新科技动力催化下的航空复材与金属之争

 　　材料是人类实现航空梦想的物质基础，没有合适的材料可用就造不出想要的飞机。自上个世纪初，莱特兄弟用木材和蒙布制造出首架有动力、可持续飞行的飞机以来，航空材料学家不断地研究新型材料，以加大材料强度，减轻飞机重量，提高飞行效率为目标。

　　上个世纪30年代以后，冶金技术和机械制造技术的进步，使得以硬铝合金为代表的轻质金属材料替代木材成为航空飞机的主流材料。铝合金具有完胜木材的强度、硬度和韧性，且比大部分的合金密度小，并将这一优势延续到了上世纪50年代。

　　第二次世界大战带动了对飞机飞行速度的狂热追求，以高纯铝合金为主的机身结构已不能满足应用需求。在此背景下，碳纤维增强的树脂基复合材料应运而生，逐渐从次承力结构部件应用跃升为机翼、机身等主承力构件的必选材料，与铝合金进行了一场难分胜负的较量。

　　新的科学技术的进步在促使复合材料快速成熟的同时，人们铝合金等传统金属材料应用领域也不断推陈出新，展开了新一轮的拉锯：一方面，碳纤维复合材料进入了更低成本和能耗的非热压罐制造时代;另一方面，铝合金也向性能更加优异的新一代铝锂合金过渡。

　　碳纤维跨入高强高模时代

　　碳纤维复合材料目前在小型商务飞机和直升机上的使用比例已达到70%~80%，在军用飞机上为30%~40%，在大型客机上则为15%~50%。波音787和空客A350客机在复合材料用量上的竞争一度是航空业界的焦点，也让人们认识到，碳纤维复合材料已经首次替代铝合金，成为未来双通道客机的首选材料。波音787和空客A350的碳纤维复合材料用量在50%左右，而铝合金仅有20%。

　　日本东丽公司统计，2004年~2010年，世界干线飞机制造市场的碳纤维需求增长了130%，年均增长15%。可以说，在过去的10年间，碳纤维复合材料已经成为航空应用需求量最大的基本结构材料。

　　碳纤维复合材料吸引航空原材料制造商的原因，除了强度大、刚度大和防腐性等优异性能之外，就是其外形制造可以高完整性一次成形，在一个加工周期内使机翼整体带筋壁板和机身整体筒形带筋壁板成形，极大地减少了紧固件的使用;而且碳纤维复合材料采用加成制造方法成形结构件，在保持强度等性能的同时，避免了金属切削加工造成的大量原材料浪费。然而，碳纤维复合材料还具有一些显著的缺点，比如：碳纤维技术进步缓慢，目前的航空主流碳纤维仍采用30年前的产品;机翼、机身这样的主承力构件固化通常需要热压罐，能耗大且费时;原材料和加工成本高，经济可承受性较低;环保性、防腐性和回收性有待提高。

　　当然，复合材料正在充分利用技术创新来弥补自身缺陷。首先，第三代碳纤维产品已经实现了跨代发展。目前主流航空航天级碳纤维采用日本东丽公司的第二代碳纤维产品T800S。其属于高强度、中模量产品。由于模量低、碳纤维材料脆性强，复合材料构件容易疲劳损伤，发生灾难性破坏。高端航空产品一直迫切需要高强度和高模量兼备的碳纤维原材料。2014年3月，东丽公司宣布研制出了新型碳纤维T1100G，其拉伸强度较T800S加大了12%，同时拉伸模量较T800S和T1000G均高10%，属于高强高模类型碳纤维产品。这是继T800S研制成功30年之后，碳纤维拉伸强度和拉伸模量的首次同步升级，在综合指标提高方面具有跨代意义，被认为是第3代碳纤维产品

　　其次，非热压罐制造工艺改进了传统的固化工艺。非热压罐成形一直是业界创新研究的重点，有望实现复合材料的快速生产和制造成本降低而备受关注。目前在这个领域已经有众多丰硕的成果，其中比较典型的有：洛·马公司制造的X-55先进全复合材料运输机及其18米长的全复合材料机身，波音和空客合作制造的波音787后压力隔框及2.5米长的翼梁验证件， GKN航宇公司制造的下一代复合材料整体机翼验证件，Duqueine集团利用模压成形制造的A350机身框架组件，以及波音和洛·马分别应用基于非热压罐成形的自动丝束铺放工艺制造大型部件等。

