我國(guó)航空工程新材料類型、應(yīng)用、技術(shù)需求及發(fā)展建議
隨著技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬材料正在被復(fù)合材料所代替，復(fù)合材料用量已成為新一代民機(jī)的重要標(biāo)志。未來(lái)隨著國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與規(guī)模擴(kuò)張，來(lái)自航空航天領(lǐng)域?qū)?fù)合材料加工產(chǎn)品及服務(wù)的需求將呈現(xiàn)出高于全球平均水平的增長(zhǎng)速度，未來(lái)的發(fā)展將為復(fù)合材料市場(chǎng)帶來(lái)強(qiáng)勁的需求動(dòng)力。
本文將重點(diǎn)闡述新材料在我國(guó)航空航天領(lǐng)域的主要應(yīng)用技術(shù)需求和發(fā)展現(xiàn)狀，介紹晶格、納米復(fù)合材料、多功能材料和結(jié)構(gòu)等研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)，探討其應(yīng)用和發(fā)展的趨勢(shì)，為我國(guó)航空工程中的新材料應(yīng)用提供參考。
一、金屬材料的主導(dǎo)地位
高溫合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼和鋁合金占據(jù)了航空工業(yè)、 商業(yè)等技術(shù)材料的 95% 以上，且金屬結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量百分比在各種飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中將長(zhǎng)期居于首位。預(yù)計(jì)未來(lái)10年左右， 超級(jí)合金、鈦合金、高強(qiáng)度鋼的需求仍將占較大比例。
目前，鈦合金是壓縮機(jī)的主要材料，約占大型商用發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的 25%。例如：RB-211-535E4 高壓電子壓縮機(jī)采用了英國(guó)公司生產(chǎn)的 MI829 鈦合金；美國(guó)幾大飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商正在考慮在飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中使用 Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn 鈦合金作為復(fù)合金屬基體。
二、復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)與主要類型
1、復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)
（1）可選擇性
在復(fù)合材料的使用過(guò)程中，可根據(jù)不同構(gòu)件預(yù)期的使用環(huán)境和不同的條件要求等，通過(guò)合理選擇各種構(gòu)件的使用材料，滿足構(gòu)件預(yù)期使用目的，保證機(jī)械、熱、聲、光、 電、防腐蝕和抗老化等使用性能良好，從而滿足大型工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際使用性能。
（2）材料與結(jié)構(gòu)一體化
復(fù)合型連接零部件和各種類型材料間的連接結(jié)構(gòu)是同時(shí)加工成型的結(jié)構(gòu)，一般不單獨(dú)加工復(fù)合材料部件。這種加工工藝使各種材料連接結(jié)構(gòu)整體性好，減少了各種材料連接零部件和各種材料結(jié)構(gòu)連接件的數(shù)量，縮短了各種材料連接加工成型操作的周期，降低了材料生產(chǎn)成本，提高了材料生產(chǎn)線的可靠性。
（3）復(fù)合效應(yīng)
復(fù)合材料性能是由各種不同材料經(jīng)過(guò)不同工藝復(fù)合后形成的，不是幾種不同材料的簡(jiǎn)單性能混合，而是按照一種復(fù)合工藝效應(yīng)過(guò)程形成的新的物理性能，是其他復(fù)合材料不具備的新的復(fù)合工藝效應(yīng)性能。利用復(fù)合工藝效應(yīng)， 復(fù)合材料可以有效克服其他單一材料的物理性能缺陷。
2、復(fù)合材料的主要類型
航空航天所用的新型復(fù)合金屬材料的主要類型有樹脂基金屬?gòu)?fù)合材料、金屬樹脂基熔融復(fù)合材料和氧化碳/硅基碳金屬?gòu)?fù)合材料等，其各種樹脂基金屬?gòu)?fù)合材料在現(xiàn)代航空工業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用廣泛 。
（1）高級(jí)樹脂基復(fù)合材料
