熱鬧的航空領地爭奪戰：金屬和復合材料之爭

　　航空材料學家堅持不懈，一直以提高材料強度，減輕飛機重量，提高飛行效率為目標。目前碳纖維增強已經逐漸從次承力結構部件應用躍升機翼、機身等主承力構件的必選材料，與傳統的鋁合金之間拉開了一場難分勝負的較量。新的科技技術的進步促使復合材料快速成熟的同時，鋁合金等傳統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身壁板驗證件
　　先進復合材料產品和工藝持續改進，碳纖維跨入高強高模時代
　　復合材料用量已成為衡量航空裝備的先進性標志之一。碳纖維復合材料目前在小型商務飛機和直升機上的使用量已占70%~80%，在軍用飛機上占30%~40%，在大型客機上占15%~50%。
　　碳纖維復合材料存在性能欠缺、加工工藝繁復、成本高等問題。碳纖維復合材料除了具有優異比強度、比剛度和耐腐蝕等優點外，其外形制造可以高完整性一次成形，在一個加工周期內成形機翼整體帶筋壁板和機身整體筒形帶筋壁板，極大地減少了緊固件的使用；而且，碳纖維復合材料采用加成制造方法成形結構件，在保持了強度等性能的同時，避免了金屬切削加工造成的大量原材料浪費。然而，碳纖維復合材料還具有一些顯著的缺點，比如，碳纖維技術進步緩慢，目前的航空主流碳纖維仍是采用30年前的產品；機翼、機身這樣的主承力構件固化通常需要熱壓罐，能耗大且費時；原材料和加工成本高、經濟可承受性較差；環保性、防腐性和回收性有待提高。
      
                                                              洛·馬X-55運輸機全復合材料機身
　　復合材料充分利用先進技術創新，改進自身缺陷。第三代碳纖維產品實現跨代發展。目前主流航空航天級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品，由于模量較低、碳纖維材料脆性大，容易導致復合材料構件的疲勞損傷，發生災難性破壞。高端航空產品一直迫切需要綜合性能更高的碳纖維原材料，特別是高強度和高模量兼備的碳纖維原材料。2014年，東麗公司宣布研制出新型碳纖維T1100G，其拉伸強度較T800S分別提高12%，同時拉伸模量較T800S和T1000G均高10%，屬于高強高模類型碳纖維產品。這被認為是第三代碳纖維產品。T1100G有望替代現有飛機結構件中采用的T800S，改善飛機主承力結構的性能，進一步擴大碳纖維增強復合材料的比例，減輕飛機重量，提高燃油效率。
　　非熱壓罐制造工藝改進傳統固化工藝。非熱壓罐（OOA）成形一直是業界創新研究的重點，有望實現復合材料的快速生產和制造成本降低而備受關注。目前在這個領域，已經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先進全復合材料運輸機及其18米長的全復合材料機身，波音和空客合作制造的波音787后壓力隔框和2.5米長的翼梁驗證件，斯普利特航空系統公司制造的X-47B無人機中機身驗證件，GKN航宇公司制造的下一代復合材料整體機翼驗證件， Quickstep公司利用壓力艙成形制造的F-35零件，Duqueine集團利用模壓成形制造的A350機身框架組件，以及波音和洛·馬分別應用基于非熱壓罐成形的自動絲束鋪放工藝制造大型部件等。
　　熱塑性復合材料有望應用到主承力結構件。以連續纖維或長纖維增強的高性能熱塑性復合材料，既具有熱固性復合材料那樣良好的綜合力學性能，又在材料韌性、耐腐蝕性、耐磨性及耐溫性方面有明顯的優勢，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境壓力，具有良好的發展和應用前景。目前空客在這方面處于位置，已從次承力結構件向主承力結構件發展。美國海軍陸戰隊的西科斯基CH-53K重型直升機的貨廂底板代表了低成本熱塑性復合材料制造和組裝的另一個有效的應用。
