我國航空工程新材料類型、應用、技術需求及發(fā)展建議
隨著技術發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬材料正在被復合材料所代替，復合材料用量已成為新一代民機的重要標志。未來隨著國產大飛機行業(yè)的技術進步與規(guī)模擴張，來自航空航天領域對復合材料加工產品及服務的需求將呈現(xiàn)出高于全球平均水平的增長速度，未來的發(fā)展將為復合材料市場帶來強勁的需求動力。
本文將重點闡述新材料在我國航空航天領域的主要應用技術需求和發(fā)展現(xiàn)狀，介紹晶格、納米復合材料、多功能材料和結構等研究熱點和前沿技術，探討其應用和發(fā)展的趨勢，為我國航空工程中的新材料應用提供參考。
一、金屬材料的主導地位
高溫合金、鈦合金、高強度鋼和鋁合金占據(jù)了航空工業(yè)、 商業(yè)等技術材料的 95% 以上，且金屬結構材料的質量百分比在各種飛機和發(fā)動機中將長期居于首位。預計未來10年左右， 超級合金、鈦合金、高強度鋼的需求仍將占較大比例。
目前，鈦合金是壓縮機的主要材料，約占大型商用發(fā)動機質量的 25%。例如：RB-211-535E4 高壓電子壓縮機采用了英國公司生產的 MI829 鈦合金；美國幾大飛機和發(fā)動機制造商正在考慮在飛機和發(fā)動機中使用 Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn 鈦合金作為復合金屬基體。
二、復合材料的優(yōu)勢與主要類型
1、復合材料的優(yōu)勢
（1）可選擇性
在復合材料的使用過程中，可根據(jù)不同構件預期的使用環(huán)境和不同的條件要求等，通過合理選擇各種構件的使用材料，滿足構件預期使用目的，保證機械、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構設計的實際使用性能。
（2）材料與結構一體化
復合型連接零部件和各種類型材料間的連接結構是同時加工成型的結構，一般不單獨加工復合材料部件。這種加工工藝使各種材料連接結構整體性好，減少了各種材料連接零部件和各種材料結構連接件的數(shù)量，縮短了各種材料連接加工成型操作的周期，降低了材料生產成本，提高了材料生產線的可靠性。
（3）復合效應
復合材料性能是由各種不同材料經過不同工藝復合后形成的，不是幾種不同材料的簡單性能混合，而是按照一種復合工藝效應過程形成的新的物理性能，是其他復合材料不具備的新的復合工藝效應性能。利用復合工藝效應， 復合材料可以有效克服其他單一材料的物理性能缺陷。
2、復合材料的主要類型
航空航天所用的新型復合金屬材料的主要類型有樹脂基金屬復合材料、金屬樹脂基熔融復合材料和氧化碳/硅基碳金屬復合材料等，其各種樹脂基金屬復合材料在現(xiàn)代航空工業(yè)技術中的應用廣泛 。
（1）高級樹脂基復合材料
復合樹脂基新型復合增強材料是以各種高性能復合樹脂為主要基體，以各種高性能連續(xù)復合纖維為主要材料，通過一定的新型復合材料工藝改造制成的增強復合材料，是一種復合性能明顯優(yōu)于原有復合構件的新型材料。與目前傳統(tǒng)的不銹鋼和其他鋁合金主體結構中的合金材料相比，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，且其比強度和比模量都遠高于鋼。
（2）金屬基復合材料
航空航天工業(yè)領域廣泛使用的復合金屬基體的復合材料主要種類是指以氧化鋁、鎂和鈦等輕強度金屬為基礎基體，以其他高強度第二相合金為基礎增強體的金屬復合材料。這種復合材料產品具有良好的導電性、導熱性、耐壓 和耐高溫性、橫向移動性能、低材料消耗性以及優(yōu)良的材料可持續(xù)加工性。金屬基復合材料零件如圖 1 所示。
三、復合材料的應用
1、在大型飛機上的應用
空客 A380 是歐洲空中客車工業(yè)公司開發(fā)并生產的四軸雙引擎 550 座超大型遠程支線寬體輕型客機。其中：25% 的民用飛機機體主要部件由彩色反光復合材料制造工藝設計制成，22% 使用的是彩色反光碳纖維增強塑料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）。
