热闹的航空领地争夺战：金属和复合材料之争
航空材料学家坚持不懈，一直以提高材料强度，减轻飞机重量，提高飞行效率为目标。目前碳纤维增强已经逐渐从次承力结构部件应用跃升机翼、机身等主承力构件的必选材料，与传统的铝合金之间拉开了一场难分胜负的较量。新的科技技术的进步促使复合材料快速成熟的同时，铝合金等传统金属材料也不断挖掘潜力、推陈出新，展开新一轮的拉锯。
美铝公司铝锂合金机身壁板验证件
先进复合材料产品和工艺持续改进，碳纤维跨入高强高模时代
复合材料用量已成为衡量航空装备的先进性标志之一。碳纤维复合材料目前在小型商务飞机和直升机上的使用量已占70%~80%，在军用飞机上占30%~40%，在大型客机上占15%~50%。
碳纤维复合材料存在性能欠缺、加工工艺繁复、成本高等问题。碳纤维复合材料除了具有优异比强度、比刚度和耐腐蚀等优点外，其外形制造可以高完整性一次成形，在一个加工周期内成形机翼整体带筋壁板和机身整体筒形带筋壁板，极大地减少了紧固件的使用；而且，碳纤维复合材料采用加成制造方法成形结构件，在保持了强度等性能的同时，避免了金属切削加工造成的大量原材料浪费。然而，碳纤维复合材料还具有一些显著的缺点，比如，碳纤维技术进步缓慢，目前的航空主流碳纤维仍是采用30年前的产品；机翼、机身这样的主承力构件固化通常需要热压罐，能耗大且费时；原材料和加工成本高、经济可承受性较差；环保性、防腐性和回收性有待提高。
洛·马X-55运输机全复合材料机身
复合材料充分利用先进技术创新，改进自身缺陷。第三代碳纤维产品实现跨代发展。目前主流航空航天级碳纤维采用日本东丽公司的T800S。T800S是继代碳纤维T300之后，推出的第二代碳纤维产品，由于模量较低、碳纤维材料脆性大，容易导致复合材料构件的疲劳损伤，发生灾难性破坏。高端航空产品一直迫切需要综合性能更高的碳纤维原材料，特别是高强度和高模量兼备的碳纤维原材料。2014年，东丽公司宣布研制出新型碳纤维T1100G，其拉伸强度较T800S分别提高12%，同时拉伸模量较T800S和T1000G均高10%，属于高强高模类型碳纤维产品。这被认为是第三代碳纤维产品。T1100G有望替代现有飞机结构件中采用的T800S，改善飞机主承力结构的性能，进一步扩大碳纤维增强复合材料的比例，减轻飞机重量，提高燃油效率。
非热压罐制造工艺改进传统固化工艺。非热压罐（OOA）成形一直是业界创新研究的重点，有望实现复合材料的快速生产和制造成本降低而备受关注。目前在这个领域，已经取得了众多丰硕的成果，这其中，比较典型的有：洛·马公司制造出的X-55先进全复合材料运输机及其18米长的全复合材料机身，波音和空客合作制造的波音787后压力隔框和2.5米长的翼梁验证件，斯普利特航空系统公司制造的X-47B无人机中机身验证件，GKN航宇公司制造的下一代复合材料整体机翼验证件， Quickstep公司利用压力舱成形制造的F-35零件，Duqueine集团利用模压成形制造的A350机身框架组件，以及波音和洛·马分别应用基于非热压罐成形的自动丝束铺放工艺制造大型部件等。
热塑性复合材料有望应用到主承力结构件。以连续纤维或长纤维增强的高性能热塑性复合材料，既具有热固性复合材料那样良好的综合力学性能，又在材料韧性、耐腐蚀性、耐磨性及耐温性方面有明显的优势，在工艺上还具有良好的二次或多次成型和易于回收的特性，有利于资源充分利用和减少环境压力，具有良好的发展和应用前景。目前空客在这方面处于位置，已从次承力结构件向主承力结构件发展。美国海军陆战队的西科斯基CH-53K重型直升机的货厢底板代表了低成本热塑性复合材料制造和组装的另一个有效的应用。
轻质高强高韧金属材料重振雄风，
第三代铝锂合金问世
