先進(jìn)材料的強(qiáng)度、韌性及可維修性正在推動下一代飛機(jī)及其動力裝置的發(fā)展，目標(biāo)是獲得長壽命、無修理的結(jié)構(gòu)以及工作溫度更高、油效更高的發(fā)動機(jī)。有人說，如果說上世紀(jì)90年代可以稱作電子時(shí)代，當(dāng)時(shí)廣泛采用先進(jìn)的飛行管理及安全系統(tǒng)，如EGPWS（增強(qiáng)的近地告警系統(tǒng)）及TCAS II（交通告警及防撞系統(tǒng)），那么21世紀(jì)的頭10年將無疑是先進(jìn)材料年代，這些先進(jìn)材料包括碳復(fù)合材料、鈦、鋁合金及玻璃增強(qiáng)鋁層壓材料。
復(fù)合材料在機(jī)體上應(yīng)用的增長已導(dǎo)致鈦及其他特殊金屬成比例的增長，用以代替長期應(yīng)用的鋁。這是因?yàn)殇X與石墨復(fù)合材料的電化學(xué)性能不同從而引起腐蝕，因此隨著復(fù)合材料應(yīng)用的增長，鈦將變成防腐蝕的優(yōu)選材料。
1.復(fù)合材料的市場興旺
航空制造商現(xiàn)在大約采用2.5億千克原材料（根據(jù)E復(fù)合材料公司"2004~2010年全球航空工業(yè)用復(fù)合材料的機(jī)遇"調(diào)查報(bào)告）。鋁長期以來是機(jī)體及機(jī)身的*材料，但這種選擇正在放慢，主要是因?yàn)橹亓�、成本及維修性問題。
過去30年，復(fù)合材料的應(yīng)用從波音737及747的小于5%增加到A320的17%，而787將用大約50%，其油效將比類似大小飛機(jī)高20%，其部分原因就是由于復(fù)合材料的應(yīng)用。A380預(yù)計(jì)復(fù)合材料每架高于20%。本來根據(jù)復(fù)合材料優(yōu)缺點(diǎn)的平衡，在民機(jī)上占結(jié)構(gòu)重量的20%為宜，新的發(fā)展趨勢已打破了這一論點(diǎn)。
E復(fù)合材料公司估計(jì)復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用在2005年到2010年間每年將增加10%，同期材料價(jià)值估計(jì)大約46億美元。國防工業(yè)與787及A380一樣在預(yù)測期也是復(fù)合材料需要之源。該公司估計(jì)在2005~2010年間，全球?qū)?fù)合材料的市場需求包括雷達(dá)罩、平尾、垂尾、襟翼、地板及機(jī)身。
2.大尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)浮出水面
大尺寸結(jié)構(gòu)如機(jī)身及機(jī)翼一向是鋁的地盤，將越來越多被復(fù)合材料擠出。EADS公司制造的A400M軍用運(yùn)輸機(jī)將有一復(fù)合材料機(jī)翼，與787競爭的A350也將采用復(fù)合材料機(jī)翼。
787將采用世界上*大的復(fù)合材料機(jī)身。目前已建造了4個(gè)開發(fā)型復(fù)合材料機(jī)身筒體，制造方案據(jù)說已敲定。波音也已制造了機(jī)頭段及全尺寸的復(fù)合材料機(jī)翼盒成形件，以驗(yàn)證制造技術(shù)及保障技術(shù)。
787主結(jié)構(gòu)區(qū)用的預(yù)浸料正在由日本東麗公司制造，該公司采用聚丙烯腈碳纖維。
波音已將復(fù)合材料預(yù)浸料（高強(qiáng)度碳纖維及韌化環(huán)氧）用在波音777的尾翼及地板梁之類結(jié)構(gòu)。東麗公司將為787提供復(fù)合材料。
不只是美國人干得歡，歐洲也在從事其大規(guī)模復(fù)合材料開發(fā)。根據(jù)1240萬美元的FUBACOMP（全尺寸筒體復(fù)合材料機(jī)身）計(jì)劃，一些公司已生產(chǎn)了一個(gè)整體的碳纖維前機(jī)身段（包括風(fēng)擋、艙門及窗）。
該結(jié)構(gòu)是根據(jù)達(dá)索公司的"隼"的4：5比例由達(dá)索及BAE系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)，在BAE系統(tǒng)生產(chǎn)廠內(nèi)制造的。
