21世紀(jì)金屬材料——鈦合金

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，相比于誕生6000年的銅，誕生4000年的鐵，誕生100年的鋁，鈦是一種非常“年輕”的金屬。鈦合金因具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐蝕性好、耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，也被冠以“21世紀(jì)金屬材料”之名。

從A-10（左圖）到蘇-25、蘇-34（右圖），它們作為對地攻擊機(jī)型，飛行員的座艙周圍都采用了鈦合金裝甲來防護(hù)，也因此得名“鈦合金澡盆”，這部分結(jié)構(gòu)重量基本在半噸左右

鈦合金在飛機(jī)機(jī)體、航空發(fā)動(dòng)機(jī)上無可替代般地應(yīng)用，開啟了航空材料的第三階段發(fā)展歷程。以鈦合金來造飛機(jī)始于上世紀(jì)50年代，如美國X-3技術(shù)驗(yàn)證機(jī)上的鈦合金機(jī)身結(jié)構(gòu)，美國空軍第一型實(shí)用化超音速戰(zhàn)斗機(jī)F-100“超級佩刀”又?jǐn)U大了鈦合金的使用范圍。進(jìn)入60年代，鈦合金在軍用飛機(jī)中的用量迅速增加，使用部位從后機(jī)身、非承力性部件，擴(kuò)大到中機(jī)身，開始部分代替結(jié)構(gòu)鋼，來制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。到第三代戰(zhàn)斗機(jī)陸續(xù)亮相時(shí)，鈦合金的使用已普遍占到結(jié)構(gòu)重量的20%～25%左右。

左圖為制造中的F-22 中機(jī)身的隔框、框架，主要是鈦合金和鋁合金材質(zhì)。右圖為后機(jī)身，主要為鈦合金結(jié)構(gòu)。F-22 有長時(shí)間超音速巡航的性能要求，而具有很高的強(qiáng)度、耐熱性能好，且不會(huì)因氣動(dòng)熱高溫導(dǎo)致強(qiáng)度下降的鈦合金，就很好地滿足了需求。F-22 的這些大尺寸鈦合金部件多數(shù)采用了熱等靜壓鑄件工藝

70年代起，民用飛機(jī)上也開始大量使用鈦合金，比如在劃時(shí)代機(jī)型波音747上，鈦合金的使用量達(dá)到了3.6噸以上。不過在軍機(jī)領(lǐng)域，對高空高速的極致追求下誕生的SR-71偵察機(jī)，其鈦合金使用占到了整機(jī)結(jié)構(gòu)重量的93%，號(hào)稱“全鈦”飛機(jī)。鈦合金一時(shí)成為高新材料的代名詞，其在一架飛機(jī)上的用量成為衡量其先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。

上圖為俄羅斯恢復(fù)生產(chǎn)圖-160轟炸機(jī)后在車間加工鈦合金中央翼盒。翼盒與可變后掠角的外翼相連，因此飛行中該部件要承受巨大載荷，鈦合金就成了最優(yōu)材料。同樣的，美國B-1B轟炸機(jī)上的該結(jié)構(gòu)（紅框處）也是鈦合金材料（下圖），也采用真空電子束焊接工藝

美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22身上鈦合金的用量達(dá)到了39%，特大型鈦合金整體鍛件廣泛用在了后機(jī)身和機(jī)翼上。與此同時(shí)，民機(jī)上的鈦合金用量也在創(chuàng)新高，如波音787和空客A380飛機(jī)的鈦合金用量都達(dá)到了10%以上。這一比例再乘以整機(jī)結(jié)構(gòu)重量，折算下來的鈦合金用量的噸數(shù)可不是小數(shù)字。

后來的解密資料顯示，在SR-71/A-12 的生產(chǎn)中，美國方面還曾通過“皮包公司”從蘇聯(lián)進(jìn)口鈦合金。圖中是唯一一架A-12 教練機(jī)，它的特別之處除了雙座，還在于未涂漆、大部分裸露的鈦合金機(jī)體，難得地能一睹這架“鈦鵝”（TitaniumGoose）的獨(dú)特金屬光澤

