"一代材料，一代飛機":C919都用了哪些新材料?

出品| 網易新聞

作者| 喻媛，上海飛機設計研究院

　　「一代材料，一代飛機」，萊特兄弟的第一架飛機主要材料是木頭和布，後來金屬材料成為了飛機機體結構材料主流，再後來，複合材料成為航空材料領域爭奪的技術高地，而國內第一個幹線飛機型號C919採用了第三代鋁鋰合金。

第三代鋁鋰合金「養成記」

　　鋁鋰合金材料由於重量輕、比剛度比強度高，被認為是新一代飛機研製較為理想的結構材料。美國、俄羅斯、歐洲和日本在航空航天領域均有使用鋁鋰合金的應用實例。比如空客公司的A330、A340和A380等機型的座椅滑軌、地板梁等部件均使用了鋁鋰合金。

第一代鋁鋰合金缺陷：脆性+生產問題

　　事實上，鋁鋰合金作為鋁合金的一種，在航空材料大家族中並不算新成員。1958年，美鋁公司開發出第一代鋁鋰合金——2020鋁鋰合金，並使用在RA-5C預警機上。但2020鋁鋰合金表現出的脆性和生產問題阻礙了其進一步應用。

第二代鋁鋰合金缺陷：各向異性「先天性缺點」

　　國內在批產型號上正式使用鋁鋰合金材料，可以追溯到本世紀初。隨著蘇27原型機上1420鋁鋰合金的國產化，國內材料和航空界開始對鋁鋰合金有了了解。以1420鋁鋰合金為代表的第二代鋁鋰合金含鋰量一般在2%-3%，密度比普通鋁合金降低約10%。

　　然而，第二代鋁鋰合金存在一個重要的性能缺陷，即存在顯著的各向異性。有人說，各向異性是先天缺點，相應的設計一直是個巨大的挑戰。正因為此，鋁鋰合金材料在國內航空領域始終沒有得到大範圍的推廣應用。

第三代鋁鋰合金改善各向異性

　　於是，在材料供應商美國鋁業的配合下，中國開發出適用于飛機蒙皮的2060鋁鋰合金，改善了第二代鋁鋰合金的各向異性問題，同時材料的屈服強度提高了40%。

　　目前，C919飛機的機身蒙皮、長桁、地板梁、座椅滑軌、邊界梁、客艙地板支撐立柱等部件都使用了第三代鋁鋰合金，其機體結構重量佔比達到7.4%，獲得綜合減重7%的型號收益。

　　C919大型客機前機身大部段

抗腐蝕、抗疲勞的複合材料：抗住「冷凍熱蒸」的考驗

　　從零下55度到零上70度，飛機的運營環境跨度很大，由於地表溫度和高空溫度差異，飛機每次起降都要經過一次冷熱循環，尤其當航線範圍覆蓋熱帶和寒帶時，冷熱循環更加明顯。

　　在約9萬次起降的設計壽命周期里，C919要經受許多由溫差帶來的對飛機機體結構「冷凍熱蒸的考驗」，其機體結構材料的抗腐蝕、抗疲勞性能顯得格外重要。

　　提到抗腐蝕、抗疲勞，還有什麼材料比複合材料更有優勢呢？飛機上使用的複合材料主要是碳纖維增強樹脂基複合材料，最簡單最通俗的類比，想想塑料的耐腐蝕性，高中物理都學過，腐蝕性最強的王水只能用塑料瓶裝，塑料的耐腐蝕性可見一斑。

　　復材的抗疲勞性能也是十分強大，用行內的話說，復材的「靜力覆蓋疲勞」，其破壞一般由靜強度造成，如拉壞、壓壞、剪壞等，不會因為疲勞而破壞，因此只要靜力滿足設計要求，自然滿足疲勞要求。

　　目前，C919的後機身後段、平尾、垂尾、升降舵、方向舵、襟翼、副翼、小翼、擾流板等部位均使用了碳纖維複合材料。「複合材料具有密度小重量輕、比剛度比強度高、抗腐蝕抗疲勞、可設計、整體成型等許多好處，但要實現複合材料的成功應用，無論是裝備體系、零件製造方法，還是適航審定方法，都需要不斷總結和積累。」設計人員說。