目前已可用碳纖維、蜂窩、泡沫或碳鑲?cè)爰圃煺w機(jī)身結(jié)構(gòu)。
這個(gè)4.5m長，2m寬的機(jī)身是在英國德貝郡（Derbyshire）的先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)公司的先進(jìn)芯軸上設(shè)計(jì)制造的。為了實(shí)現(xiàn)所需的芯軸性能，在制造后易將零件從芯軸上取下來，芯軸與真空成為一體以便在熱壓罐內(nèi)用真空袋進(jìn)行壓實(shí)，用一擁有專利技術(shù)的動態(tài)密封法實(shí)現(xiàn)真空。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有一系列優(yōu)點(diǎn)，不僅降低裝配成本，也可使飛機(jī)變得更輕，因無金屬件，疲勞問題也少。
現(xiàn)在機(jī)身已運(yùn)到法國圖魯茲進(jìn)行靜強(qiáng)度、疲勞及鳥撞試驗(yàn)。
3.新高溫合金涌現(xiàn)
通用電氣、普惠及羅羅公司和斯奈克瑪公司發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的高溫合金在提高冷端及熱端的性能上起著關(guān)鍵作用。
特別引人注意的是傳統(tǒng)的718鎳鉻高溫合金的改進(jìn)型718plus，它是由ATT Allvac 公司生產(chǎn)的。Allvac 718plus是一種時(shí)效硬化的鎳基高溫合金，具有高的高溫拉伸及持久性能，在650℃以上具有與Waspaloy合金相同的高溫性能及熱穩(wěn)定性。而成本較低，同時(shí)具有718合金的焊接及加工性能。
由于718plus比718耐溫高出55℃，可以用來制造性能更好的動力裝置。
4.鋁合金不斷適應(yīng)新變化
目前，鋁合金在航空上的衰落被過分夸大了。因787的開發(fā)及A380的首飛對鋁合金制造商是一鼓舞。例如A380的特點(diǎn)是比空客其他飛機(jī)用更多的Alcoa公司的鋁產(chǎn)品。為了應(yīng)付新機(jī)的制造需要，Alcoa公司將在今后18個(gè)月內(nèi)投資6000萬美元增加大約50%的熱處理薄板及厚板的生產(chǎn)。
Alcoa在2002年啟動了在今后20年內(nèi)將成本及航空零件重量各減少20%的計(jì)劃。稱之"Alcoa航空20/20創(chuàng)議"。目標(biāo)是通過開發(fā)諸如鋁鋰、鋁鎂之類低密度合金及新的連接工藝（如攪動摩擦焊、激光焊及膠結(jié)）開發(fā)及應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)。
Alcoa公司的戰(zhàn)略集中在縮小鋁合金與復(fù)合材料之間的性能差距，并同時(shí)改進(jìn)現(xiàn)有金屬產(chǎn)品的性能。
在機(jī)翼設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)放在受拉應(yīng)力的上蒙皮及受壓應(yīng)力的下蒙皮，方法是采用具有先進(jìn)性能的合金，進(jìn)行選擇性的增強(qiáng)，采用纖維金屬層壓材料再加上局部增強(qiáng)的焊接方法以及整體增強(qiáng)的壁板。
對比分析表明，除了性能改進(jìn)外，上述措施表明：僅用先進(jìn)合金可使重量減少5%，
先進(jìn)合金局部增強(qiáng)時(shí)，可減重9%，用層壓的纖維金屬板時(shí)，減重可達(dá)13%。
目前Alcoa公司已評估幾種機(jī)身方案，相信20/20的目標(biāo)將達(dá)到。
*近在空客的A350新機(jī)開發(fā)方案中，就將采用Alcoa的一些思想，例如在機(jī)身蒙皮中就準(zhǔn)備采用第三代鋁鋰合金C47A，并采用攪動摩擦焊。通過設(shè)計(jì)、材料與工藝的結(jié)合來使鋁合金適應(yīng)新的要求�？湛凸臼挚春娩X合金機(jī)身結(jié)構(gòu)的抗損傷能力，認(rèn)為在這方面優(yōu)于787的復(fù)合材料機(jī)身。
