航空材料：材料應用的最高標桿

　　燃油效率在航空業和汽車業這兩大交通制造業中都是一個很重要的指標。不過，汽車的百公里油耗并不是很大，大約5-10L。如果油耗降低1L，帶來的經濟效益并不是很大（不考慮環保效果），更何況油耗降低往往意味著汽車價格上升。但飛機的油耗就完全跟汽車不在一個數量級上了。一種大型客機，數百個座位，每小時耗油量就達幾千升，所以需要攜帶幾十噸的燃料。以波音747-400為例，它最大油箱容量是216840L，最大航程13570公里。燃油效率的提高，可以獲得成本降低，最大航程增加，發動機服役壽命增長等有好處。所以，航空業對于燃油效率的改進是有著極大的經濟利益的。也正基于這個原因，航空業對于新型材料的渴求是無以復加的。

　　回推到40年前，鋁還在稱霸著天空。數據顯示，鋁曾一度占據整個飛機70%，被盡可能地用到了飛機的任何一個角落。而像鈦合金、碳纖維等合金及復合材料雖然也有使用，但只占據3%-7%的份量。但時過境遷，現在飛機用鋁不超過20%。而復合材料以及金屬合金開始占據航空業的舞臺。

　　航空鋁6061、7050、7075盡管航空業中還有所應用，但已經正在逐步縮小應用范圍。 鋁在飛機上的用量逐漸降低，但并沒有消失。而且，鋁正在以其他的方式返回這個它曾經稱霸的舞臺。不過這里的鋁不再是早先的鋁或者鋁合金。新型的鋁合金，例如鈦鋁合金、鋁鋰合金，是在世紀之交，由航空新需求的推動發展起來的。

　　作為結構材料使用的鈦鋁合金主要有三種：α2-Ti3Al、γ-TiAl和δ-TiAl，其中最有潛力的是γ-TiAl。γ-TiAl合金的高溫力學性能與鎳基高溫合金相似，但比鎳合金易于加工，更重要的是比重僅為的一半，存在著提高引擎推重比的可能性，是綜合性能最好的輕質高溫合金，所以普遍認為可以替代700-990℃上使用的鎳基高溫合金，從而使發動機構件減重。例如低壓渦輪葉片和高壓壓縮機葉片由以前的鎳基合金改成了鈦鋁合金制造。波音787的引擎就使用了鈦鋁合金制造的低壓渦輪葉片。

　　鋁鋰合金是鋁另一個”借尸還魂“的材料。它的設計是為了提高7050和7075鋁合金的性能。按照它的發展歷史，大致可以分成三代。第一代的代表是20世紀20年代美鋁推出的2020合金；第二代代表是20世紀70年代問世的美鋁2090合金、Alcan公司的8090和8091合金等等；第三代則是90年代發展起來的美鋁2099、2199、2397合金。鋁鋰合金的高強度、低密度、高硬度、抗破壞性、抗腐蝕性，以及焊接對環境更友好，這些特點使其成為比傳統鋁合金更適合在商業飛機的機身上使用。鋁鋰合金同樣可以在SpaceX Falcon 9 （特斯拉老總旗下的美國太空運輸公司）的燃料和氧化劑容器上找到，也可以在NASA的火箭以及航天飛機上看到。

　　Ti-5553是另一種航空業使用的新材料，具有高強度、輕質、良好的耐腐蝕性能，而且較目前其他鈦合金易于機加工。主要的結構部件正在尋求比高強度鋼更強更輕的合金，而這種鈦合金剛好能夠滿足。目前Ti-5553已被選擇應用于波音787飛機起落架部件和飛機骨架結構件。787中20%使用的是鈦合金，其中大部分是Ti-5553。

　　復合材料則是大有取代鋁及鋁合金成為稱霸天空的材料。他們可以減重以提高燃油效率，而且易于控制、設計、成型、維修。例如碳纖維在航空中的應用目前囊括整個功能性部件：機翼、引擎、飛機起落架。重要的是，復合材料可以形成復雜的形狀。預先成型的復合材料并不僅僅是輕質和高強，他們還可以減少沉重的緊固件、連接件的數目。而航空業正在流行的是一體化設計，將會繼續減少總組裝的部件數目，而復合材料則是一個很好的實現工具。

　　如果說碳纖維增強塑料在功能性部件上大放異彩的話，蜂窩狀復合材料則使內部結構部件變得更輕質和高效。前述所提及的高溫合金的使用，是由于發動機特殊的高溫環境所作出的必然選擇。發動機最重要的參數是推重比（發動機能產生的推力和它本身的重量之比，推重比越大意味著同樣重量同樣大小的發動機可以產生更大的推力）。國內外航空發動機的推重比在10一級，此時的渦輪進口溫度達到1800-2000K。如果是15-20一級的發動機，進口溫度將在2100-2400K。而這個溫度已經超過了現有所有高溫合金的熔點。

　　陶瓷基復合材料則有可能解決這個問題。它主要有兩種，一種是碳纖維增韌碳化硅，一種是碳化硅纖維增韌碳化硅。陶瓷基復合材料表現出較低的密度/質量比，高硬度、更重要的是，超高的熱和化學抵御能力。國外認為碳化硅陶瓷基復合材料是發動機高溫結構材料技術的至高點。

　　未來，航空業追求著新材料的應用，同時推動著材料本身往前發展的故事仍然會上演。從材料人的切身利益來看，我們更應該希望國產大飛機早日翱翔于天空！