航空材料學(xué)家堅(jiān)持不懈，一直以提高材料強(qiáng)度，減輕飛機(jī)重量，提高飛行效率為目標(biāo)。目前碳纖維增強(qiáng)已經(jīng)逐漸從次承力結(jié)構(gòu)部件應(yīng)用躍升機(jī)翼、機(jī)身等主承力構(gòu)件的必選材料，與傳統(tǒng)的鋁合金之間拉開了一場(chǎng)難分勝負(fù)的較量。新的科技技術(shù)的進(jìn)步促使復(fù)合材料快速成熟的同時(shí)，鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料也不斷挖掘潛力、推陳出新，展開新一輪的拉鋸。
美鋁公司鋁鋰合金機(jī)身壁板驗(yàn)證件
先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品和工藝持續(xù)改進(jìn)，碳纖維跨入高強(qiáng)高模時(shí)代
復(fù)合材料用量已成為衡量航空裝備的先進(jìn)性標(biāo)志之一。碳纖維復(fù)合材料目前在小型商務(wù)飛機(jī)和直升機(jī)上的使用量已占70%~80%，在軍用飛機(jī)上占30%~40%，在大型客機(jī)上占15%~50%。
碳纖維復(fù)合材料存在性能欠缺、加工工藝繁復(fù)、成本高等問題。碳纖維復(fù)合材料除了具有優(yōu)異比強(qiáng)度、比剛度和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)外，其外形制造可以高完整性一次成形，在一個(gè)加工周期內(nèi)成形機(jī)翼整體帶筋壁板和機(jī)身整體筒形帶筋壁板，極大地減少了緊固件的使用；而且，碳纖維復(fù)合材料采用加成制造方法成形結(jié)構(gòu)件，在保持了強(qiáng)度等性能的同時(shí)，避免了金屬切削加工造成的大量原材料浪費(fèi)。然而，碳纖維復(fù)合材料還具有一些顯著的缺點(diǎn)，比如，碳纖維技術(shù)進(jìn)步緩慢，目前的航空主流碳纖維仍是采用30年前的產(chǎn)品；機(jī)翼、機(jī)身這樣的主承力構(gòu)件固化通常需要熱壓罐，能耗大且費(fèi)時(shí)；原材料和加工成本高、經(jīng)濟(jì)可承受性較差；環(huán)保性、防腐性和回收性有待提高。
洛·馬X-55運(yùn)輸機(jī)全復(fù)合材料機(jī)身
復(fù)合材料充分利用先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，改進(jìn)自身缺陷。第三代碳纖維產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)跨代發(fā)展。目前主流航空航天級(jí)碳纖維采用日本東麗公司的T800S。T800S是繼代碳纖維T300之后，推出的第二代碳纖維產(chǎn)品，由于模量較低、碳纖維材料脆性大，容易導(dǎo)致復(fù)合材料構(gòu)件的疲勞損傷，發(fā)生災(zāi)難性破壞。高端航空產(chǎn)品一直迫切需要綜合性能更高的碳纖維原材料，特別是高強(qiáng)度和高模量兼?zhèn)涞奶祭w維原材料。2014年，東麗公司宣布研制出新型碳纖維T1100G，其拉伸強(qiáng)度較T800S分別提高12%，同時(shí)拉伸模量較T800S和T1000G均高10%，屬于高強(qiáng)高模類型碳纖維產(chǎn)品。這被認(rèn)為是第三代碳纖維產(chǎn)品。T1100G有望替代現(xiàn)有飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中采用的T800S，改善飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)的性能，進(jìn)一步擴(kuò)大碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比例，減輕飛機(jī)重量，提高燃油效率。
非熱壓罐制造工藝改進(jìn)傳統(tǒng)固化工藝。非熱壓罐（OOA）成形一直是業(yè)界創(chuàng)新研究的重點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的快速生產(chǎn)和制造成本降低而備受關(guān)注。目前在這個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)取得了眾多豐碩的成果，這其中，比較典型的有：洛·馬公司制造出的X-55先進(jìn)全復(fù)合材料運(yùn)輸機(jī)及其18米長的全復(fù)合材料機(jī)身，波音和空客合作制造的波音787后壓力隔框和2.5米長的翼梁驗(yàn)證件，斯普利特航空系統(tǒng)公司制造的X-47B無人機(jī)中機(jī)身驗(yàn)證件，GKN航宇公司制造的下一代復(fù)合材料整體機(jī)翼驗(yàn)證件， Quickstep公司利用壓力艙成形制造的F-35零件，Duqueine集團(tuán)利用模壓成形制造的A350機(jī)身框架組件，以及波音和洛·馬分別應(yīng)用基于非熱壓罐成形的自動(dòng)絲束鋪放工藝制造大型部件等。
熱塑性復(fù)合材料有望應(yīng)用到主承力結(jié)構(gòu)件。以連續(xù)纖維或長纖維增強(qiáng)的高性能熱塑性復(fù)合材料，既具有熱固性復(fù)合材料那樣良好的綜合力學(xué)性能，又在材料韌性、耐腐蝕性、耐磨性及耐溫性方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，在工藝上還具有良好的二次或多次成型和易于回收的特性，有利于資源充分利用和減少環(huán)境壓力，具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景。目前空客在這方面處于位置，已從次承力結(jié)構(gòu)件向主承力結(jié)構(gòu)件發(fā)展。美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的西科斯基CH-53K重型直升機(jī)的貨廂底板代表了低成本熱塑性復(fù)合材料制造和組裝的另一個(gè)有效的應(yīng)用。
