在飛機製造領域，複合材料還不具備取代金屬材料的條件

06-26

從軍用飛機到民用飛機、從小型直升機到大型固定翼飛機，從小零件到主結構。在一般人心目當中，複合材料儼然已經成為「先進」的代名詞。然而具體到中國的環境，我們還要有清醒的認識：第一，中國複合材料與國外的先進水平相比差距很大；第二，在巨大差距的現實面前中國應該發揮自身在航空材料上的獨特優勢，求得主動；第三，複合材料還不具備取代金屬材料的條件，兩者依然在相互吸收對方優點，迭代進步；

顯然，如何在中國商用大飛機上合理應用複合材料仍然是一個複雜課題。而且複合材料的複雜性還在於它仍然存在缺陷，人類對它的認識仍然有限。複合材料在比強度、比剛度、抗腐蝕等方面較金屬材料有很大優勢，但是它十分容易「受內傷」。比如你是一個地勤人員，不小心磕了飛機的蒙皮，如果是金屬材料，會很容易發現機體癟進去了一塊，從而引起維護人員的注意；而若是複合材料，則幾乎沒有任何變化，但內部的損傷就很難發現了。因此現在使用複合材料的商用飛機大量在機體內安裝感測器，以隨時監測材料的變化。美國航空公司每年為此種損傷成本達20億美元，而這些，都不能阻止災難的發生。

2001年11月12日清晨，一家美國航空公司的587號航班準時從跑道上起飛，然而幾分鐘後，飛機墜毀，機上全部乘客及機組人員，以及地面上五名無辜生命，全部遇難。2005年3月6日，一架飛往加拿大航班961號班機，在距佛羅里達海岸六英里的高空，突然發生複合材料方向舵斷裂的險情。六個月後，同樣的險情發生了。一個地面人員在對另一架裝有碳複合材料的方向舵和尾翼的空中客車做例行維修檢查的時候，不小心把方向舵上的一部分弄壞了，結果發現方向舵的內層竟然從碳複合材料中剝落了。這幾起事故，複合材料都出現了嚴重的質量問題

儘管這個事件暴露的是空中客車飛機在複合材料的使用上，但實際上空中客車公司反而要比波音公司要保守一些。原因就是空客認為複合材料抗衝擊性不好，缺乏塑性、受高衝擊部位（如艙門周圍及前緣）難於修理。此外它的扭轉彎曲強度及應力尚不十分清楚。然而波音則樂觀的多，認為制約複合材料的因素只有如何降低成本。在一些專家看來，未來隨著產量不斷增加，甚至會出現複合材料的「鈑金」件，屆時飛機的空重會進一步降低，經濟型會更加突出。然而，仍然有很多人認為，複合材料可靠性仍然有待檢驗。雖然發達國家關注於複合材料的生產，但是相當程度原因是因為一些發達國家（如日本）缺少鈦、鎂、稀土等稀缺金屬資源而採取的替代方法。複合材料非但不能取代金屬材料，而且複合材料的大發展直接刺激了金屬材料的更新換代速度。

近年以來鋁合金的挖潛工作仍在不斷展開。首先就是在設計上引入損傷容限這一概念，使鋁合金航空部件有震動盡量不產生裂紋，其次產生裂紋之後，裂紋的擴展非常的慢，不至於在空中發生重大的安全事故。除此以外，就是進一步研發現新型的鋁合金材料。例如美國Alcoa公司開發的新型7085鋁合金，成分特點是鋅鎂比大和鐵、硅含量很低。由於淬透性好，其最大厚度可達300mm，已經用於A380翼梁和翼肋，與製造超厚板材和大型鍛件用的傳統鋁合金材料相比，7085強度更高，抗損傷性能更好， 7085合金製成的A380飛機後翼梁是迄今為止最大的一個飛機模鍛件，尺寸為6.4m×1.9m，重約3900公斤，使A380的重量明顯降低。而C460以及2196屬於第3代鋁鋰合金，專為擠壓件開發，抗腐蝕性也得到了改善。

