飞机是用什么材料制成的?(一种非常“年轻”的金属)

21世纪金属材料——钛合金

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,相比于诞生6000年的铜,诞生4000年的铁,诞生100年的铝,钛是一种非常“年轻”的金属。钛合金因具有强度高、质量轻、耐蚀性好、耐热性高等优点,被广泛用于各个领域,也被冠以“21世纪金属材料”之名。

科技前沿,飞机是用什么材料制成的?

从A-10(左图)到苏-25、苏-34(右图),它们作为对地攻击机型,飞行员的座舱周围都采用了钛合金装甲来防护,也因此得名“钛合金澡盆”,这部分结构重量基本在半吨左右

钛合金在飞机机体、航空发动机上无可替代般地应用,开启了航空材料的第三阶段发展历程。以钛合金来造飞机始于上世纪50年代,如美国X-3技术验证机上的钛合金机身结构,美国空军第一型实用化超音速战斗机F-100“超级佩刀”又扩大了钛合金的使用范围。进入60年代,钛合金在军用飞机中的用量迅速增加,使用部位从后机身、非承力性部件,扩大到中机身,开始部分代替结构钢,来制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。到第三代战斗机陆续亮相时,钛合金的使用已普遍占到结构重量的20%~25%左右。

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左图为制造中的F-22 中机身的隔框、框架,主要是钛合金和铝合金材质。右图为后机身,主要为钛合金结构。F-22 有长时间超音速巡航的性能要求,而具有很高的强度、耐热性能好,且不会因气动热高温导致强度下降的钛合金,就很好地满足了需求。F-22 的这些大尺寸钛合金部件多数采用了热等静压铸件工艺

70年代起,民用飞机上也开始大量使用钛合金,比如在划时代机型波音747上,钛合金的使用量达到了3.6吨以上。不过在军机领域,对高空高速的极致追求下诞生的SR-71侦察机,其钛合金使用占到了整机结构重量的93%,号称“全钛”飞机。钛合金一时成为高新材料的代名词,其在一架飞机上的用量成为衡量其先进性的重要指标之一。

科技前沿,飞机是用什么材料制成的?
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上图为俄罗斯恢复生产图-160轰炸机后在车间加工钛合金中央翼盒。翼盒与可变后掠角的外翼相连,因此飞行中该部件要承受巨大载荷,钛合金就成了最优材料。同样的,美国B-1B轰炸机上的该结构(红框处)也是钛合金材料(下图),也采用真空电子束焊接工艺

美国第四代战斗机F-22身上钛合金的用量达到了39%,特大型钛合金整体锻件广泛用在了后机身和机翼上。与此同时,民机上的钛合金用量也在创新高,如波音787和空客A380飞机的钛合金用量都达到了10%以上。这一比例再乘以整机结构重量,折算下来的钛合金用量的噸数可不是小数字。

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后来的解密资料显示,在SR-71/A-12 的生产中,美国方面还曾通过“皮包公司”从苏联进口钛合金。图中是唯一一架A-12 教练机,它的特别之处除了双座,还在于未涂漆、大部分裸露的钛合金机体,难得地能一睹这架“钛鹅”(TitaniumGoose)的独特金属光泽

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F-22的机翼采用多重梁结构,由钛合金主翼梁与复合材料辅助梁组成。翼梁部分原计划全部采用复合材料制造,但抗弹击试验表明,复合材料的翼梁无法抵御30毫米口径弹丸的射击,生存力差,故而改用了钛合金

复合材料,从玻璃纤维到碳纤维

玻璃纤维增强的复合材料是航空领域最早应用的第一种轻质复合材料,它的使用最初是在上世纪40年代,用于飞机的整流罩、襟副翼、机头和驾驶舱部分等,以及尝试在直升机旋翼桨叶上使用。这是航空复合材料技术发展的序幕。不过这时期的复合材料在力学性能上相较其它材料并无优势,制造的零部件尺寸也较小,只用在受力不大的机体部位。

美国是最早、最主要对硼纤维及其复合材料进行研究开发并投入使用的国家。自70年代开始,美军的F-4战斗机、F-111战斗轰炸机,到后来的F-14和F-15等机型,它们的水平尾翼、垂直尾翼和气动舵面等都普遍使用硼-环氧树脂复合材料来制造。不过这种复合材料虽然在强度、刚度、轻质等方面都优于传统的飞机材料,但居高不下的成本也限制了它的使用。

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F-22的机翼主要由波音公司来生产,图为正在进行机翼框梁和蒙皮的装配。按重量统计机翼结构所用材料,钛合金占47%,复合材料占38%

“转机”出现在60年代初,聚丙烯腈(PAN)基碳纤维投入工业化生产,碳纤维彻底取代硼纤维成为复合材料发展的主流。由此,70年代中期诞生了一系列以碳纤维为“增强体”的高性能复合材料,它们具有其它任何材料无可比拟的高比强度(强度比密度)、高比刚度(模量比密度)性能,对疲劳和腐蚀的敏感性也更低,且在成本上不到硼纤维复合材料的四分之一。这是航空业真正革命性的新材料!

