航空材料：材料应用的最高标杆

　　燃油效率在航空业和汽车业这两大交通制造业中都是一个很重要的指标。不过，汽车的百公里油耗并不是很大，大约5-10L。如果油耗降低1L，带来的经济效益并不是很大（不考虑环保效果），更何况油耗降低往往意味着汽车价格上升。但飞机的油耗就完全跟汽车不在一个数量级上了。一种大型客机，数百个座位，每小时耗油量就达几千升，所以需要携带几十吨的燃料。以波音747-400为例，它最大油箱容量是216840L，最大航程13570公里。燃油效率的提高，可以获得成本降低，最大航程增加，发动机服役寿命增长等有好处。所以，航空业对于燃油效率的改进是有着极大的经济利益的。也正基于这个原因，航空业对于新型材料的渴求是无以复加的。

　　回推到40年前，铝还在称霸着天空。数据显示，铝曾一度占据整个飞机70%，被尽可能地用到了飞机的任何一个角落。而像钛合金、碳纤维等合金及复合材料虽然也有使用，但只占据3%-7%的份量。但时过境迁，现在飞机用铝不超过20%。而复合材料以及金属合金开始占据航空业的舞台。

　　航空铝6061、7050、7075尽管航空业中还有所应用，但已经正在逐步缩小应用范围。 铝在飞机上的用量逐渐降低，但并没有消失。而且，铝正在以其他的方式返回这个它曾经称霸的舞台。不过这里的铝不再是早先的铝或者铝合金。新型的铝合金，例如钛铝合金、铝锂合金，是在世纪之交，由航空新需求的推动发展起来的。

　　作为结构材料使用的钛铝合金主要有三种：α2-Ti3Al、γ-TiAl和δ-TiAl，其中最有潜力的是γ-TiAl。γ-TiAl合金的高温力学性能与镍基高温合金相似，但比镍合金易于加工，更重要的是比重仅为的一半，存在着提高引擎推重比的可能性，是综合性能最好的轻质高温合金，所以普遍认为可以替代700-990℃上使用的镍基高温合金，从而使发动机构件减重。例如低压涡轮叶片和高压压缩机叶片由以前的镍基合金改成了钛铝合金制造。波音787的引擎就使用了钛铝合金制造的低压涡轮叶片。

　　铝锂合金是铝另一个”借尸还魂“的材料。它的设计是为了提高7050和7075铝合金的性能。按照它的发展历史，大致可以分成三代。第一代的代表是20世纪20年代美铝推出的2020合金；第二代代表是20世纪70年代问世的美铝2090合金、Alcan公司的8090和8091合金等等；第三代则是90年代发展起来的美铝2099、2199、2397合金。铝锂合金的高强度、低密度、高硬度、抗破坏性、抗腐蚀性，以及焊接对环境更友好，这些特点使其成为比传统铝合金更适合在商业飞机的机身上使用。铝锂合金同样可以在SpaceX Falcon 9 （特斯拉老总旗下的美国太空运输公司）的燃料和氧化剂容器上找到，也可以在NASA的火箭以及航天飞机上看到。

　　Ti-5553是另一种航空业使用的新材料，具有高强度、轻质、良好的耐腐蚀性能，而且较目前其他钛合金易于机加工。主要的结构部件正在寻求比高强度钢更强更轻的合金，而这种钛合金刚好能够满足。目前Ti-5553已被选择应用于波音787飞机起落架部件和飞机骨架结构件。787中20%使用的是钛合金，其中大部分是Ti-5553。

　　复合材料则是大有取代铝及铝合金成为称霸天空的材料。他们可以减重以提高燃油效率，而且易于控制、设计、成型、维修。例如碳纤维在航空中的应用目前囊括整个功能性部件：机翼、引擎、飞机起落架。重要的是，复合材料可以形成复杂的形状。预先成型的复合材料并不仅仅是轻质和高强，他们还可以减少沉重的紧固件、连接件的数目。而航空业正在流行的是一体化设计，将会继续减少总组装的部件数目，而复合材料则是一个很好的实现工具。

　　如果说碳纤维增强塑料在功能性部件上大放异彩的话，蜂窝状复合材料则使内部结构部件变得更轻质和高效。前述所提及的高温合金的使用，是由于发动机特殊的高温环境所作出的必然选择。发动机最重要的参数是推重比（发动机能产生的推力和它本身的重量之比，推重比越大意味着同样重量同样大小的发动机可以产生更大的推力）。国内外航空发动机的推重比在10一级，此时的涡轮进口温度达到1800-2000K。如果是15-20一级的发动机，进口温度将在2100-2400K。而这个温度已经超过了现有所有高温合金的熔点。

　　陶瓷基复合材料则有可能解决这个问题。它主要有两种，一种是碳纤维增韧碳化硅，一种是碳化硅纤维增韧碳化硅。陶瓷基复合材料表现出较低的密度/质量比，高硬度、更重要的是，超高的热和化学抵御能力。国外认为碳化硅陶瓷基复合材料是发动机高温结构材料技术的至高点。

　　未来，航空业追求着新材料的应用，同时推动着材料本身往前发展的故事仍然会上演。从材料人的切身利益来看，我们更应该希望国产大飞机早日翱翔于天空！