航空工業(yè)的發(fā)展，尤其是新一代大型民用飛機的研制，帶動并促進(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上的成功應(yīng)用,則為未來民用飛機的發(fā)展確立了新的標(biāo)準(zhǔn)和市場準(zhǔn)入門檻。

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

然而，在飛機制造商大膽采用新材料的同時，一些案例也從另一個側(cè)面反映了在某些情況下，制造商對于復(fù)合材料的使用有些過于草率和激進(jìn)了。空客在進(jìn)行A380飛機金屬主機翼研發(fā)時，為了應(yīng)對減重的目標(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)，并通過鋁制支架連接到金屬機翼蒙皮上。這樣每個機翼大約能夠減少300公斤的重量。

但在投入運營后，多架A380飛機機翼出現(xiàn)裂縫，造成開裂的原因很有可能是因為寒冷環(huán)境造成的金屬與復(fù)合材料之間的熱應(yīng)力問題。由于對材料界面性能的了解不夠徹底，導(dǎo)致空客的設(shè)計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)所需的強度、重量和抗疲勞等性能要求，定制了一個新的鋁材牌號，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。這一事件使得業(yè)界對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

過去幾十年,民機復(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，新一代飛機中，A380的結(jié)構(gòu)重量約1/4是復(fù)合材料,單機復(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飛機更具有革命性,其典型特征是全復(fù)合材料的機身,并在機翼、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,A350XWB飛機復(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“坐以待斃”。經(jīng)過長期考驗并不斷改進(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，由于具有比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點,其在軍用和民用飛機上的用量不斷增加,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等飛機鈦合金的用量均達(dá)到其結(jié)構(gòu)重量的40%。

另一個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系列飛機所采用的鋁鋰合金就是碳纖維復(fù)合材料一個強大的競爭對手。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，是因為這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，重量相對傳統(tǒng)鋁材降低了5%，并具有良好的防腐蝕能力和機械性能。

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計劃，就是嘗試實現(xiàn)金屬機身面板上緊固件的自動化安裝，該工藝目前需要技術(shù)熟練的工人結(jié)對進(jìn)行工作。如果能夠成功改用自動化生產(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€潛在的變革者，該項技術(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，但是未來這項技術(shù)將有望被用于大型零部件的生產(chǎn)。GE很有可能成為“第一個吃螃蟹的人”，據(jù)悉公司計劃用3D打印技術(shù)來生產(chǎn)低壓渦輪葉片。

另一場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，這項決定針對其為737MAX研發(fā)的新款發(fā)動機機艙零部件。在裝備這款飛機的LEAP-1B發(fā)動機上，其推力反相器內(nèi)殼將采用鈦金屬，而不是用于CFM56發(fā)動機上的復(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。但因為金屬材料擁有完善的設(shè)計規(guī)范和應(yīng)用史，在條件允許的前提下，許多設(shè)計團(tuán)隊依然刻意避開復(fù)合材料的使用，而沉迷于金屬帶來的熟悉感和親切感。

融合為王

事實上，對于飛機制造商來說，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)化飛機設(shè)計，使不同性能的材料實現(xiàn)物盡其用才是最重要的。

過去，制造商往往花費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，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)時這種觀點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)動機地面試驗時很成功,但仍不能廣泛應(yīng)用,其結(jié)果是人們對研制替代材料產(chǎn)生的風(fēng)險與效益有了更現(xiàn)實的態(tài)度,從而出現(xiàn)了高風(fēng)險/高效益材料與中等風(fēng)險/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放在陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料上,而對金屬基復(fù)合材料與金屬間化合物的研究逐漸降溫,僅對鈦鋁合金給予一定的重視。

有鑒于此，一些飛機制造商轉(zhuǎn)而從飛機設(shè)計的角度出發(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)勢的地方。龐巴迪的C系列機型采用復(fù)合材料機翼和金屬機身的方案也是如此。此外，貝爾直升機公司和洛克希德?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)新飛機關(guān)鍵的V型尾翼及其關(guān)聯(lián)組件。

另一個有趣的案例是復(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，過去往往采用鋁合金材料，但由于這種材料過重，因此逐漸被鈦金屬和復(fù)合材料所取代。現(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，以期在滿足強度要求的同時，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。過去，曾有設(shè)計師指出，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賽車場上，即使在時速200英里時發(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)，目前在直升機領(lǐng)域，就有制造商正在研究如何通過設(shè)計，將金屬材料與復(fù)合材料相結(jié)合，提高直升機的防撞性能。