復(fù)合樹脂基新型復(fù)合增強(qiáng)材料是以各種高性能復(fù)合樹脂為主要基體，以各種高性能連續(xù)復(fù)合纖維為主要材料，通過(guò)一定的新型復(fù)合材料工藝改造制成的增強(qiáng)復(fù)合材料，是一種復(fù)合性能明顯優(yōu)于原有復(fù)合構(gòu)件的新型材料。與目前傳統(tǒng)的不銹鋼和其他鋁合金主體結(jié)構(gòu)中的合金材料相比，新型合金材料密度分別約為普通鋼的 1/5、普通鋁合金的 1/2，且其比強(qiáng)度和比模量都遠(yuǎn)高于鋼。
（2）金屬基復(fù)合材料
航空航天工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的復(fù)合金屬基體的復(fù)合材料主要種類是指以氧化鋁、鎂和鈦等輕強(qiáng)度金屬為基礎(chǔ)基體，以其他高強(qiáng)度第二相合金為基礎(chǔ)增強(qiáng)體的金屬?gòu)?fù)合材料。這種復(fù)合材料產(chǎn)品具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐壓 和耐高溫性、橫向移動(dòng)性能、低材料消耗性以及優(yōu)良的材料可持續(xù)加工性。金屬基復(fù)合材料零件如圖 1 所示。
三、復(fù)合材料的應(yīng)用
1、在大型飛機(jī)上的應(yīng)用
空客 A380 是歐洲空中客車工業(yè)公司開發(fā)并生產(chǎn)的四軸雙引擎 550 座超大型遠(yuǎn)程支線寬體輕型客機(jī)。其中：25% 的民用飛機(jī)機(jī)體主要部件由彩色反光復(fù)合材料制造工藝設(shè)計(jì)制成，22% 使用的是彩色反光碳纖維增強(qiáng)塑料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）。
2、在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用
先進(jìn)飛機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)材料在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用已有 30 多年的歷史，現(xiàn)在已經(jīng)從剛開始非承重結(jié)構(gòu)部件逐漸發(fā)展壯大到包括垂尾、水平翼、安定翼面、方向舵、副翼、前后機(jī)身和前后機(jī)翼上的蒙皮等二次和主要的非承重結(jié)構(gòu)部件。例如：歐洲的 A400M 飛機(jī)屬于新型第一代大型軍用航空運(yùn)輸機(jī)，其復(fù)合材料技術(shù)和應(yīng)用已經(jīng)有了新的技術(shù)飛躍。
四、新型復(fù)合材料技術(shù)
隨著新型載人航天航空飛行器不斷發(fā)展，新型復(fù)合材料對(duì)高效率、低成本、長(zhǎng)使用壽命、高可靠性以及材料和部件結(jié)構(gòu)等整體綜合性能要求越來(lái)越高。為了充分滿足這種復(fù)合應(yīng)用的需求，各種新的新型復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，但是這些新型復(fù)合材料的性能并不全面，因此需要在滿足提高現(xiàn)有復(fù)合材料應(yīng)用性能的基礎(chǔ)上，繼續(xù)挖掘新型復(fù)合材料的應(yīng)用潛力。可以采用超輕復(fù)合材料和新型結(jié)構(gòu)復(fù)合技術(shù)，不斷增加復(fù)合材料的綜合性能，使其滿足多功能性的需求。
1、超輕材料和結(jié)構(gòu)
（1）高級(jí)網(wǎng)格加固結(jié)構(gòu)
這種結(jié)構(gòu)因其具有高度的自動(dòng)可視化設(shè)計(jì)性和優(yōu)越的潛在應(yīng)用性而備受關(guān)注。20 世紀(jì) 90 年代，斯坦福大學(xué)的一篇論文中給出了一種以網(wǎng)格纖維材料增強(qiáng)層和 CFRP 為纖維加強(qiáng)層的各向同體異性層網(wǎng)格纖維加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，提高了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的比應(yīng)力強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)比模量，增強(qiáng)了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性，且采用這種自動(dòng)化結(jié)構(gòu)制造工藝方法可以大大降低制造成本。
（2）點(diǎn)陣復(fù)合材料