F-22的機(jī)翼采用多重梁結(jié)構(gòu)，由鈦合金主翼梁與復(fù)合材料輔助梁組成。翼梁部分原計(jì)劃全部采用復(fù)合材料制造，但抗彈擊試驗(yàn)表明，復(fù)合材料的翼梁無法抵御30毫米口徑彈丸的射擊，生存力差，故而改用了鈦合金

復(fù)合材料，從玻璃纖維到碳纖維

玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料是航空領(lǐng)域最早應(yīng)用的第一種輕質(zhì)復(fù)合材料，它的使用最初是在上世紀(jì)40年代，用于飛機(jī)的整流罩、襟副翼、機(jī)頭和駕駛艙部分等，以及嘗試在直升機(jī)旋翼槳葉上使用。這是航空復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的序幕。不過這時(shí)期的復(fù)合材料在力學(xué)性能上相較其它材料并無優(yōu)勢，制造的零部件尺寸也較小，只用在受力不大的機(jī)體部位。

美國是最早、最主要對硼纖維及其復(fù)合材料進(jìn)行研究開發(fā)并投入使用的國家。自70年代開始，美軍的F-4戰(zhàn)斗機(jī)、F-111戰(zhàn)斗轟炸機(jī)，到后來的F-14和F-15等機(jī)型，它們的水平尾翼、垂直尾翼和氣動(dòng)舵面等都普遍使用硼-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料來制造。不過這種復(fù)合材料雖然在強(qiáng)度、剛度、輕質(zhì)等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的飛機(jī)材料，但居高不下的成本也限制了它的使用。

F-22的機(jī)翼主要由波音公司來生產(chǎn)，圖為正在進(jìn)行機(jī)翼框梁和蒙皮的裝配。按重量統(tǒng)計(jì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)所用材料，鈦合金占47%，復(fù)合材料占38%

“轉(zhuǎn)機(jī)”出現(xiàn)在60年代初，聚丙烯腈（PAN）基碳纖維投入工業(yè)化生產(chǎn)，碳纖維徹底取代硼纖維成為復(fù)合材料發(fā)展的主流。由此，70年代中期誕生了一系列以碳纖維為“增強(qiáng)體”的高性能復(fù)合材料，它們具有其它任何材料無可比擬的高比強(qiáng)度（強(qiáng)度比密度）、高比剛度（模量比密度）性能，對疲勞和腐蝕的敏感性也更低，且在成本上不到硼纖維復(fù)合材料的四分之一。這是航空業(yè)真正革命性的新材料！

碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，不僅是對此前硼纖維的替代，更隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，開始用于制造尺寸更大、更復(fù)雜的航空零部件。80年代以后服役的諸多戰(zhàn)斗機(jī)，復(fù)合材料用在了機(jī)翼、尾翼等主要承力性結(jié)構(gòu)、較大尺寸的部件上，用量達(dá)到了機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的20%～50%。在80年代研制的隱身轟炸機(jī)B-2，普遍估計(jì)其復(fù)合材料用量在80%左右，即全機(jī)結(jié)構(gòu)絕大部分都由復(fù)合材料制成。

美國空軍F-15A 的材料比例：鋁合金37.3%、鈦合金25.8%、鋼5.5%、復(fù)合材料2.2%（硼纖維復(fù)合材料、石墨纖維復(fù)合材料、玻璃纖維）、其它材料29.2%（如蜂窩結(jié)構(gòu)）。同時(shí)期的F-14 在這方面為：36%的鋁合金、25%的鈦合金、15%的鋼，還有4%的非金屬材料和20%的復(fù)合材料等。另外，在鈦合金的用量上，上一代F-4 戰(zhàn)斗機(jī)上只有9%