GLARE（層間混雜複合材料，或稱纖維金屬層板）

除了鋁鋰合金，鈦合金在飛機結構中的應用也迅速嶄露頭角。在A380上，鈦合金的用量已經從原來占空客飛機結構重量的5%～7%增加到10%，這對未來飛機結構選材提出了獨特的挑戰。　空客首次在A380發動機弔掛架主要結構上使用全鈦合金材料。採用的普通Ti-6A1-4V合金也經過了β退火條件處理，以使之達到最大斷裂韌性和最小裂紋擴展速度。在F/A-22、V-22等軍用飛機上迅猛崛起的鈦合金精鑄技術也正逐步進入大型飛機領域。1999年，波音777的發動機後安裝框架鈦合金精鑄件在零件靜力試驗成功後已用于波音777。這是首次在民機上獲得成功應用。

更有趣的是，複合材料和金屬材料也在互相融合。比如A380和波音787分別選用了GLARE（層間混雜複合材料，或稱纖維金屬層板）和TiGr（鈦/石墨化合物複合材料）。GLARE的密度較高且模量較低，但其成本顯著降低，而且顯著提高了疲勞性能、拉伸強度、壓縮性能、衝擊性能和阻尼性能，疲勞試驗結果表明，3/2GLARE的疲勞壽命為膠接鋁板的23～35倍。而TiGr更是解決了GLARE碳纖維與鋁合金之間的接觸腐蝕問題，還能進一步提高綜合性能（特別是高溫性能）。儘管空客公司作為率先在民機承力結構上使用複合材料的公司，在複合材料應用方面積累了大量經驗，但是它和波音公司在機體選材上有不同的觀點。空客的複合材料用量從小步漸進式過渡到後來大步躍進式的增加（由大約結構重量的10%增加到22%），而波音公司則採用革命式的模式（由大約10%增加到50%）。兩家公司在全複合材料機身問題上有截然相反的態度，空客公司更看重推行從GLARE 向鋁鋰合金機身發展的轉變。

相對於中國碳纖維材料上的躑躅不前，具有中國特色的先進合金材料可是具有相當的競爭力。例如TC21鈦合金的性能不僅具有國際先進水平，而且在合金及其鍛造工藝上都具有自主知識產權。而中國在金屬材料的損傷容限設計上甚至走在了歐美國家的前面。如何利用自己的優勢，在儘可能使用國內先進材料的同時，與國外展開技術獎換與合作，以增強我國大型客機的國際競爭力，是項目的管理者所要面臨的嚴肅課題。

運-20

應當承認，中國改革開放的成就離不開大量勞動力密集型的企業。然而中國仍需要發展，產業升級是不可迴避的必經之路。大飛機，僅僅是其中富有代表性的標誌性成果。然而越隨著中國向高端產業的衝擊，缺乏底蘊、心態浮躁的缺點就會影響甚至阻礙前進的態勢。無論是航空複合材料還是航空複合材料，都屬於材料科學這一門極其嚴肅的應用科學，它不是玄虛的政治理論，更不是熱血的標語口號。只有你真正洞悉分子、原子尺度上的科學規律，才能創造出屬於自己的天地。否則，只能在嚴酷的現實面前撞個頭破血流甚至粉身碎骨。材料科學不可能立竿見影，材料工業更不可能一蹴而就。在這個領域，短線、投機從來都要讓位於長遠和實幹。

如果把產業鏈比喻成食物鏈，那麼大飛機無疑是位於頂層的「高級動物」。而構成「高級動物」堅實骨架的則是航空材料工業。我們不用拘泥於複合材料和金屬材料的高下之爭，但是需要明確的應該是一點：在在弱肉強食的叢林生存法則中殺出自己的一片天地，需要的是高度智慧的大腦（管理者），只有這樣才能適應環境的變化，才能為自己找到充足的水源和食物，才能生長出健壯的骨架和肌肉，最終讓蓬勃的生命綻放在陽光之下。