航空工業(yè)的發(fā)展，尤其是新一代大型民用飛機(jī)的研制，帶動(dòng)并促進(jìn)了復(fù)合材料技術(shù)的飛速發(fā)展。而先進(jìn)復(fù)合材料在新一代大型民用飛機(jī)上的成功應(yīng)用,則為未來(lái)民用飛機(jī)的發(fā)展確立了新的標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)準(zhǔn)入門檻。

以2003年波音787項(xiàng)目的啟動(dòng)為標(biāo)志，航空材料的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全新階段，即“全復(fù)合材料飛機(jī)”時(shí)代,其意義不亞于20世紀(jì)以鋁合金為主流材料時(shí)代的出現(xiàn)。雖然“全復(fù)合材料”的說(shuō)法略顯夸張,但這也從某種程度上說(shuō)明,復(fù)合材料確實(shí)明顯地改變了航空工業(yè)的生產(chǎn)模式，對(duì)傳統(tǒng)的金屬材料構(gòu)成了威脅。

然而，在飛機(jī)制造商大膽采用新材料的同時(shí)，一些案例也從另一個(gè)側(cè)面反映了在某些情況下，制造商對(duì)于復(fù)合材料的使用有些過(guò)于草率和激進(jìn)了?？湛驮谶M(jìn)行A380飛機(jī)金屬主機(jī)翼研發(fā)時(shí)，為了應(yīng)對(duì)減重的目標(biāo)，決定將內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的幾根翼肋采用復(fù)合材料生產(chǎn)，并通過(guò)鋁制支架連接到金屬機(jī)翼蒙皮上。這樣每個(gè)機(jī)翼大約能夠減少300公斤的重量。

但在投入運(yùn)營(yíng)后，多架A380飛機(jī)機(jī)翼出現(xiàn)裂縫，造成開裂的原因很有可能是因?yàn)楹洵h(huán)境造成的金屬與復(fù)合材料之間的熱應(yīng)力問題。由于對(duì)材料界面性能的了解不夠徹底，導(dǎo)致空客的設(shè)計(jì)師們未能充分考慮到這方面的原因。最后，空客不得不根據(jù)所需的強(qiáng)度、重量和抗疲勞等性能要求，定制了一個(gè)新的鋁材牌號(hào)，并重新改用金屬－金屬界面的連結(jié)方式，空客公司為此付出了上億歐元的代價(jià)。這一事件使得業(yè)界對(duì)如何合理使用新材料，如何讓新舊材料更好地融合，而非一味激進(jìn)地追求新材料的使用率產(chǎn)生了新的思考。

新舊交鋒

過(guò)去幾十年,民機(jī)復(fù)合材料用量顯著增加。上世紀(jì)70年代至80年代初,雷達(dá)罩、機(jī)身整流罩、內(nèi)裝飾結(jié)構(gòu)、控制面板等應(yīng)用了復(fù)合材料,材料用量約占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的1%～3%。隨著復(fù)合材料工業(yè)的成熟以及成本降低,A320、波音777等復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的10%～15%。如今，新一代飛機(jī)中，A380的結(jié)構(gòu)重量約1/4是復(fù)合材料,單機(jī)復(fù)合材料約30噸。復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量50%的波音787飛機(jī)更具有革命性,其典型特征是全復(fù)合材料的機(jī)身,并在機(jī)翼、短艙及內(nèi)裝飾加大了復(fù)合材料的用量。受波音787的推動(dòng),A350XWB飛機(jī)復(fù)合材料用量增加至53%。

但這并不意味著傳統(tǒng)的金屬材料會(huì)“坐以待斃”。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期考驗(yàn)并不斷改進(jìn)的傳統(tǒng)金屬材料，如鋁、鈦、鋼及高溫合金等仍是制造商的首選。

以鈦合金為例，由于具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn),其在軍用和民用飛機(jī)上的用量不斷增加,已成為航空領(lǐng)域不可或缺的重要材料。其中，F(xiàn)-22及F-35等飛機(jī)鈦合金的用量均達(dá)到其結(jié)構(gòu)重量的40%。

另一個(gè)常用的是鋁合金材料，第三代鋁鋰合金投入使用后，正逐步替代復(fù)合材料。龐巴迪C系列飛機(jī)所采用的鋁鋰合金就是碳纖維復(fù)合材料一個(gè)強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。這種材料還被空客用于A350的翼肋、座椅導(dǎo)軌以及其他零部件上。究其原因，是因?yàn)檫@種鋁鋰合金能夠很好地適應(yīng)現(xiàn)有的金屬制造技術(shù)、供應(yīng)鏈和裝配方法，從而幫助制造商提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，重量相對(duì)傳統(tǒng)鋁材降低了5%，并具有良好的防腐蝕能力和機(jī)械性能。

此外，新的生產(chǎn)技術(shù)也提高了使用金屬材料的呼聲。目前波音公司有一個(gè)計(jì)劃，就是嘗試實(shí)現(xiàn)金屬機(jī)身面板上緊固件的自動(dòng)化安裝，該工藝目前需要技術(shù)熟練的工人結(jié)對(duì)進(jìn)行工作。如果能夠成功改用自動(dòng)化生產(chǎn)線，將大大提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。在金屬材料制造方面，堆積制造技術(shù)（3D打?。┦橇硪粋€(gè)潛在的變革者，該項(xiàng)技術(shù)最早在支架生產(chǎn)、燃料噴嘴以及類似尺寸的零部件生產(chǎn)中得到應(yīng)用，但是未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)將有望被用于大型零部件的生產(chǎn)。GE很有可能成為“第一個(gè)吃螃蟹的人”，據(jù)悉公司計(jì)劃用3D打印技術(shù)來(lái)生產(chǎn)低壓渦輪葉片。