碳纤维复合材料的应用,不仅是对此前硼纤维的替代,更随着制造技术的进步,开始用于制造尺寸更大、更复杂的航空零部件。80年代以后服役的诸多战斗机,复合材料用在了机翼、尾翼等主要承力性结构、较大尺寸的部件上,用量达到了机体结构重量的20%~50%。在80年代研制的隐身轰炸机B-2,普遍估计其复合材料用量在80%左右,即全机结构绝大部分都由复合材料制成。

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美国空军F-15A 的材料比例:铝合金37.3%、钛合金25.8%、钢5.5%、复合材料2.2%(硼纤维复合材料、石墨纤维复合材料、玻璃纤维)、其它材料29.2%(如蜂窝结构)。同时期的F-14 在这方面为:36%的铝合金、25%的钛合金、15%的钢,还有4%的非金属材料和20%的复合材料等。另外,在钛合金的用量上,上一代F-4 战斗机上只有9%

在这一波航空领域的材料新技术浪潮中,直升机的结构材料也同样得到了进化,如欧洲NH90直升机,其复合材料用量高达90%,而倾转旋翼机MV-22“鱼鹰”的复合材料也在50%左右,用在了机身、机翼、尾翼、旋转机构等。更不用说,对续航时间、长航程、轻质高强度有着天然需求的无人机系统,大范围使用复合材料来打造无人机已是性能提升的必需。

复合材料的应用所带来的多方面好处,同样吸引着民机的制造加入这场变革。不过更强调安全性、经济性的民机,这条新材料升级之路走得是相对“小碎步”式的循序渐进。从受力较小、尺寸较小的机身口盖、整流罩,到受力较小尺寸更大的升降舵、方向舵、襟副翼等,再到垂尾、平尾等受力较大的部件,直至当下这一阶段的、民用客机上作为最主要受力部件的机翼、机身等,皆由复合材料整体化制造。

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在复合材料的应用上,F/A-18 家族是标志性的机型之一。不过,即便机身大部分被石墨- 环氧树脂复合材料所覆盖,但它的机体结构还是少不了铝合金。图中的数据为F/A-18E/F 型,此前的F/A-18C/D 则在铝合金用量上更多,钛合金、复合材料上少些

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90年代初,波音公司為诺斯罗普生产的B-2机翼。左图为生产中自动铺层机将复合材料层层铺设,而后部件送进当时世界最大的热压器中处理。B-2机翼部分也是当时复合材料制造的最大飞机结构件

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美国的RQ-4“全球鹰”家族(左图为MQ-4C 海军型)的复合材料使用比例达65% 左右,机翼、尾翼、后机身和发动机短舱等均为石墨环氧树脂复合材料。而像MQ-1/MQ-9 家族几乎完全由碳纤维、凯夫拉纤维和玻璃纤维的增强复合材料所打造,所以右图中的一个细节是,在对MQ-9 的机体进行结构性维护时,作业人员必须穿戴防护设备,以防止作业中吸入有害的碳屑、油漆等

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与F-35同时代、作为落败者的X-32,也被倾注了波音在复合材料上的所有新技术新工艺。左图为X-32 的奇形怪状进气道,正在由自动铺带机器铺设,右为机翼的整体蒙皮

民机领域的复合材料应用,空客较于波音来说更为“激进”与超前些。空客率先在A310客机上使用了碳纤维复合材料制造的垂尾,再到A380上的大规模使用复合材料(比例近25%)。波音公司则在波音787“梦想客机”上一举发力,将整机的复合材料用量提到了50%的水平。不过,空客的新生代客机A350马上就再突破,达到了53%。

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随着复合材料在民机制造上的大范围使用,如今飞机工厂的生产场景已被彻底颠覆,多了几分纺织工厂的感觉。图为完全由复合材料“编织”出的波音787 的机体和机翼

复合材料=增强材料+基体材料

那么,到底什么是复合材料?上文中说到的玻璃纤维、碳纤维(石墨纤维)、硼纤维、环氧树脂等名词与“复合材料”这个概念又是什么关系呢?

在学科概念上,复合材料是由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料组合而成。在这种“复合”的材料中,主要由增强材料(增强体)和基体材料两部分组成,二者的关系亦如“骨头”和“肌肉”。前者是复合材料的关键组成部分,是“骨头”,起到提高强度、改善性能的作用;后者是“肌肉”,起着粘结纤维和其它功能填充材料、传递载荷的作用。复合材料=增强体+基体,所以文中的一些复合材料的名称,就是“增强体”和“基体”这两方面材料名称的组合。

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目前公开的俄罗斯苏-57 的制造材料:40.5%~44.5%铝合金、22%~26% 复合材料、18.6% 钛合金、10.7% 钢、4.3% 其它材料

而就复合材料的增强体而言,在形态上有纤维、薄片、颗粒和晶须等,但总体是以高性能的纤维为主。因增强体由不同种类的材料制成,所以增强体的品种有很多:玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶纤维、天然纤维、超高分子量聚乙烯纤维、PBO纤维、聚酰亚胺纤维、聚芳酯纤维、玄武岩纤维和陶瓷纤维(碳化硅纤维、氧化铝纤维)等等。

