 5 | 19 | 38 | 5 |
C919 | 63 | 8 | 8 | 21 | - |
載人飛船各艙段的結(jié)構(gòu)材料大多是鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料，如航天飛機的軌道器大部分用鋁合金制造，支承主發(fā)動機的推力結(jié)構(gòu)用鈦合金制造，中機身的部分主框采用以硼纖維增強鋁合金的金屬基復(fù)合材料，貨艙艙門采用特制紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，以石墨纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料作面板。導(dǎo)彈頭部、航天器載人艙外表面和火箭發(fā)動機內(nèi)表面，要采用燒蝕材料，在熱流作用下，燒蝕材料能發(fā)生分解、熔化、蒸發(fā)、升華、侵蝕等物理和化學(xué)變化，材料表面的質(zhì)量消耗帶走大量的熱，以達到阻止載人大氣層時的熱流傳入飛行器內(nèi)部、冷卻火箭發(fā)動機燃燒室和噴管的目的。為了保持艙內(nèi)有適宜的工作溫度，載人艙段要采取輻射防熱措施，外蒙皮為耐高溫的鎳基合金或鈹板，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為耐熱鈦合金，外蒙皮與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間填以石英纖維、玻璃纖維復(fù)合陶瓷等有良好隔熱特性的材料。
隨著載人航天、探月及深空探測、高分辨率衛(wèi)星、高超速飛行器、重復(fù)使用運載器、空間機動飛行器等航天工程的實施和不斷發(fā)展，對材料提出了全新的、更加苛刻的要求，為航天新材料的發(fā)展提供了新的契機和動力，材料領(lǐng)域必須盡早在材料體系創(chuàng)新、關(guān)鍵原材料自主保障以及工程應(yīng)用等方面取得重大突破。 航空材料輕量化不僅可以提升運力、降低能耗，還能減少成本，帶來直接的經(jīng)濟利潤。在高端裝備領(lǐng)域，輕量化是裝備發(fā)展的永恒主題。舉例說明：戰(zhàn)斗機重量若減輕15％，則可縮短飛機滑跑距離15％，增加航程20％，提高有效載荷30％。目前世界各國十分重視研制和開發(fā)航空航天用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。 鋁合金憑借密度小、強度適中、易加工成形、耐腐蝕性強、資源豐富、可回收性強等獨特的優(yōu)勢，受到各方的關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。當前，飛機上的蒙皮、梁、肋、桁條、隔框和起落架都可以用鋁合金制造，航天飛機的乘員艙、前機身、中機身、后機身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼亦都可以使用鋁合金制造。目前，應(yīng)用在航空民機的鋁合金材料主要有鋁合金鑄件、鋁合金鍛件、大斷面鋁合金擠壓型材、鋁合金厚板和鋁鋰合金等。在我國，大飛機的制造需求，正在強勁拉動鋁合金材料尤其是航空鋁合金材料需求。 輕量化能夠帶來更低的油耗，根據(jù)國際航協(xié)的數(shù)據(jù)，燃油成本大約占航空總成本的26%。而在國內(nèi)部分航空公司，燃油成本甚至要占到40%。對于飛機這個吞油獸來說，材料輕量化帶來的油耗降低就不容小覷，如果減少2500kg的目標，實際可以減少20%的油耗，那航空成本就可以降低很多。 輕量化還可以帶來更高的運力，在這里需要了解一個重要的飛機性能：推重比。推重比通常有兩個定義：發(fā)動機的推重比和飛行器的推重比。這里我們重點關(guān)注后者，即飛行器的推重比，它是指飛機在海平面最大靜推力與飛機起飛重量之比。通常，增大推重比有兩個途徑，其中之一就是減小飛行器自重，即輕量化。推重比的增大，對飛機而言就可以擁有更高的運力，更高的運力所帶來的收入也是可觀的。 此外輕量化對于綠色經(jīng)濟也是功不可沒，從航空器的制造全生命周期中，使用不同的材料導(dǎo)致的碳排放量更是不一樣，若使用輕量化材料可以極大地減少碳排放量，為綠色經(jīng)濟創(chuàng)收。
參考資料：《航空航天用先進材料》.李紅英，汪冰峰等
《材料簡史及材料未來》瓦茨拉夫?斯米爾
