航空航天·为什么说“一代材料，一代飞机”--浅谈飞机主结构材料的发展历程

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引言

材料科学是现代科技和国民经济发展的重要支撑学科。作为装备器材结构和性能实现的具体依托，材料技术的进步也直接影响和制约着装备制造业的选材体系和总体效能的提升；而装备制造业在实际运用中提出的性能需求、形成的各种经验和设计准则又反馈回材料研制方，对材料性能提出新的要求，从而推动着材料技术的不断前进。这也就是为什么人们常说“一代材料，一代装备”，具体结合航空制造业而言则是“一代材料，一代飞机”。而结构减重是飞机设计中矢志不渝追求的目标，因此对结构材料性能的要求往往归结于轻质高强。自20世纪初，莱特兄弟制造世界上首架能够自由飞行，并且完全可以操纵的动力飞机以来，航空材料技术的进步与航空装备技术的进步就存在着紧密依存，互相促进的关系。时至今日，按照飞机机体主结构材料的发展阶段，大致可以分为五个发展阶段。

第一阶段：1903年——1919年

这一时代的飞机结构材料主要以木料和布料为主，支撑结构往往采用云杉木，螺旋桨使用胡桃木，机翼蒙皮则运用麻布等。

第二阶段：1920年——1949年

伴随冶金技术的发展，飞机材料也逐渐转变为以铝和钢为代表的金属材料为主。其中为代表性的是1919年，由德国容克公司研制的世界首架全金属客机JunkersF.13，其机翼结构的翼梁和蒙皮已广泛采用铝合金材料。在第二次世界大战中，德国研制的多型号战斗机如Me 109等也大规模采用了铝合金材料。

第三阶段：1950年——1969年

随着时间步入50年代，钛合金技术的进步促进了航空材料进入新的阶段，这一时期飞机结构材料以铝合金、钛合金和钢为主。钛合金材料由于比强度高、耐高温、耐腐蚀性能好等特点成为这一时代众多名机的主承力结构材料。其中为代表的是美国格鲁门公司研制的F-14“雄猫”战机（拍摄于1986年的电影《壮志凌云》中汤姆·克鲁斯驾驶的就是该型航母舰载机），该机的可变后掠机翼设计对材料性能也提出了更高的要求。但是，钛合金较高的生产成本和加工成型的复杂性也制约了该材料的大规模应用。

第四阶段：1970年——21世纪初

进入上世纪70年代，随着碳纤维复合材料的研制成熟，采用树脂基体、碳纤维增强相的复合材料在机体结构研制中得到了运用。这一时期飞机主结构材料的特点为：铝合金、钛合金、钢和复合材料（以铝合金为主）。在前文民机科普之——图话“波音”VS“空客”中提到过的B777飞机是波音首款使用复合材料制造的飞机，其机体结构约有10%运用复合材料，集中于机身尾段的结构，使结构减轻了9%。使用复合材料的结构还有襟翼、副翼、升降舵、方向舵等。

第五阶段：21世纪至今

金属材料对飞行中循环载荷造成的疲劳非常敏感，而复合材料除了相较于金属材料更高的比强度、比刚度、良好的耐腐蚀性性能外，由于其优异的抗疲劳特性导致在当下设计中往往采用“静力覆盖疲劳”的思路。进入新世纪，以波音和空客为首的世界航空制造业巨头竞相在新研的先进客机如B787和A350上大规模采用复合材料，其运用比例已达到或超过50%，在机翼等许多承力结构上也得到了广泛应用。

上图为A350飞机选材方案，此时复合材料的用量已在一定程度上成为衡量民机先进性的重要指标之一。当前阶段，机体结构主要材料包括复合材料、铝合金、钛合金和钢（以复合材料为主）

展望未来

轻质高强是航空结构材料的永恒追求。展望未来，新一代高模高强复合材料、先进合金材料及与之相关的低成本制造工艺、成型技术、增材制造技术等以及由新材料特性带来的新的设计理念和结构形式等都值得重点关注。

来源：航空工业科技

来源：碳纤维生产技术

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首次发布时间：2024-06-23