　　輕質高強高韌金屬材料重振雄風，
　　第三代鋁鋰合金問世
　　鋁合金仍是飛機結構的主選材料。盡管復合材料發展迅速，然而不管復合材料的推崇者們怎樣鼓吹其優異的性能，鋁合金仍然是飛機結構的除復合材料之外的不二材料；特別是隨著大量采用復合材料的飛機逐步邁入市場，復合材料在材料屬性、設計經驗、制造水平和維修維護方面存在問題，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鋁合金長期存在的問題。傳統高純鋁合金材料由于過重，已經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“金屬復興之路”的重要籌碼。第三代鋁鋰合金在添加鋰元素時，更加注重合金強度與疲勞裂紋擴展性能兩者之間的平衡。通過降低鋰含量（約為1%~2%）及優化熱機械處理制度，克服了早期鋁鋰合金的缺點，從而獲得實際應用。美鋁公司稱，與碳纖維復合材料相比，鋁鋰合金材料不僅氣動性好、防腐能力強、可回收，并且重量還要輕10%，制造、運行、維修成本要低30%，總體的風險更低。
　　鋁合金制造商采取多項攻勢，
　　為鋁合金重新獲得應用造勢
　　美鋁公司推出多個第三代鋁鋰合金型號。在美鋁的第三代鋁鋰合金產品中，2099和2199分別是目前的旗艦產品和未來的主打產品。2099型低密度、高強度模壓合金，剛度、損傷容限、耐腐蝕性和焊接性都相當高，在對抗片狀剝落腐蝕上，比現有的7150型鋁合金要高出一大截。目前，該型合金已經用到了波音787、空客A350、A380和龐巴迪C系列飛機上。2199型板材，具備高模量、高強度、低密度、低光譜疲勞裂紋增長率等屬性，適合用在機身和下翼蒙皮上，比傳統鋁合金可以實現20%的減重。在應力腐蝕試驗中，2099和2199型第三代鋁鋰合金，應力腐蝕極限強度達到了傳統的7150和2024型鋁合金的數倍。預計，2199型合金將會成為波音737-max和空客A320neo機身和下翼面的重要材料。
　　肯聯公司AirWare系列產品助力第三代鋁鋰合金。法國肯聯公司大量投資新的AirWare系列鋁合金產品具有低密度、高剛度和更好的損傷容限等特征，結合重新設計的結構和先進焊接技術，使用該材料可減少高達25%的結構重量。其產品有三種形式：I-Gauge型低密度板材，用于165毫米厚的構件，耐腐蝕性比傳統鋁合金提高46%，耐疲勞性提高25%；I-Form型薄板材，可以設計成復雜的三維曲面形狀而不損失力學性能，同時減少制造步驟，比傳統鋁合金構件輕3%、韌性高47%、耐腐蝕性高40%，適合飛機機頭和機尾結構；I-Core型低密度、高強度模壓合金，防撞性能優越，適合貨艙地板梁。
　　飛機制造商的“兩全”選擇。目前就這兩種材料的發展狀況而言，碳纖維復合材料并不能完全取代鋁鋰合金；鋁鋰合金也不能擋住復合材料在部件應用中的不斷成熟的步伐。兩種材料的研制方都在抓緊時間爭取技術上的創新，克服材料自身存在的缺陷，如復合材料有望在提高增強體強度的基礎上，改進傳統熱壓罐制造工藝，縮短加工時間及成本；鋁鋰合金則需要進一步提高強度、耐腐蝕和損傷韌性。
　　面對復合材料與金屬之爭，波音、空客等大型飛機制造商并沒有冷眼觀潮，看兩方惡斗，而是黑白兼顧，各有側重和扶持。在復合材料方面，他們主動探索低成本、高效率的機翼和機身制造技術，繼續推進波音787和A350的制造技術改進；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、激光噴丸等先進工藝上尋求突破，持續用于波音747-8和A380的效率改進以及波音737-max和空客A320neo的性能提升。在可預見的未來，碳纖維復合材料和先進鋁鋰合金的競爭還會加劇，為裝備發展提供更為先進的先行材料。
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