飞机材料进化的五部曲-木材、钢铁、铝材、钛到碳纤维复合材料

摘要

飞机材料发展历程经历了多次变革。从早期的木材、钢线和帆布到全金属结构，再到铝合金的广泛应用，飞机制造材料不断进化。战后，钛合金和碳纤维增强塑料的出现进一步推动了航空工业的发展。如今，复合材料在飞机制造中占据重要地位，如A350客机复合材料占比超过50%。未来，4D打印和数字材料等新技术有望引领飞机材料领域的革命，而3D打印金属零部件也展现出巨大潜力。

正文

金属飞机能上天吗？1915年，莱特兄弟第一次完成动力飞行12年后，航空专家们开始讨论这个热门话题。

当时，人们只能用木材、钢线和帆布来制造飞机，这样才能让飞机足够轻。完全用金属制造飞机的想法看起来在技术上和成本上仍然不可行。

但有很多人持不同看法。德国航空先驱雨果·荣克斯（Hugo Junkers）认为航空的未来不仅在于空战和飞行竞赛，还在于能够运输货物和乘客的大型运输机，这就需要对飞机制造方式进行重大改变。他设计并制造了世界上第一种全金属飞机——J 1，该机同时也成为世界上第一种单翼机。因为采用钢材制造，J 1被昵称为“锡驴”或“钣金驴”。

资料图：世界上第一种全金属飞机——J 1。

J 1作为一架技术验证机从未进入批量生产，但荣克斯大胆的想象使航空工业从此走上一条材料进化之路，使飞机更强、更轻、更快、更高效。

20世纪20-30年代：向金属过渡

荣克斯发现钢制的J 1坚韧耐用，但因过重而难以操纵。于是他把注意力转向了铝，这种金属在20世纪初普遍应用于制造领域。铝的重量轻、强度高，比重仅是钢材的三分之一，成为制造飞机的理想选择。

他采用铝合金制造出世界上首批民用客机，代表作有F 13和G 24。亨利·福特（Henry Ford）注意到了荣克斯的成就，于是大量借鉴了他的制造技术（由于借鉴程度过大，以至于荣克斯起 诉了福特），在1925年推出福特三发机。这些飞机迎来了长途客运航空时代，但直到20世纪30年代初，人们才能以较低的成本制造全金属飞机。

资料图：铝合金制造的首批民用客机G 24。

其中最重要的机型是1935年出现的道格拉斯DC-3。这型飞机速度快、可靠性高、易于维护、乘坐舒适，至今仍有数百架在服役，证明了全金属飞机有多耐用。

战后：新金属材料的出现

随着高速喷气飞机如火如荼地发展，航空航天工程师开始寻找比钢材和铝材更优秀的金属材料。由于钛的强度-密度比以及具有耐腐蚀、耐疲劳、耐高温的特点，使其成为一种具有吸引力的材料。但钛是稀缺金属，非常昂贵。

在20世纪50年代后期，航空工业开始在发动机和暴露于高温的机身部位安装钛合金小零件，如尾喷管整流罩和机翼前缘。但有限的钛储量和高昂的生产成本限制了人们对这种金属的进一步应用。

20世纪70-80年代：碳纤维的腾飞

飞机上使用的第一种轻质复合材料是玻璃纤维增强塑料，简称“玻纤”。

这种材料最早在20世纪40年代被用于制造整流罩、机鼻和驾驶舱。后来在60-70年代被用于制造直升机的旋翼叶片，如Bo 105和BK 117，以及“小羚羊”SA 340。

1975年，AS350“松鼠”直升机安装了使用玻璃纤维复合材料制造的主旋翼头，这种高度一体化的设计大大降低了零件数量。但玻纤的低刚度导致其只能被有限应用在运输机的承载主结构中。

资料图：AS350松鼠直升机安装了使用玻璃纤维复合材料制造的主旋翼头。

最后，碳纤维增强塑料成为一种真正革命性的航空材料，不仅强度重量比高于金属，而且不易疲劳和腐蚀。

空客通过给A310换装碳纤维垂尾证明自己是业内碳纤维材料应用先驱之一，减重幅度超过250公斤，这是碳纤维复合材料在喷气式客机上的开创性应用。

20世纪90年代-今天：复合材料的广泛应用

此后，碳纤维复合材料变得越来越普遍，而且随着制造技术的进步，人们能够制造出更大和更复杂的部件。

由于直升机的发动机必须能产生提升起机体全部重量的升力，所以复材在直升机领域的利用率非常高：空客“虎”式直升机的机身结构有80%使用复合材料制造，在2007年推出的NH90上，复材占比更是达到90%。

虎式直升机有80%的机体由复合材料制造。

在固定翼飞机方面，空客A380有近四分之一的结构由复合材料制造。

空客在2013年推出的A400M军用运输机有着巨大的碳纤维机翼，为后续的A350客机奠定了基础。

但金属仍未过时，空客A350仍安装了钢制和钛制零件，并且有近20%的结构采用铝锂合金制造。这种先进合金掺入了世界上最轻的金属——锂以降低铝合金的重量，同时提高其强度、韧性、耐腐蚀性和成型特性。

A350客机的复材占比超过50%，耗油率降低了25%。

未来技术：4D打印和“数字材料”的研究

制造更快、更轻和燃油效率更高的飞机的愿望驱动着航空工业不断研究和开发下一代材料。在2015年下半年，空客宣布了一种新型仿生学结构客舱隔板(Bionic Partition)，比现有设计轻45%。这种结构是用一种被称为scalmalloy的新型超强、轻质合金材料使用直接金属激光烧结成型技术3D打印而成的。

虽然如今在空客的飞机上3D打印的金属零部件已不鲜见，但是这还是首次将金属3D打印部件用于飞机机舱的设计。与现有的隔离结构相比，这种新型的仿生隔离结构有几个不同的部件组成，不仅强度更高，而且将其总量减轻了55磅。根据开发人员的计划，它将用于分隔客舱后部的厨房区域。空客预计会在2016年初对这些仿生隔离结构进行测试，如果通过的话，它们会从明年开始被安装在新制造的空客A320飞机上。

除此之外，空客公司还开展了4D打印和“数字材料”的研究，这些材料在遇到水、运动或温度变化施加的外力时会自行改变形状，取代飞机上笨重的机械控制系统。空客已经开始测试在进气口上采用该技术，或许有一天，这种材料能成为构成整个座舱的基础。

来源：波镁特防腐专家