在這一波航空領(lǐng)域的材料新技術(shù)浪潮中，直升機(jī)的結(jié)構(gòu)材料也同樣得到了進(jìn)化，如歐洲NH90直升機(jī)，其復(fù)合材料用量高達(dá)90%，而傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)MV-22“魚鷹”的復(fù)合材料也在50%左右，用在了機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等。更不用說，對續(xù)航時(shí)間、長航程、輕質(zhì)高強(qiáng)度有著天然需求的無人機(jī)系統(tǒng)，大范圍使用復(fù)合材料來打造無人機(jī)已是性能提升的必需。

復(fù)合材料的應(yīng)用所帶來的多方面好處，同樣吸引著民機(jī)的制造加入這場變革。不過更強(qiáng)調(diào)安全性、經(jīng)濟(jì)性的民機(jī)，這條新材料升級之路走得是相對“小碎步”式的循序漸進(jìn)。從受力較小、尺寸較小的機(jī)身口蓋、整流罩，到受力較小尺寸更大的升降舵、方向舵、襟副翼等，再到垂尾、平尾等受力較大的部件，直至當(dāng)下這一階段的、民用客機(jī)上作為最主要受力部件的機(jī)翼、機(jī)身等，皆由復(fù)合材料整體化制造。

在復(fù)合材料的應(yīng)用上，F(xiàn)/A-18 家族是標(biāo)志性的機(jī)型之一。不過，即便機(jī)身大部分被石墨- 環(huán)氧樹脂復(fù)合材料所覆蓋，但它的機(jī)體結(jié)構(gòu)還是少不了鋁合金。圖中的數(shù)據(jù)為F/A-18E/F 型，此前的F/A-18C/D 則在鋁合金用量上更多，鈦合金、復(fù)合材料上少些

90年代初，波音公司為諾斯羅普生產(chǎn)的B-2機(jī)翼。左圖為生產(chǎn)中自動(dòng)鋪層機(jī)將復(fù)合材料層層鋪設(shè)，而后部件送進(jìn)當(dāng)時(shí)世界最大的熱壓器中處理。B-2機(jī)翼部分也是當(dāng)時(shí)復(fù)合材料制造的最大飛機(jī)結(jié)構(gòu)件

美國的RQ-4“全球鷹”家族（左圖為MQ-4C 海軍型）的復(fù)合材料使用比例達(dá)65% 左右，機(jī)翼、尾翼、后機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)短艙等均為石墨環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。而像MQ-1/MQ-9 家族幾乎完全由碳纖維、凱夫拉纖維和玻璃纖維的增強(qiáng)復(fù)合材料所打造，所以右圖中的一個(gè)細(xì)節(jié)是，在對MQ-9 的機(jī)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)性維護(hù)時(shí)，作業(yè)人員必須穿戴防護(hù)設(shè)備，以防止作業(yè)中吸入有害的碳屑、油漆等

與F-35同時(shí)代、作為落敗者的X-32，也被傾注了波音在復(fù)合材料上的所有新技術(shù)新工藝。左圖為X-32 的奇形怪狀進(jìn)氣道，正在由自動(dòng)鋪帶機(jī)器鋪設(shè)，右為機(jī)翼的整體蒙皮

民機(jī)領(lǐng)域的復(fù)合材料應(yīng)用，空客較于波音來說更為“激進(jìn)”與超前些?？湛吐氏仍贏310客機(jī)上使用了碳纖維復(fù)合材料制造的垂尾，再到A380上的大規(guī)模使用復(fù)合材料（比例近25%）。波音公司則在波音787“夢想客機(jī)”上一舉發(fā)力，將整機(jī)的復(fù)合材料用量提到了50%的水平。不過，空客的新生代客機(jī)A350馬上就再突破，達(dá)到了53%。

隨著復(fù)合材料在民機(jī)制造上的大范圍使用，如今飛機(jī)工廠的生產(chǎn)場景已被徹底顛覆，多了幾分紡織工廠的感覺。圖為完全由復(fù)合材料“編織”出的波音787 的機(jī)體和機(jī)翼

復(fù)合材料=增強(qiáng)材料+基體材料

那么，到底什么是復(fù)合材料？上文中說到的玻璃纖維、碳纖維（石墨纖維）、硼纖維、環(huán)氧樹脂等名詞與“復(fù)合材料”這個(gè)概念又是什么關(guān)系呢？