　　最后，热塑性复合材料有望应用到主承力结构件上。以连续纤维或长纤维增强的高性能热塑性复合材料(采用PEEK、PES、PPS等高性能热树脂)，既具有热固性复合材料那样良好的综合力学性能，又在材料韧性、防腐性、耐磨性及耐温性方面有明显的优势，而且在工艺上还具有良好的二次或多次成形和易于回收的特性，有利于资源充分利用和减轻环境压力，具有良好的发展和应用前景。空客A380就采用了玻璃纤维增强的PPS热塑性复合材料制造机翼前缘。

　　轻质高强高韧金属材料“逆袭”

　　尽管复合材料发展迅速，舆论的热度也使得铝合金“航空用材之首”的位置岌岌可危。然而，不管复合材料的推崇者们怎样鼓吹其优异的性能，铝合金目前仍然是航空飞机结构中除复合材料之外的不二材料。特别是随着大量采用复合材料制造的飞机逐步进入市场，复合材料在材料属性、设计经验、制造水平和维修维护等方面开始暴露出一些问题。而这些问题也给了铝合金供应商扳回一局的机会，使一些制造商重新将选材的目光投向传统的铝合金，比如波音787的机翼承包商三菱重工就将MRJ支线飞机的机翼材料设计由复合材料改回铝合金。

　　传统的高纯铝合金材料由于过重，已经逐渐被铝锂合金淘汰。然而，第一、二代铝锂合金为最大化减小密度，致使锂含量过高，合金加工性、防腐性及损伤容限性能较差。第三代铝锂合金无疑是“金属复兴之路”的重要筹码。第三代铝锂合金在添加锂元素时，更加注重合金强度与疲劳裂纹扩展性能二者之间的平衡。美铝公司称，与碳纤维复合材料相比，铝锂合金材料不仅气动性佳、防腐能力强、可回收，而且重量轻10%，制造、运行、维修成本要低30%，总体的风险更小。

　　在美铝公司推出的第三代铝锂合金产品中，2099型和2199型分别是目前的旗舰产品和未来的主打产品。2099型小密度、高强度模压合金，刚度、损伤容限、防腐性和焊接性都相当高。目前，该型合金已经用到了波音787、空客A350、A380和庞巴迪C系列飞机上，787也是首个应用铝锂合金板材的大型民机。2199型板材具备高模高强、密度小、低光谱疲劳裂纹增长率等属性，适合用在机身和下翼蒙皮上，比传统铝合金轻20%。在应力腐蚀试验中，2099型和2199型第三代铝锂合金应力腐蚀极限强度达到了传统型铝合金的数倍，预计2199型合金将成为波音737MAX和空客A320neo机身及下翼面的重要材料。

　　此外，美铝公司还在开发多型第三代铝锂合金，S-4型合金就是其中之一。它具备密度小、高损伤容限、高强度的特点，适用于机翼和机身蒙皮。S-4合金型的防腐性相当优秀，因此在用于机身时，可以不用涂保护层。

　　法国肯联公司也大量投资了新的AirWare系列铝合金产品。Airware具有密度小、刚度大和更高的损伤容限等特征，结合重新设计的结构和先进焊接技术，使用该材料可减轻25%的结构重量。Airware铝合金目前应用于空客A350以及庞巴迪C系列的机身上。

　　美铝公司还对诸多制造商的设计师、技术员、管理者和业务员进行了广泛调查，就先进合金和碳纤维复合材料哪个更好的问题上，让他们“选边站”。美铝公司公布的结果是，在9个特性中，先进合金占据了绝对的“领先”地位。

　　面对复合材料与金属之争，波音、空客等大型飞机制造商并没有冷眼观潮，看两方恶斗，而是黑白兼顾，各有侧重和扶持。在复合材料方面，他们主动探索低成本、高效率的机翼和机身制造技术，继续推进波音787和空客A350的制造技术改进;在铝合金方面，他们积极采用第三代铝锂合金，并且在激光焊接、搅拌摩擦焊、激光喷丸等先进工艺上寻求突破，持续用于747-8和A380的效率提高以及737MAX和A320neo的性能提高。

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