深度研究！我国航空工程新材料类型、应用、技术需求及发展建议！

航空新材料

随着技术发展，传统的金属材料正在被先进复合材料所代替，复合材料用量已成为新一代民机先进性的重要标志。未来随着国产大飞机行业的技术进步与规模扩张，来自航空航天领域对复合材料加工产品及服务的需求将呈现出高于全球平均水平的增长速度，未来的发展将为复合材料市场带来更强劲的需求动力。

一、金属材料的主导地位

高温合金、钛合金、高强度钢和铝合金占据了航空工业、 商业等技术材料的 95% 以上，且金属结构材料的质量百分比在各种飞机和发动机中将长期居于首位。预计未来10年左右， 超级合金、钛合金、高强度钢的需求仍将占较大比例。

目前，钛合金是压缩机的主要材料，约占大型商用发动机质量的 25%。例如：RB-211-535E4 高压电子压缩机采用了英国公司生产的 MI829 钛合金；美国几大飞机和发动机制造商正在考虑在飞机和发动机中使用 Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn 钛合金作为复合金属基体。

1.复合材料的优势

（1）可选择性

在复合材料的使用过程中，可根据不同构件预期的使用环境和不同的条件要求等，通过合理选择各种构件的使用材料，满足构件预期使用目的，保证机械、热、声、光、 电、防腐蚀和抗老化等使用性能良好，从而满足大型工程建筑结构设计的实际使用性能。

（2）材料与结构一体化

复合型连接零部件和各种类型材料间的连接结构是同时加工成型的结构，一般不单独加工复合材料部件。这种加工工艺使各种材料连接结构整体性更好，减少了各种材料连接零部件和各种材料结构连接件的数量，缩短了各种材料连接加工成型操作的周期，降低了材料生产成本，提高了材料生产线的可靠性。

（3）复合效应

复合材料性能是由各种不同材料经过不同工艺复合后形成的，不是几种不同材料的简单性能混合，而是按照一种复合工艺效应过程形成的新的物理性能，是其他复合材料不具备的新的复合工艺效应性能。利用复合工艺效应， 复合材料可以有效克服其他单一材料的物理性能缺陷。

2.复合材料的主要类型

航空航天所用的先进新型复合金属材料的主要类型有树脂基金属复合材料、金属树脂基熔融复合材料和氧化碳/硅基碳金属复合材料等，其各种树脂基金属复合材料在现代航空工业技术中的应用最广泛 。

（1）高级树脂基复合材料

先进的复合树脂基新型复合增强材料是以各种高性能复合树脂为主要基体，以各种高性能连续复合纤维为主要材料，通过一定的新型复合材料工艺改造制成的增强复合材料，是一种复合性能明显优于原有复合构件的新型材料。与目前传统的不锈钢和其他铝合金主体结构中的合金材料相比，新型合金材料密度分别约为普通钢的 1/5、普通铝合金的 1/2，且其比强度和比模量都远高于钢。

（2）金属基复合材料

航空航天工业领域广泛使用的复合金属基体的复合材料主要种类是指以氧化铝、镁和钛等轻强度金属为基础基体，以其他高强度第二相合金为基础增强体的金属复合材料。这种复合材料产品具有优异的导电性、导热性、耐压 和耐高温性、横向移动性能、低材料消耗性以及优异的材料可持续加工性。金属基复合材料零件如图 1 所示。

图 1　金属基复合材料零件

1.在大型飞机上的应用

空客 A380 是欧洲空中客车工业公司开发并生产的四轴双引擎 550 座超大型远程支线宽体轻型客机，是目前世界上最大的飞机。其中：25% 的民用飞机机体主要部件由先进的彩色反光复合材料制造工艺设计制成，22% 使用的是彩色反光碳纤维增强塑料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）。

2.在军用飞机上的应用

先进飞机复合结构材料在军用飞机上的应用已有 30 多年的历史，现在已经从最初的非承重结构部件逐渐发展壮大到包括垂尾、水平翼、安定翼面、方向舵、副翼、前后机身和前后机翼上的蒙皮等二次和主要的非承重结构部件。例如：欧洲的 A400M 飞机属于新型第一代大型军用航空运输机，其复合材料技术和应用已经有了新的技术飞跃。