2、在軍用飛機上的應用
先進飛機復合結構材料在軍用飛機上的應用已有 30 多年的歷史，現(xiàn)在已經從剛開始非承重結構部件逐漸發(fā)展壯大到包括垂尾、水平翼、安定翼面、方向舵、副翼、前后機身和前后機翼上的蒙皮等二次和主要的非承重結構部件。例如：歐洲的 A400M 飛機屬于新型第一代大型軍用航空運輸機，其復合材料技術和應用已經有了新的技術飛躍。
四、新型復合材料技術
隨著新型載人航天航空飛行器不斷發(fā)展，新型復合材料對高效率、低成本、長使用壽命、高可靠性以及材料和部件結構等整體綜合性能要求越來越高。為了充分滿足這種復合應用的需求，各種新的新型復合材料應運而生，但是這些新型復合材料的性能并不全面，因此需要在滿足提高現(xiàn)有復合材料應用性能的基礎上，繼續(xù)挖掘新型復合材料的應用潛力?？梢圆捎贸p復合材料和新型結構復合技術，不斷增加復合材料的綜合性能，使其滿足多功能性的需求。
1、超輕材料和結構
（1）高級網格加固結構
這種結構因其具有高度的自動可視化設計性和優(yōu)越的潛在應用性而備受關注。20 世紀 90 年代，斯坦福大學的一篇論文中給出了一種以網格纖維材料增強層和 CFRP 為纖維加強層的各向同體異性層網格纖維加強筋結構，提高了網格結構的比應力強度和結構比模量，增強了網格結構的耐腐蝕性，且采用這種自動化結構制造工藝方法可以大大降低制造成本。
（2）點陣復合材料
哈佛大學的埃文斯教授、劍橋大學的阿什比教授以及麻省理工學院的吉布森教授等 10 余人，率先成功提出了三維空間中晶體網格結構（分子結構）的點陣復合材料概念。這類復合材料的高比強度、高比剛度和多功能性越來越受我國材料科學的重視。近年來，輕復合金屬纖維泡沫復合材料和新型蜂窩結構的點陣復合材料夾芯板已廣泛應用于載人航空和空間航天主體結構，尤其是大型航空主體結構。點陣芯材結構如圖 2 所示。
（3）納米纖維復合材料
納米體系材料因其獨特的化學性質，在實際應用和科學理論等方面具有很大的科學研究價值，具有廣闊的應用發(fā)展前景。近年來，它已逐漸成為我國材料科學技術領域的重要研究發(fā)展方向，被譽為 21 世紀具發(fā)展前途的化學材料。
2、復合材料的連接方式
航天和化工等行業(yè)中，同一臺設備會用到多種不同的材料。實現(xiàn)不同材料之間的連接，特別是焊接難以相融的 材料，是設備整體設計中須解決的問題。目前，較為常用的連接方式有鉚接、螺接和常規(guī)焊接等。
五、我國航空工程新材料的發(fā)展建議
中國的新型復合金屬材料，是為了滿足實際國防和民用航空航天的市場需求而逐步發(fā)展起來的新型材料。受各應用領域的材料系統(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以及性價比低等突出問題，且原材料的進口供應鏈也不能滿足國內市場需求。另外，國內航空復合材料的產品性能、質量、規(guī)格、價格和售后供應服務能力遠遠不能完全滿足國防、航空航天和民用工業(yè)領域的實際需求。特別是中國項目加入世貿組織后，在保護自主研發(fā)知識產權、創(chuàng)新和不斷提高市場競爭力等方面遭受了嚴峻挑戰(zhàn)。
目前，我國正在大力發(fā)展支線軍用飛機、支線民用飛機和大型商用支線客機等航空設備。這些應用領域的不斷發(fā)展迫切需要好的復合材料。雖然經過多年的研究發(fā)展，我國的航空復合材料逐漸發(fā)展形成了一個技術體系，已經基本滿足了航空航天應用型號的相關技術標準要求，但是與發(fā)達國家仍然存有一定的技術差距。因此，有必要對金屬復合結構材料的一些關鍵技術領域進行重點基礎研究和技術創(chuàng)新， 從而為國防和航天工業(yè)的發(fā)展建立必要的物質保障。
六、結語
新材料是航空工程以及其他相關領域的重要物質基礎， 能夠提高航空設備和零件的各方面性能，使設備滿足使用需求。在今后的發(fā)展中，需要不斷研究相關材料，加快推動技術、設備與工藝的互相融合，以促進航空航天事業(yè)的發(fā)展。
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