【专业讲堂】漫话航空材料的演变史——从金属到碳纤维复合材料

在一个多世纪的时间里，飞机材料已经从精致的木材、金属和织物转变成由高端材料混合而成的复合材料。本文将带你一起回顾航空材料的发展史。

“金属会飞吗？” 1915年，就在莱特兄弟（Wright Brothers ）进行首次动力飞行仅12年之后，这成为航空专家们讨论的热门话题。在使用木材、钢丝和帆布将飞机制造得尽可能轻的时候，完全由金属制成的飞机的想法在技术上和成本上仍然不可行。

但是，有个人的想法却有所不同。德国Hugo Junkers不仅在空中战斗和飞行比赛中，而且在大规模的货物和乘客运输中都看到了航空业的未来。这将需要对飞机的制造方式进行重大改变。他的革命性钢制J-1是世界上第一架全金属飞机，也是第一架使用单翼飞机机翼的飞机。

J-1的绰号是Blechesel（“ Tin Donkey”或“ Sheet Metal Donkey”），作为技术演示者，J-1从未进入批量生产。但是Junkers的大胆想象使航空业走上了材料发展的道路，使飞机更坚固、更轻、更快、更高效。

空中客车公司在A310上使用碳纤维垂直稳定器证明了自己是业界最成功的初始创新之一，碳纤维的使用减轻了250公斤的重量，这标志着碳纤维复合材料在商业客机中的开创性使用。

取而代之的是，碳纤维增强塑料被证明是航空业真正革命性的材料。它具有比金属更好的强度重量比，并且对疲劳和腐蚀的敏感性更低。

1920-1930年代：向金属的过渡

Junkers发现钢制的J-1坚固耐用，但处理起来又笨重。他将注意力转向了铝，铝是20世纪初开始出现的一种可行的制造材料，轻巧而坚固，它的重量是钢铁的三分之一，非常适合飞机使用。

Junkers用它开发了世界上第一批民用客机，例如F-13和G-24。Henry Ford注意到了Junkers的工作，于1925年制造出了福特Trimotor。这些飞机迎来了长途客运航空时代，尽管直到1930年代初，金属飞机才可以经济高效地制造出来。

也许最重要的机型是1935年推出的道格拉斯DC-3。它的速度更快、可靠、易于维护且舒适，今天仍有数百架飞机飞行，这证明了全金属飞机的耐用性。

战后：新金属

随着高速喷气式飞机的普及，航空航天工程师开始将目光投向钢和铝。由于钛的强度密度比、耐腐蚀、抗疲劳和耐高温性能，钛成为一种有吸引力的材料，但它很稀有且非常昂贵。

在1950年代后期，新金属小零件开始成为集成的发动机和暴露于高温的部分，例如排气罩或机翼前缘。然而，有限的钛储量和高昂的生产成本限制了进一步使用。

1970-1980年代：碳纤维起飞

玻璃纤维增强塑料或玻璃纤维是飞机上使用的第一种轻质复合材料。它最初使用是在1940年代，用于整流罩、机头和座舱，并且还用于直升机的旋翼桨叶，例如BölkowBo 105和BK 117，以及1960年代和1970年代的Gazelle SA 340。

1975年，AS350Écureuil直升机采用了玻璃纤维复合材料制成的主旋翼头，通过高度集成的设计大大减少了零件数量。但是，低刚度导致运输飞机中承重主结构的使用受到限制。

上世纪70年代碳纤维的问世，以其优异的高强度、高模量、低密度、耐腐蚀等系列化优势迅速取代玻璃纤维，成为航空复合材料的最常用增强体。

1990年代至今：复合材料世界

从碳纤维诞生起，碳纤维复合材料变得越来越普遍，制造技术的进步使得能够生产更大、更复杂的零件。

由于直升机的发动机举足轻重，因此该领域的采用率非常高：空中客车Tiger直升机的机身结构由80％的复合材料制成，而2007年推出的NH90则由90％的复合材料制成。

就空客公司的固定翼飞机而言，2005年推出的强大A380几乎有四分之一是由复合材料制成的。A350 XWB宽体喷气客机由50％以上的复合材料制成，与铝制竞争对手相比，燃油消耗减少了25％。

空中客车于2013年启动了为其A400M军用运输机设计的巨大碳纤维机翼，为开拓性的A350 XWB奠定了基础。但是，金属还没有过时：A350 XWB的零件仍由钢和钛制成，而近20％的零件则由铝-锂制成。这种先进的合金使用世界上最轻的金属锂来减轻铝的重量，同时提高其强度、韧性、耐腐蚀性和成形性。

未来篇章

制造更快、更轻、更省油的飞机意味着航空业正在不断研究和开发下一代材料。2015年底，空中客车公司宣布了其新的“仿生”隔板，该隔板比目前的设计轻了45％。它使用的Scalmalloy是一种新型合金，被空中客车子公司APWorks专为3D打印而开发。

除此之外，空客公司还在进行4D打印和“数字材料”的研究，当遇到水分、运动或温度变化等外界力时，它们会自行改变形状。这可以消除对重型机械控制系统的需求，并且空中客车公司已经在测试进气口技术。有一天，它甚至可以成为构成整个机舱的基础。