这其中的碳纤维,是高性能纤维增强体中的主流。因为至今未找到溶解元素碳的溶剂,所以碳纤维不能由碳元素按照一般合成纤维的生产方法来制造,它的制造是以含碳量高的有机纤维来作为“前驱纤维”(前驱体、原丝),而后在工艺上对其进行惰性保护性气体下的加热碳化(1200℃~3000℃),在去除了大部分非碳元素后就得到了“碳纤维”。

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虽然没有这几种复合材料的确切用量数字,但从图中不难看出,B-2 的全机结构绝大部分都是由复合材料制造的。相对而言,F-117 的主体结构仍以铝合金为主。另外,可见图中这些复合材料的名称,就是几种常用的增强体和基体材料名的排列组合

碳纤维的工业化生产中所需的原丝有黏胶纤维、沥青纤维和聚丙烯腈纤维三种,而后者是目前产量最高、品种最多、发展最快、技术最成熟的制造方法,所以在关于复合材料、碳纤维的文字中,我们常看到“聚丙烯腈(PAN)基碳纤维”这一专有名词。虽然,在英文概念中“碳纤维”基本等同于“石墨纤维”,不过真正意义上的石墨纤维是,在碳纤维基础上的再近一步的2000℃~3000℃高温处理后得到的含碳量高达99%的石墨纤维,材料的多种性能指标得到了进一步提升。

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新生代的客机A350 上复合材料用量高达53%(其它为铝/ 铝锂合金19%、钛合金14%、钢6%、其它8%),其演示样机刷上这么特别的碳纤维涂装来展示科技前沿,飞机是用什么材料制成的?

直径为6微米的碳纤维与人头发丝的对比科技前沿,飞机是用什么材料制成的?

08年澳大利亚皇家空军F-111C经历的一次撞鸟事故,机头雷达罩崩裂,露出了内部的玻璃纤维做增强体的复合材料

其它增强体方面,问世较早的玻璃纤维,其复合材料至今依旧有着广泛应用;硼纤维的应用限于成本、工艺等因素属于昙花一现,不过其复合材料在机体修复上依旧有一片用武之地;芳纶具有很高的拉伸强度和优异的韧性,与树脂基体或陶瓷基体制成的复合材料可用于装甲防护(我们熟悉的凯夫拉便是芳纶纤维的一种),又因芳纶有阻燃性,其复合材料也用于飞机的内舱件;石英纤维,是均匀、超纯玻璃纤维,具有优异的介电性能,其复合材料多用于制作高性能的雷达天线罩和电路板;碳化硅纤维是一种陶瓷纤维,其突出优点是耐高温,其与金属基、陶瓷基的复合材料主要应用在长期高温的环境。

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欧洲的“双风”作为第3++ 代机型,在复合材料的应用上都达到了一个新高度,比如机翼结构上的大范围使用,所涉及的增强材料既有碳纤维、玻璃纤维,也有凯夫拉。另外,在钛合金的使用上,二者也颇有共性,都是用在机翼前缘和鸭翼部分

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F-22和F-35上的材料使用情况。F-22限于当时复合材料在生产工艺、装配环节上的成本关系,其24% 的使用比例还算不上很高,而F-35的三型机总体在35%上下,以碳纤维为主

基体材料一般分为树脂、金属(含合金)和陶瓷。目前航空结构中使用的复合材料绝大多数是树脂基复合材料。高性能树脂基体就是一种高分子聚合物材料,按照加工性能不同分为热固性和热塑性两种。前者热固性树脂基体目前占主导地位,主要有环氧、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、聚酯、酚醛、异氰酸酯等。代表性的高性能热塑性基体主要有聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)等。

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环氧树脂基复合材料,是最早开发并用于飞机结构制造的复合材料,至今仍在复合材料大家族中占有重要地位,且应用范围不断扩大,新品种不断开发。环氧树脂最高使用温度达150℃,在军用飞机无高温要求的结构和商用飞机上被越来越多地采用。双马来酰亚胺树脂成本较高,主要用在高性能军机上的耐高温构件上。聚酰亚胺树脂则由于优异的高温性能,更多是用在航空发动机“冷端”零部件上。

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洛马公司在F-35的生产上也采用了当下民机领域成熟的“总承包商- 供应商”模式,图中是奥尔巴尼工程复合材料公司(AEC)承接自洛马公司的F-35 复合材料机翼蒙皮生产业务

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洛马公司在F-35的生产上也采用了当下民机领域成熟的“总承包商- 供应商”模式,图中是奥尔巴尼工程复合材料公司(AEC)承接自洛马公司的F-35 复合材料机翼蒙皮生产业务

在树脂基复合材料之外的金属基复合材料、陶瓷基复合材料,它们摆脱了树脂基耐热性差的局限,使用环境温度可在350℃~1200℃之间。但限于制备技术复杂、不易制造大尺寸零部件等因素,这类复合材料的应用范围和技术成熟度都还远不及树脂基复合材料。

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