另一場(chǎng)金屬材料的勝利則由波音公司決定從復(fù)合材料轉(zhuǎn)投金屬材料開始，這項(xiàng)決定針對(duì)其為737MAX研發(fā)的新款發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙零部件。在裝備這款飛機(jī)的LEAP-1B發(fā)動(dòng)機(jī)上，其推力反相器內(nèi)殼將采用鈦金屬，而不是用于CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)上的復(fù)合材料。波音公司表示，比起使用復(fù)合材料內(nèi)襯，這款金屬內(nèi)襯更輕，也能讓機(jī)艙變得更小。

可見，雖然在減少零部件數(shù)量方面，復(fù)合材料仍然占據(jù)上風(fēng)，只要采用適當(dāng)?shù)募庸し椒?，?fù)合材料仍然具備減重和降低成本的優(yōu)勢(shì)。但因?yàn)榻饘俨牧蠐碛型晟频脑O(shè)計(jì)規(guī)范和應(yīng)用史，在條件允許的前提下，許多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)依然刻意避開復(fù)合材料的使用，而沉迷于金屬帶來(lái)的熟悉感和親切感。

融合為王

事實(shí)上，對(duì)于飛機(jī)制造商來(lái)說(shuō)，不論選用何種材料，最終的目的都是希望能夠在保證安全的前提下，盡可能地減輕飛機(jī)重量，從而降低油耗。因此，如何更好地在兩種材料之間進(jìn)行取舍，或是優(yōu)化飛機(jī)設(shè)計(jì)，使不同性能的材料實(shí)現(xiàn)物盡其用才是最重要的。

過(guò)去，制造商往往花費(fèi)較大精力在新材料的使用上。例如，20世紀(jì)80年代末,曾有這樣一種觀點(diǎn)，即陶瓷、金屬基復(fù)合材料,以及金屬間化合物等將代替高溫合金材料。當(dāng)時(shí)這種觀點(diǎn)得到了一些政府的認(rèn)可,航空用高溫合金替代材料獲得快速發(fā)展,并在一些地面試驗(yàn)中獲得了成功,但直到現(xiàn)在,這些替代材料的應(yīng)用仍十分有限。

金屬基復(fù)合材料的使用同樣如此，雖然在一些發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)時(shí)很成功,但仍不能廣泛應(yīng)用,其結(jié)果是人們對(duì)研制替代材料產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)與效益有了更現(xiàn)實(shí)的態(tài)度,從而出現(xiàn)了高風(fēng)險(xiǎn)/高效益材料與中等風(fēng)險(xiǎn)/中等效益材料齊頭并進(jìn)的局面。例如，NASA目前就將研究工作的重點(diǎn)放在陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料上,而對(duì)金屬基復(fù)合材料與金屬間化合物的研究逐漸降溫,僅對(duì)鈦鋁合金給予一定的重視。

有鑒于此，一些飛機(jī)制造商轉(zhuǎn)而從飛機(jī)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，將金屬材料和復(fù)合材料結(jié)合使用，從綜合效果出發(fā)實(shí)現(xiàn)減重的目標(biāo)。例如，一片采用復(fù)合材料制作的蒙皮并包覆在金屬骨架上的機(jī)翼，就像是兩種材料間的合作，每種材料都被用在其特有的材料特性能夠發(fā)揮最佳優(yōu)勢(shì)的地方。龐巴迪的C系列機(jī)型采用復(fù)合材料機(jī)翼和金屬機(jī)身的方案也是如此。此外，貝爾直升機(jī)公司和洛克希德?馬丁公司合作研發(fā)的第三代傾轉(zhuǎn)旋翼直升機(jī)中使用了GKN航空航天公司所研發(fā)的新材料。這種材料將最新的金屬和復(fù)合材料技術(shù)相結(jié)合，用于生產(chǎn)新飛機(jī)關(guān)鍵的V型尾翼及其關(guān)聯(lián)組件。

另一個(gè)有趣的案例是復(fù)合材料、鋁合金和鈦金屬之間的“親密接觸”。在類似翼根這樣的高受壓區(qū)域，過(guò)去往往采用鋁合金材料，但由于這種材料過(guò)重，因此逐漸被鈦金屬和復(fù)合材料所取代?，F(xiàn)在這種應(yīng)用已經(jīng)拓展至中央翼盒，制造商們開始更傾向于使用復(fù)合材料、鈦合金和鋁合金的組合型材料，以期在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，盡可能地減輕重量。

除此之外，制造商們還將目光投射到了行業(yè)以外。過(guò)去，曾有設(shè)計(jì)師指出，復(fù)合材料缺乏像鋁材一樣的延展性，在碰撞中的防護(hù)性較差。但是在F1賽車場(chǎng)上，即使在時(shí)速200英里時(shí)發(fā)生碰撞，復(fù)合材料的車身也同樣能夠保護(hù)駕駛者的安全。受此啟發(fā)，目前在直升機(jī)領(lǐng)域，就有制造商正在研究如何通過(guò)設(shè)計(jì)，將金屬材料與復(fù)合材料相結(jié)合，提高直升機(jī)的防撞性能。