在學(xué)科概念上，復(fù)合材料是由兩種或兩種以上具有不同物理、化學(xué)性質(zhì)的材料組合而成。在這種“復(fù)合”的材料中，主要由增強(qiáng)材料（增強(qiáng)體）和基體材料兩部分組成，二者的關(guān)系亦如“骨頭”和“肌肉”。前者是復(fù)合材料的關(guān)鍵組成部分，是“骨頭”，起到提高強(qiáng)度、改善性能的作用;后者是“肌肉”，起著粘結(jié)纖維和其它功能填充材料、傳遞載荷的作用。復(fù)合材料=增強(qiáng)體+基體，所以文中的一些復(fù)合材料的名稱，就是“增強(qiáng)體”和“基體”這兩方面材料名稱的組合。

目前公開的俄羅斯蘇-57 的制造材料：40.5%～44.5%鋁合金、22%～26% 復(fù)合材料、18.6% 鈦合金、10.7% 鋼、4.3% 其它材料

而就復(fù)合材料的增強(qiáng)體而言，在形態(tài)上有纖維、薄片、顆粒和晶須等，但總體是以高性能的纖維為主。因增強(qiáng)體由不同種類的材料制成，所以增強(qiáng)體的品種有很多：玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸纖維、天然纖維、超高分子量聚乙烯纖維、PBO纖維、聚酰亞胺纖維、聚芳酯纖維、玄武巖纖維和陶瓷纖維（碳化硅纖維、氧化鋁纖維）等等。

這其中的碳纖維，是高性能纖維增強(qiáng)體中的主流。因?yàn)橹两裎凑业饺芙庠靥嫉娜軇?，所以碳纖維不能由碳元素按照一般合成纖維的生產(chǎn)方法來制造，它的制造是以含碳量高的有機(jī)纖維來作為“前驅(qū)纖維”（前驅(qū)體、原絲），而后在工藝上對其進(jìn)行惰性保護(hù)性氣體下的加熱碳化（1200℃～3000℃），在去除了大部分非碳元素后就得到了“碳纖維”。

雖然沒有這幾種復(fù)合材料的確切用量數(shù)字，但從圖中不難看出，B-2 的全機(jī)結(jié)構(gòu)絕大部分都是由復(fù)合材料制造的。相對而言，F(xiàn)-117 的主體結(jié)構(gòu)仍以鋁合金為主。另外，可見圖中這些復(fù)合材料的名稱，就是幾種常用的增強(qiáng)體和基體材料名的排列組合

碳纖維的工業(yè)化生產(chǎn)中所需的原絲有黏膠纖維、瀝青纖維和聚丙烯腈纖維三種，而后者是目前產(chǎn)量最高、品種最多、發(fā)展最快、技術(shù)最成熟的制造方法，所以在關(guān)于復(fù)合材料、碳纖維的文字中，我們?？吹健熬郾╇妫≒AN）基碳纖維”這一專有名詞。雖然，在英文概念中“碳纖維”基本等同于“石墨纖維”，不過真正意義上的石墨纖維是，在碳纖維基礎(chǔ)上的再近一步的2000℃～3000℃高溫處理后得到的含碳量高達(dá)99%的石墨纖維，材料的多種性能指標(biāo)得到了進(jìn)一步提升。

新生代的客機(jī)A350 上復(fù)合材料用量高達(dá)53%（其它為鋁/ 鋁鋰合金19%、鈦合金14%、鋼6%、其它8%），其演示樣機(jī)刷上這么特別的碳纖維涂裝來展示

直徑為6微米的碳纖維與人頭發(fā)絲的對比

08年澳大利亞皇家空軍F-111C經(jīng)歷的一次撞鳥事故，機(jī)頭雷達(dá)罩崩裂，露出了內(nèi)部的玻璃纖維做增強(qiáng)體的復(fù)合材料