哈佛大學(xué)的埃文斯教授、劍橋大學(xué)的阿什比教授以及麻省理工學(xué)院的吉布森教授等 10 余人，率先成功提出了三維空間中晶體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（分子結(jié)構(gòu)）的點(diǎn)陣復(fù)合材料概念。這類復(fù)合材料的高比強(qiáng)度、高比剛度和多功能性越來(lái)越受我國(guó)材料科學(xué)的重視。近年來(lái)，輕復(fù)合金屬纖維泡沫復(fù)合材料和新型蜂窩結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣復(fù)合材料夾芯板已廣泛應(yīng)用于載人航空和空間航天主體結(jié)構(gòu)，尤其是大型航空主體結(jié)構(gòu)。點(diǎn)陣芯材結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
（3）納米纖維復(fù)合材料
納米體系材料因其獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，在實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)理論等方面具有很大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。近年來(lái)，它已逐漸成為我國(guó)材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要研究發(fā)展方向，被譽(yù)為 21 世紀(jì)具發(fā)展前途的化學(xué)材料。
2、復(fù)合材料的連接方式
航天和化工等行業(yè)中，同一臺(tái)設(shè)備會(huì)用到多種不同的材料。實(shí)現(xiàn)不同材料之間的連接，特別是焊接難以相融的 材料，是設(shè)備整體設(shè)計(jì)中須解決的問(wèn)題。目前，較為常用的連接方式有鉚接、螺接和常規(guī)焊接等。
五、我國(guó)航空工程新材料的發(fā)展建議
中國(guó)的新型復(fù)合金屬材料，是為了滿足實(shí)際國(guó)防和民用航空航天的市場(chǎng)需求而逐步發(fā)展起來(lái)的新型材料。受各應(yīng)用領(lǐng)域的材料系統(tǒng)功能劃分和企業(yè)自主創(chuàng)新開發(fā)的影響，新型材料仍然存在原材料使用品種和工藝檔次多、材料成熟化程度參差不齊、材料性能低或者與同類高水平材料重復(fù)以及性價(jià)比低等突出問(wèn)題，且原材料的進(jìn)口供應(yīng)鏈也不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求。另外，國(guó)內(nèi)航空復(fù)合材料的產(chǎn)品性能、質(zhì)量、規(guī)格、價(jià)格和售后供應(yīng)服務(wù)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能完全滿足國(guó)防、航空航天和民用工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際需求。特別是中國(guó)項(xiàng)目加入世貿(mào)組織后，在保護(hù)自主研發(fā)知識(shí)產(chǎn)權(quán)、創(chuàng)新和不斷提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等方面遭受了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
目前，我國(guó)正在大力發(fā)展支線軍用飛機(jī)、支線民用飛機(jī)和大型商用支線客機(jī)等航空設(shè)備。這些應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展迫切需要好的復(fù)合材料。雖然經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，我國(guó)的航空復(fù)合材料逐漸發(fā)展形成了一個(gè)技術(shù)體系，已經(jīng)基本滿足了航空航天應(yīng)用型號(hào)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家仍然存有一定的技術(shù)差距。因此，有必要對(duì)金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)材料的一些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行重點(diǎn)基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新， 從而為國(guó)防和航天工業(yè)的發(fā)展建立必要的物質(zhì)保障。
六、結(jié)語(yǔ)
新材料是航空工程以及其他相關(guān)領(lǐng)域的重要物質(zhì)基礎(chǔ)， 能夠提高航空設(shè)備和零件的各方面性能，使設(shè)備滿足使用需求。在今后的發(fā)展中，需要不斷研究相關(guān)材料，加快推動(dòng)技術(shù)、設(shè)備與工藝的互相融合，以促進(jìn)航空航天事業(yè)的發(fā)展。
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