　　C919大型客機首架機副翼部段

建立民機材料研究鑒定和應用體系

　　相較於成熟材料，C919飛機上使用的鋁鋰合金和複合材料都是首次運用民機行業，其設計許用值和工藝規範等方面可以說是一片空白。如何實現新材料在民機上的應用？

　　在早幾十年，飛機研製是沒有「材料研究」這個概念的，只有「材料選擇」。國外有什麼材料就選什麼材料，那時候的問題主要是實現選材後的國產化，不至於在批產時被進口材料「卡脖子」。

　　近年來，「材料研究」的重要性被逐漸認可。然而新材料在飛機上的應用卻並不容易。材料的靜力性能、各向異性、疲勞性能、斷裂韌性、疲勞裂紋擴展性能等一系列性能指標都要通過試驗後經統計分析產生，生產條件下零件製造的工藝參數也要通過工藝驗證試驗獲得。

　　「材料合格鑒定程序的建立，系統性地解決了裝機材料的選用、鑒定、成本控制等問題，為型號研製提供生產保障；而新材料研製與應用『路線圖』為新材料通過適航審定認證、實現裝機應用提供了可操作的具體技術方案」，負責C919材料的副總設計師章駿說。

　　目前C919所有材料和標準件均滿足適航審定要求，獲得大量有效數據，建立了複合材料規範體系和設計許用值、第三代鋁鋰合金材料規範體系和製造工藝規範體系，為將來先進材料在國內民機產業的廣泛使用奠定了堅實基礎。

金屬基複合材料有望成為「新寵」

　　提到複合材料，大部分人首先想到增強樹脂基複合材料，殊不知近年來，金屬基複合材料又逐漸走向了新材料研製的前沿。

　　國際上金屬基複合材料以鋁基為主。製備鋁基複合材料的一般方法是將碳化硅顆粒或陶瓷顆粒等混入鋁合金，用攪拌鑄造或粉末冶金的方法混合獲得鋁基複合材料，以提高材料剛度和硬度。鋁基複合材料已在美軍戰機如 F16戰隼戰鬥機的燃油檢查口蓋和腹鰭以及F18 大黃蜂戰鬥機的液壓制動器缸體等部位獲得應用。

　　目前，中國工程師正在開發鋁基複合材料。不同於一般的外加顆粒法，他們提出使用原位自生技術，研製一款嶄新的納米陶瓷鋁基複合材料。

　　在原位自生技術中，以鋁熔體為溶液，引入組成陶瓷的基本元素，合成陶瓷顆粒。通過熔體控制自生技術，能夠有效控制合成陶瓷顆粒的尺寸、形貌和分布，陶瓷顆粒的尺寸由外加顆粒法的幾到幾十微米降低到50-500納米，突破外加顆粒法生產的鋁基複合材料塑性低、加工難等應用瓶頸，同時複合材料具有高剛度、高強度、高抗疲勞、低膨脹、高阻尼、耐高溫等等合金不具備的優越性能。

　　「納米陶瓷鋁基複合材料在提高複合材料綜合性能的同時，既保持了鋁合金易成形、易加工的特性，又具備了複合材料高剛度、高強度、高抗疲勞、低膨脹、高阻尼、耐高溫等特性。納米陶瓷顆粒引入到鑄造系鋁合金，能夠實現大型、複雜、薄壁構件的鑄造成形；引入到變形系鋁合金，能夠進行擠壓、鍛造、軋制、拉拔等處理。因此具備較高的工業推廣價值。」研究方指出。

結語

　　材料是工業的基礎。大力推動新材料的研發應用，對於高端裝備製造業而言是必爭的戰略高地。通過與美鋁、交大等專業研究機構的合作，C919飛機正在不斷提高對國產材料產業轉型升級的引領作用。

作為世界上認知度最高的標籤，中國製造（Made in China）正尋求戰略升級。「了不起的中國製造」專欄，力邀行業權威、資深玩家，呈現他們眼中的中國創新之路。

投稿請聯繫newsresearch_ntes@163.com，稿件一經刊用，將提供千字800元的稿酬。

——————————————

歡迎關注《了不起的中國製造》官方微博

歡迎關注《了不起的中國製造》網易號

編輯| 於冉帝