随着新型载人航天航空飞行器不断发展，新型复合材料对高效率、低成本、长使用寿命、高可靠性以及材料和部件结构等整体综合性能要求越来越高。为了充分满足这种复合应用的需求，各种新的新型复合材料应运而生，但是这些新型复合材料的性能并不全面，因此需要在满足提高现有复合材料应用性能的基础上，继续挖掘先进新型复合材料的应用潜力。可以采用超轻复合材料和新型结构复合技术，不断增加复合材料的综合性能，使其满足多功能性的需求。

1.超轻材料和结构

（1）高级网格加固结构

这种结构因其具有高度的自动可视化设计性和优越的潜在应用性而备受关注。20 世纪 90 年代，斯坦福大学的一篇论文中给出了一种以网格纤维材料增强层和 CFRP 为纤维加强层的各向同体异性层网格纤维加强筋结构，提高了网格结构的比应力强度和结构比模量，增强了网格结构的耐腐蚀性，且采用这种自动化结构制造工艺方法可以大大降低制造成本。

（2）点阵复合材料

哈佛大学的埃文斯教授、剑桥大学的阿什比教授以及麻省理工学院的吉布森教授等 10 余人，率先成功提出了三维空间中晶体网格结构（分子结构）的点阵复合材料概念。这类复合材料的高比强度、高比刚度和多功能性越来越受我国材料科学的重视。近年来，轻复合金属纤维泡沫复合材料和新型蜂窝结构的点阵复合材料夹芯板已广泛应用于载人航空和空间航天主体结构，尤其是大型航空主体结构。点阵芯材结构如图 2 所示。

图 2 点阵芯材结构

（3）纳米纤维复合材料

纳米体系材料因其独特的化学性质，在实际应用和科学理论等方面具有很大的科学研究价值，具有广阔的应用发展前景。近年来，它已逐渐成为我国材料科学技术领域的重要研究发展方向，被誉为 21 世纪最具发展前途的化学材料。

2.复合材料的连接方式

航天和化工等行业中，同一台设备会用到多种不同的材料。实现不同材料之间的连接，特别是焊接难以相融的 材料，是设备整体设计中须解决的问题。目前，较为常用的连接方式有铆接、螺接和常规焊接等。

中国的先进新型复合金属材料，是为了满足实际国防和民用航空航天的市场需求而逐步发展起来的新型材料。受各应用领域的材料系统功能划分和企业自主创新开发的影响，新型材料仍然存在原材料使用品种和工艺档次多、材料成熟化程度参差不齐、材料性能低或者与同类高水平材料重复以及性价比低等突出问题，且原材料的进口供应链也不能满足国内市场需求。另外，国内先进航空复合材料的产品性能、质量、规格、价格和售后供应服务能力远远不能完全满足国防、航空航天和民用工业领域的实际需求。特别是中国项目加入世贸组织后，在保护自主研发知识产权、创新和不断提高市场竞争力等方面遭受了严峻挑战。

目前，我国正在大力发展支线军用飞机、支线民用飞机和大型商用支线客机等航空设备。这些应用领域的不断发展迫切需要先进的复合材料。虽然经过多年的研究发展，我国的航空复合材料逐渐发展形成了一个技术体系，已经基本满足了航空航天应用型号的相关技术标准要求，但是与发达国家仍然存有一定的技术差距。因此，有必要对金属复合结构材料的一些关键技术领域进行重点基础研究和技术创新， 从而为国防和航天工业的发展建立必要的物质保障。

新材料是航空工程以及其他相关领域的重要物质基础， 能够提高航空设备和零件的各方面性能，使设备满足使用需求。在今后的发展中，需要不断研究相关材料，加快推动先进技术、先进设备与先进工艺的互相融合，以促进航空航天事业的发展。

作者：付豪

来源：《现代制造技术与装备》

本文责编：王宁宁

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