在巴黎航展上，波音公司一架即將交付越南航空的波音787-9飛機(jī)如戰(zhàn)斗機(jī)一般大角度騰空躍起，令人印象深刻。事實上，這個機(jī)動動作對于民用飛機(jī)來說并無必要，但航展上的表演無疑展現(xiàn)了這款飛機(jī)優(yōu)異的總體性能，這與它所采用的先進(jìn)材料密切相關(guān)。
“一代飛機(jī)，一代材料”。自20世紀(jì)50年代初噴氣客機(jī)問世以來，大約每隔10年就會出現(xiàn)一批具有不同技術(shù)特點的大型民機(jī)，這其中，材料的更新?lián)Q代是主要技術(shù)特征之一。波音787飛機(jī)作為新型大型民用飛機(jī)的代表，復(fù)合材料和鈦合金的用量均創(chuàng)歷史新高。飛機(jī)表面可以看得見的部件，基本上都采用復(fù)合材料，用量占結(jié)構(gòu)重量的比重達(dá)到了50%.而鈦合金用量達(dá)到15%,創(chuàng)下大型民機(jī)鈦合金應(yīng)用比例的歷史新高。復(fù)合材料和鈦合金等新型材料的大量應(yīng)用，使得波音787結(jié)構(gòu)效率進(jìn)一步提高，性能更加提升。
作為航空制造業(yè)三大關(guān)鍵技術(shù)之一，航空材料的發(fā)展對航空技術(shù)起到強(qiáng)有力的支撐和保障作用；反過來，航空技術(shù)的發(fā)展需求又極大地促進(jìn)和引領(lǐng)航空材料的發(fā)展。
種類繁多的金屬材料
1903年，美國萊特兄弟發(fā)明了世界上第一架飛機(jī)，所使用的材料主要是木材和帆布。那時，因為簡陋的機(jī)體結(jié)構(gòu)很不可靠，普通人不敢冒險從事飛行，飛機(jī)設(shè)計師就是試飛員。1911年，鋁合金研制成功，很快便取代了木材和帆布成為最主要的航空材料，并推動高性能全金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)“跨越式”發(fā)展。到第一次世界大戰(zhàn)期間，全金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)已很普遍了。
航空鋁合金具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，容易加工成型，有足夠的使用經(jīng)驗，從而成為現(xiàn)代飛機(jī)的理想結(jié)構(gòu)材料。這一在飛機(jī)上應(yīng)用已有百余年歷史的傳統(tǒng)金屬材料，在當(dāng)前航空材料的使用中仍占據(jù)優(yōu)勢地位。
1949年美國DC-7運(yùn)輸機(jī)的發(fā)動機(jī)艙和隔熱板上，第一次采用了鈦合金。鈦合金密度約為結(jié)構(gòu)鋼的60%,而強(qiáng)度接近結(jié)構(gòu)鋼，具有高比強(qiáng)和比剛的優(yōu)點，且耐腐蝕性好，可以與復(fù)合材料直接連接而不易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，具有優(yōu)良的綜合性能。正因為如此，鈦合金在航空領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
20世紀(jì)60年代研制的波音747飛機(jī)鈦合金用量約占結(jié)構(gòu)重量的4%,其主起落架梁鈦合金鍛件，重約1290千克。而有空中巨無霸之稱的空客A380飛機(jī)鈦合金用量已達(dá)10%,波音787飛機(jī)更是達(dá)到15%.
圖：波音747飛機(jī)
20世紀(jì)60年代美國開發(fā)的300M超高強(qiáng)度鋼，抗拉強(qiáng)度達(dá)1860MPa,其抗疲勞性能、斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展速率能夠滿足飛機(jī)起落架設(shè)計的各項指標(biāo)，具有在承受極高載荷條件下保持高壽命和高可靠性的性能，從而成為起落架的首選材料。波音777的主起落架是迄今為止民用飛機(jī)使用過的最大起落架，它的主支柱采用的就是300M鋼整體鍛件。
此外，還有一類金屬材料在21世紀(jì)重新被人們應(yīng)用在飛機(jī)制造中，即鎂合金。早在1934年德國就開始將鎂合金應(yīng)用到飛機(jī)機(jī)翼蒙皮上。作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金具有密度小、比強(qiáng)高、可承受較大沖擊載荷的特點。但由于鎂合金易燃和不耐熱的缺點，其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸下降。不過在21世紀(jì)，新型鎂合金再一次進(jìn)入人們的視野，逐漸開始在民用飛機(jī)隔框、座椅、油箱等部位得到應(yīng)用。埃塞克斯飛機(jī)公司制造的鎂合金油箱，與鋁合金油箱相比，每升容積可減重約0.15千克，整架飛機(jī)最大減重可達(dá)454千克。
逐漸成熟的復(fù)合材料
航空非金屬材料主要包括碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料和蜂窩夾層復(fù)合材料等。當(dāng)今最先進(jìn)的空客A380、波音787和空客A350 XWB飛機(jī)，有別于以往同類飛機(jī)的一個重要標(biāo)志就是機(jī)體結(jié)構(gòu)大量采用復(fù)合材料。
復(fù)合材料在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用大致可以分為四個階段：第一階段是受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構(gòu)件；第二階段是升降舵、方向舵、襟副翼等受力較小的部件；第三階段是垂尾、平尾等受力較大的部件；第四階段即機(jī)翼、機(jī)身等主要受力部件。
圖：空客A380飛機(jī)
不可否認(rèn)的是，民用飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了復(fù)合材料化的趨勢，復(fù)合材料的大量應(yīng)用已成為衡量新一代民機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志，也是爭奪新一輪國際民機(jī)市場份額的關(guān)鍵因素之一。
未來是什么樣子的
下一代的民用飛機(jī)將會是什么樣？目前波音與空客公司似乎已經(jīng)給出了答案：X-48B翼身融合體飛機(jī)和空客的透明飛機(jī)。而翼身融合體飛機(jī)的非圓形增壓艙新穎結(jié)構(gòu)和透明殼體將對未來航空材料技術(shù)帶來新的挑戰(zhàn)。
為此，在飛機(jī)設(shè)計時，更加需要綜合金屬材料和復(fù)合材料的優(yōu)勢，揚(yáng)長避短，物盡其用，這樣才能最大地發(fā)揮材料的性能，真正實現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全、高效，達(dá)到減少重量、降低制造和運(yùn)營成本的目的。