铝合金仍是飞机结构的主选材料。尽管复合材料发展迅速，然而不管复合材料的推崇者们怎样鼓吹其优异的性能，铝合金仍然是飞机结构的除复合材料之外的不二材料；特别是随着大量采用复合材料的飞机逐步迈入市场，复合材料在材料属性、设计经验、制造水平和维修维护方面存在问题，波音787的交付延迟有很大一部分原因就在合作伙伴复合材料能力不足，而这些问题也使得一些制造商们又重新将目光投向了铝合金。
第三代铝锂合金攻克传统铝合金长期存在的问题。传统高纯铝合金材料由于过重，已经逐渐被铝锂合金淘汰掉。然而，、二代铝锂合金由于为追求密度降低大化，致使锂含量过高，导致合金加工性、耐蚀性及损伤容限性能较差。第三代铝锂合金无疑是“金属复兴之路”的重要筹码。第三代铝锂合金在添加锂元素时，更加注重合金强度与疲劳裂纹扩展性能两者之间的平衡。通过降低锂含量（约为1%~2%）及优化热机械处理制度，克服了早期铝锂合金的缺点，从而获得实际应用。美铝公司称，与碳纤维复合材料相比，铝锂合金材料不仅气动性好、防腐能力强、可回收，并且重量还要轻10%，制造、运行、维修成本要低30%，总体的风险更低。
铝合金制造商采取多项攻势，
为铝合金重新获得应用造势
美铝公司推出多个第三代铝锂合金型号。在美铝的第三代铝锂合金产品中，2099和2199分别是目前的旗舰产品和未来的主打产品。2099型低密度、高强度模压合金，刚度、损伤容限、耐腐蚀性和焊接性都相当高，在对抗片状剥落腐蚀上，比现有的7150型铝合金要高出一大截。目前，该型合金已经用到了波音787、空客A350、A380和庞巴迪C系列飞机上。2199型板材，具备高模量、高强度、低密度、低光谱疲劳裂纹增长率等属性，适合用在机身和下翼蒙皮上，比传统铝合金可以实现20%的减重。在应力腐蚀试验中，2099和2199型第三代铝锂合金，应力腐蚀极限强度达到了传统的7150和2024型铝合金的数倍。预计，2199型合金将会成为波音737-max和空客A320neo机身和下翼面的重要材料。
肯联公司AirWare系列产品助力第三代铝锂合金。法国肯联公司大量投资新的AirWare系列铝合金产品具有低密度、高刚度和更好的损伤容限等特征，结合重新设计的结构和先进焊接技术，使用该材料可减少高达25%的结构重量。其产品有三种形式：I-Gauge型低密度板材，用于165毫米厚的构件，耐腐蚀性比传统铝合金提高46%，耐疲劳性提高25%；I-Form型薄板材，可以设计成复杂的三维曲面形状而不损失力学性能，同时减少制造步骤，比传统铝合金构件轻3%、韧性高47%、耐腐蚀性高40%，适合飞机机头和机尾结构；I-Core型低密度、高强度模压合金，防撞性能优越，适合货舱地板梁。
飞机制造商的“两全”选择。目前就这两种材料的发展状况而言，碳纤维复合材料并不能完全取代铝锂合金；铝锂合金也不能挡住复合材料在部件应用中的不断成熟的步伐。两种材料的研制方都在抓紧时间争取技术上的创新，克服材料自身存在的缺陷，如复合材料有望在提高增强体强度的基础上，改进传统热压罐制造工艺，缩短加工时间及成本；铝锂合金则需要进一步提高强度、耐腐蚀和损伤韧性。
面对复合材料与金属之争，波音、空客等大型飞机制造商并没有冷眼观潮，看两方恶斗，而是黑白兼顾，各有侧重和扶持。在复合材料方面，他们主动探索低成本、高效率的机翼和机身制造技术，继续推进波音787和A350的制造技术改进；在铝合金方面，他们积极采用第三代铝锂合金，并且在激光焊接、搅拌摩擦焊、激光喷丸等先进工艺上寻求突破，持续用于波音747-8和A380的效率改进以及波音737-max和空客A320neo的性能提升。在可预见的未来，碳纤维复合材料和先进铝锂合金的竞争还会加剧，为装备发展提供更为先进的先行材料。
更多信息请关注复合材料信息网http://www.cnfrp.com
