《大飞机》：新旧材料的交锋与融合

航空工业的发展，尤其是新一代大型民用飞机的研制，带动并促进了复合材料技术的飞速发展。而先进复合材料在新一代大型民用飞机上的成功应用,则为未来民用飞机的发展确立了新的标准和市场准入门槛。

以2003年波音787项目的启动为标志，航空材料的发展进入了一个全新阶段，即“全复合材料飞机”时代,其意义不亚于20世纪以铝合金为主流材料时代的出现。虽然“全复合材料”的说法略显夸张,但这也从某种程度上说明,复合材料确实明显地改变了航空工业的生产模式，对传统的金属材料构成了威胁。

然而，在飞机制造商大胆采用新材料的同时，一些案例也从另一个侧面反映了在某些情况下，制造商对于复合材料的使用有些过于草率和激进了。空客在进行A380飞机金属主机翼研发时，为了应对减重的目标，决定将内部结构中的几根翼肋采用复合材料生产，并通过铝制支架连接到金属机翼蒙皮上。这样每个机翼大约能够减少300公斤的重量。

但在投入运营后，多架A380飞机机翼出现裂缝，造成开裂的原因很有可能是因为寒冷环境造成的金属与复合材料之间的热应力问题。由于对材料界面性能的了解不够彻底，导致空客的设计师们未能充分考虑到这方面的原因。最后，空客不得不根据所需的强度、重量和抗疲劳等性能要求，定制了一个新的铝材牌号，并重新改用金属－金属界面的连结方式，空客公司为此付出了上亿欧元的代价。这一事件使得业界对如何合理使用新材料，如何让新旧材料更好地融合，而非一味激进地追求新材料的使用率产生了新的思考。

新旧交锋

过去几十年,民机复合材料用量显著增加。上世纪70年代至80年代初,雷达罩、机身整流罩、内装饰结构、控制面板等应用了复合材料,材料用量约占飞机结构重量的1%～3%。随着复合材料工业的成熟以及成本降低,A320、波音777等复合材料用量占结构重量的10%～15%。如今，新一代飞机中，A380的结构重量约1/4是复合材料,单机复合材料约30吨。复合材料用量占结构重量50%的波音787飞机更具有革命性,其典型特征是全复合材料的机身,并在机翼、短舱及内装饰加大了复合材料的用量。受波音787的推动,A350XWB飞机复合材料用量增加至53%。

但这并不意味着传统的金属材料会“坐以待毙”。经过长期考验并不断改进的传统金属材料，如铝、钛、钢及高温合金等仍是制造商的首选。

以钛合金为例，由于具有比强度高、耐腐蚀性好等优点,其在军用和民用飞机上的用量不断增加,已成为航空领域不可或缺的重要材料。其中，F-22及F-35等飞机钛合金的用量均达到其结构重量的40%。

另一个常用的是铝合金材料，第三代铝锂合金投入使用后，正逐步替代复合材料。庞巴迪C系列飞机所采用的铝锂合金就是碳纤维复合材料一个强大的竞争对手。这种材料还被空客用于A350的翼肋、座椅导轨以及其他零部件上。究其原因，是因为这种铝锂合金能够很好地适应现有的金属制造技术、供应链和装配方法，从而帮助制造商提高生产效率。同时，重量相对传统铝材降低了5%，并具有良好的防腐蚀能力和机械性能。

此外，新的生产技术也提高了使用金属材料的呼声。目前波音公司有一个计划，就是尝试实现金属机身面板上紧固件的自动化安装，该工艺目前需要技术熟练的工人结对进行工作。如果能够成功改用自动化生产线，将大大提高生产效率，节约成本。在金属材料制造方面，堆积制造技术（3D打印）是另一个潜在的变革者，该项技术最早在支架生产、燃料喷嘴以及类似尺寸的零部件生产中得到应用，但是未来这项技术将有望被用于大型零部件的生产。GE很有可能成为“第一个吃螃蟹的人”，据悉公司计划用3D打印技术来生产低压涡轮叶片。

另一场金属材料的胜利则由波音公司决定从复合材料转投金属材料开始，这项决定针对其为737MAX研发的新款发动机机舱零部件。在装备这款飞机的LEAP-1B发动机上，其推力反相器内壳将采用钛金属，而不是用于CFM56发动机上的复合材料。波音公司表示，比起使用复合材料内衬，这款金属内衬更轻，也能让机舱变得更小。

可见，虽然在减少零部件数量方面，复合材料仍然占据上风，只要采用适当的加工方法，复合材料仍然具备减重和降低成本的优势。但因为金属材料拥有完善的设计规范和应用史，在条件允许的前提下，许多设计团队依然刻意避开复合材料的使用，而沉迷于金属带来的熟悉感和亲切感。

融合为王

事实上，对于飞机制造商来说，不论选用何种材料，最终的目的都是希望能够在保证安全的前提下，尽可能地减轻飞机重量，从而降低油耗。因此，如何更好地在两种材料之间进行取舍，或是优化飞机设计，使不同性能的材料实现物尽其用才是最重要的。

过去，制造商往往花费较大精力在新材料的使用上。例如，20世纪80年代末,曾有这样一种观点，即陶瓷、金属基复合材料,以及金属间化合物等将代替高温合金材料。当时这种观点得到了一些政府的认可,航空用高温合金替代材料获得快速发展,并在一些地面试验中获得了成功,但直到现在,这些替代材料的应用仍十分有限。

金属基复合材料的使用同样如此，虽然在一些发动机地面试验时很成功,但仍不能广泛应用,其结果是人们对研制替代材料产生的风险与效益有了更现实的态度,从而出现了高风险/高效益材料与中等风险/中等效益材料齐头并进的局面。例如，NASA目前就将研究工作的重点放在陶瓷及陶瓷基复合材料上,而对金属基复合材料与金属间化合物的研究逐渐降温,仅对钛铝合金给予一定的重视。

有鉴于此，一些飞机制造商转而从飞机设计的角度出发，将金属材料和复合材料结合使用，从综合效果出发实现减重的目标。例如，一片采用复合材料制作的蒙皮并包覆在金属骨架上的机翼，就像是两种材料间的合作，每种材料都被用在其特有的材料特性能够发挥最佳优势的地方。庞巴迪的C系列机型采用复合材料机翼和金属机身的方案也是如此。此外，贝尔直升机公司和洛克希德?马丁公司合作研发的第三代倾转旋翼直升机中使用了GKN航空航天公司所研发的新材料。这种材料将最新的金属和复合材料技术相结合，用于生产新飞机关键的V型尾翼及其关联组件。

另一个有趣的案例是复合材料、铝合金和钛金属之间的“亲密接触”。在类似翼根这样的高受压区域，过去往往采用铝合金材料，但由于这种材料过重，因此逐渐被钛金属和复合材料所取代。现在这种应用已经拓展至中央翼盒，制造商们开始更倾向于使用复合材料、钛合金和铝合金的组合型材料，以期在满足强度要求的同时，尽可能地减轻重量。

除此之外，制造商们还将目光投射到了行业以外。过去，曾有设计师指出，复合材料缺乏像铝材一样的延展性，在碰撞中的防护性较差。但是在F1赛车场上，即使在时速200英里时发生碰撞，复合材料的车身也同样能够保护驾驶者的安全。受此启发，目前在直升机领域，就有制造商正在研究如何通过设计，将金属材料与复合材料相结合，提高直升机的防撞性能。