其它增強(qiáng)體方面，問世較早的玻璃纖維，其復(fù)合材料至今依舊有著廣泛應(yīng)用;硼纖維的應(yīng)用限于成本、工藝等因素屬于曇花一現(xiàn)，不過其復(fù)合材料在機(jī)體修復(fù)上依舊有一片用武之地;芳綸具有很高的拉伸強(qiáng)度和優(yōu)異的韌性，與樹脂基體或陶瓷基體制成的復(fù)合材料可用于裝甲防護(hù)（我們熟悉的凱夫拉便是芳綸纖維的一種），又因芳綸有阻燃性，其復(fù)合材料也用于飛機(jī)的內(nèi)艙件;石英纖維，是均勻、超純玻璃纖維，具有優(yōu)異的介電性能，其復(fù)合材料多用于制作高性能的雷達(dá)天線罩和電路板;碳化硅纖維是一種陶瓷纖維，其突出優(yōu)點(diǎn)是耐高溫，其與金屬基、陶瓷基的復(fù)合材料主要應(yīng)用在長期高溫的環(huán)境。

歐洲的“雙風(fēng)”作為第3++ 代機(jī)型，在復(fù)合材料的應(yīng)用上都達(dá)到了一個(gè)新高度，比如機(jī)翼結(jié)構(gòu)上的大范圍使用，所涉及的增強(qiáng)材料既有碳纖維、玻璃纖維，也有凱夫拉。另外，在鈦合金的使用上，二者也頗有共性，都是用在機(jī)翼前緣和鴨翼部分

F-22和F-35上的材料使用情況。F-22限于當(dāng)時(shí)復(fù)合材料在生產(chǎn)工藝、裝配環(huán)節(jié)上的成本關(guān)系，其24% 的使用比例還算不上很高，而F-35的三型機(jī)總體在35%上下，以碳纖維為主

基體材料一般分為樹脂、金屬（含合金）和陶瓷。目前航空結(jié)構(gòu)中使用的復(fù)合材料絕大多數(shù)是樹脂基復(fù)合材料。高性能樹脂基體就是一種高分子聚合物材料，按照加工性能不同分為熱固性和熱塑性兩種。前者熱固性樹脂基體目前占主導(dǎo)地位，主要有環(huán)氧、雙馬來酰亞胺、聚酰亞胺、聚酯、酚醛、異氰酸酯等。代表性的高性能熱塑性基體主要有聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮（PEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚酰亞胺（PEI）等。

環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，是最早開發(fā)并用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造的復(fù)合材料，至今仍在復(fù)合材料大家族中占有重要地位，且應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，新品種不斷開發(fā)。環(huán)氧樹脂最高使用溫度達(dá)150℃，在軍用飛機(jī)無高溫要求的結(jié)構(gòu)和商用飛機(jī)上被越來越多地采用。雙馬來酰亞胺樹脂成本較高，主要用在高性能軍機(jī)上的耐高溫構(gòu)件上。聚酰亞胺樹脂則由于優(yōu)異的高溫性能，更多是用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)“冷端”零部件上。

洛馬公司在F-35的生產(chǎn)上也采用了當(dāng)下民機(jī)領(lǐng)域成熟的“總承包商- 供應(yīng)商”模式，圖中是奧爾巴尼工程復(fù)合材料公司（AEC）承接自洛馬公司的F-35 復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮生產(chǎn)業(yè)務(wù)

洛馬公司在F-35的生產(chǎn)上也采用了當(dāng)下民機(jī)領(lǐng)域成熟的“總承包商- 供應(yīng)商”模式，圖中是奧爾巴尼工程復(fù)合材料公司（AEC）承接自洛馬公司的F-35 復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮生產(chǎn)業(yè)務(wù)

在樹脂基復(fù)合材料之外的金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料，它們擺脫了樹脂基耐熱性差的局限，使用環(huán)境溫度可在350℃～1200℃之間。但限于制備技術(shù)復(fù)雜、不易制造大尺寸零部件等因素，這類復(fù)合材料的應(yīng)用范圍和技術(shù)成熟度都還遠(yuǎn)不及樹脂基復(fù)合材料。