5.高性能鎂合金仍有生命力
鎂合金是*輕的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于噴氣發(fā)動機(jī)及直升機(jī)的減速器機(jī)匣，近年應(yīng)用有所減少。但工作溫度可達(dá)200℃的含Nd的Elektron 21鎂合金已取得航空材料規(guī)范（AMS4429），并已批準(zhǔn)進(jìn)入新版的MMPDS(以前的Mil-HDBK-5)設(shè)計(jì)手冊，該手冊2006年初將再版。
研制該合金的英國著名的Magnesium Elektron公司正在開發(fā)新的高強(qiáng)高溫變形鎂合金，叫做Elektron 675，其強(qiáng)度2倍于鋁，重量是鈦的一半。可在100~300℃用于航空及國防產(chǎn)品，十分引人注目，表明鎂合金仍有生命力。
6.鈦合金擴(kuò)大應(yīng)用的關(guān)鍵是降低成本
近年鈦合金的應(yīng)用也受新材料競爭的威脅。但仍是航空材料中不可缺少的重要材料。估計(jì)在今后5年飛機(jī)增長速度達(dá)10%，波音787及A380，F(xiàn)-22及F-35等飛機(jī)仍是鈦的大的用戶，因鈦是復(fù)合材料相匹配的材料。
鈦合金的高比強(qiáng)度及高斷裂韌性使其廣泛用于軍機(jī)如F-22、F-35、歐洲戰(zhàn)斗機(jī)及"幻影"，鈦合金用量達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的40%。新的高強(qiáng)鈦合金如Timetal555已選用作飛機(jī)框架、緊固件及起落架。
降低鈦合金成本是目前的重點(diǎn)之一，工藝上的改進(jìn)是主要出路。美國材料學(xué)會制訂了新規(guī)范AMS6945，批準(zhǔn)Ti-6Al-4V合金只經(jīng)一次熔煉，即采用電子束熔煉，已生產(chǎn)225萬千克產(chǎn)品作軍用。新近美空軍對此工藝進(jìn)行資助，為將來在航空上的應(yīng)用打開了門路。今后趨勢是降低鈦的冶煉工藝成本，如采用鈦礦直接還原以及
粉末冶金等。等離子弧熔煉也是一種制造鈦合金航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動件的優(yōu)質(zhì)工藝。還有近無余量的激光逐層制造法也有發(fā)展前途，目前已在F-15及C-17上進(jìn)行了飛行驗(yàn)證。
7.新穎的涂層
一種是用納米技術(shù)提高零件的耐久性，值得一提的是超韌納米復(fù)合材料涂層可以改進(jìn)航空發(fā)動機(jī)零件的耐久性，正在美國空軍實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行開發(fā)，并已發(fā)現(xiàn)了其中的機(jī)理：宏觀塑性是由極硬的納米晶/非晶復(fù)合材料產(chǎn)生的，是由于大量的納米晶粒在非晶基體中平移1～2nm引起。當(dāng)其以高加載速率進(jìn)行大的接觸變形時(shí)，產(chǎn)生高的斷裂韌性。實(shí)驗(yàn)室起初開發(fā)了一種新的耐磨材料，由非常硬的3～5nm的碳化物或氧化物鑲?cè)敕蔷У念惤饎偸蓟蚪饘?陶瓷混合物基體，在初步鑒定階段新材料顯示異常的高硬度（超過陶瓷）以及斷裂強(qiáng)度（類似于金屬）。
另一種是用太陽能涂層降低飛機(jī)的受熱，值得一提的是，據(jù)英國Qinetiq公司報(bào)道，它開發(fā)了一種太陽能反射涂層，可降低飛機(jī)表面的溫度。該涂層稱作低太陽負(fù)荷（LSL）漆，具有各類軍民用途，可降低飛機(jī)、車船的全壽命成本。
試驗(yàn)已表明LSL與傳統(tǒng)漆相比可降低表面溫度達(dá)35%，在熱氣候條件下可望進(jìn)一步降低。這一技術(shù)可以通過減少空調(diào)及隔熱材料來降低重量及成本。LSL外觀為黑色。