輕質(zhì)高強(qiáng)高韌金屬材料重振雄風(fēng)，
第三代鋁鋰合金問世
鋁合金仍是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主選材料。盡管復(fù)合材料發(fā)展迅速，然而不管復(fù)合材料的推崇者們?cè)鯓庸拇灯鋬?yōu)異的性能，鋁合金仍然是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的除復(fù)合材料之外的不二材料；特別是隨著大量采用復(fù)合材料的飛機(jī)逐步邁入市場(chǎng)，復(fù)合材料在材料屬性、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、制造水平和維修維護(hù)方面存在問題，波音787的交付延遲有很大一部分原因就在合作伙伴復(fù)合材料能力不足，而這些問題也使得一些制造商們又重新將目光投向了鋁合金。
第三代鋁鋰合金攻克傳統(tǒng)鋁合金長期存在的問題。傳統(tǒng)高純鋁合金材料由于過重，已經(jīng)逐漸被鋁鋰合金淘汰掉。然而，、二代鋁鋰合金由于為追求密度降低大化，致使鋰含量過高，導(dǎo)致合金加工性、耐蝕性及損傷容限性能較差。第三代鋁鋰合金無疑是“金屬復(fù)興之路”的重要籌碼。第三代鋁鋰合金在添加鋰元素時(shí)，更加注重合金強(qiáng)度與疲勞裂紋擴(kuò)展性能兩者之間的平衡。通過降低鋰含量（約為1%~2%）及優(yōu)化熱機(jī)械處理制度，克服了早期鋁鋰合金的缺點(diǎn)，從而獲得實(shí)際應(yīng)用。美鋁公司稱，與碳纖維復(fù)合材料相比，鋁鋰合金材料不僅氣動(dòng)性好、防腐能力強(qiáng)、可回收，并且重量還要輕10%，制造、運(yùn)行、維修成本要低30%，總體的風(fēng)險(xiǎn)更低。
鋁合金制造商采取多項(xiàng)攻勢(shì)，
為鋁合金重新獲得應(yīng)用造勢(shì)
美鋁公司推出多個(gè)第三代鋁鋰合金型號(hào)。在美鋁的第三代鋁鋰合金產(chǎn)品中，2099和2199分別是目前的旗艦產(chǎn)品和未來的主打產(chǎn)品。2099型低密度、高強(qiáng)度模壓合金，剛度、損傷容限、耐腐蝕性和焊接性都相當(dāng)高，在對(duì)抗片狀剝落腐蝕上，比現(xiàn)有的7150型鋁合金要高出一大截。目前，該型合金已經(jīng)用到了波音787、空客A350、A380和龐巴迪C系列飛機(jī)上。2199型板材，具備高模量、高強(qiáng)度、低密度、低光譜疲勞裂紋增長率等屬性，適合用在機(jī)身和下翼蒙皮上，比傳統(tǒng)鋁合金可以實(shí)現(xiàn)20%的減重。在應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)中，2099和2199型第三代鋁鋰合金，應(yīng)力腐蝕極限強(qiáng)度達(dá)到了傳統(tǒng)的7150和2024型鋁合金的數(shù)倍。預(yù)計(jì)，2199型合金將會(huì)成為波音737-max和空客A320neo機(jī)身和下翼面的重要材料。
肯聯(lián)公司AirWare系列產(chǎn)品助力第三代鋁鋰合金。法國肯聯(lián)公司大量投資新的AirWare系列鋁合金產(chǎn)品具有低密度、高剛度和更好的損傷容限等特征，結(jié)合重新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和先進(jìn)焊接技術(shù)，使用該材料可減少高達(dá)25%的結(jié)構(gòu)重量。其產(chǎn)品有三種形式：I-Gauge型低密度板材，用于165毫米厚的構(gòu)件，耐腐蝕性比傳統(tǒng)鋁合金提高46%，耐疲勞性提高25%；I-Form型薄板材，可以設(shè)計(jì)成復(fù)雜的三維曲面形狀而不損失力學(xué)性能，同時(shí)減少制造步驟，比傳統(tǒng)鋁合金構(gòu)件輕3%、韌性高47%、耐腐蝕性高40%，適合飛機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾結(jié)構(gòu)；I-Core型低密度、高強(qiáng)度模壓合金，防撞性能優(yōu)越，適合貨艙地板梁。
飛機(jī)制造商的“兩全”選擇。目前就這兩種材料的發(fā)展?fàn)顩r而言，碳纖維復(fù)合材料并不能完全取代鋁鋰合金；鋁鋰合金也不能擋住復(fù)合材料在部件應(yīng)用中的不斷成熟的步伐。兩種材料的研制方都在抓緊時(shí)間爭取技術(shù)上的創(chuàng)新，克服材料自身存在的缺陷，如復(fù)合材料有望在提高增強(qiáng)體強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，改進(jìn)傳統(tǒng)熱壓罐制造工藝，縮短加工時(shí)間及成本；鋁鋰合金則需要進(jìn)一步提高強(qiáng)度、耐腐蝕和損傷韌性。
面對(duì)復(fù)合材料與金屬之爭，波音、空客等大型飛機(jī)制造商并沒有冷眼觀潮，看兩方惡斗，而是黑白兼顧，各有側(cè)重和扶持。在復(fù)合材料方面，他們主動(dòng)探索低成本、高效率的機(jī)翼和機(jī)身制造技術(shù)，繼續(xù)推進(jìn)波音787和A350的制造技術(shù)改進(jìn)；在鋁合金方面，他們積極采用第三代鋁鋰合金，并且在激光焊接、攪拌摩擦焊、激光噴丸等先進(jìn)工藝上尋求突破，持續(xù)用于波音747-8和A380的效率改進(jìn)以及波音737-max和空客A320neo的性能提升。在可預(yù)見的未來，碳纖維復(fù)合材料和先進(jìn)鋁鋰合金的競(jìng)爭還會(huì)加劇，為裝備發(fā)展提供更為先進(jìn)的先行材料。
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