飞机，当代工业文明之花。如今大家所乘坐的民航客机，早已使用了高端的复合材料，既可以确保优良的飞行性能，同时能够提供足够的安全性。回顾人类百年航空发展史，飞机的发展进化与材料科学的进步密不可分。航空领域“一代材料，一代飞机”的理念历久弥新。

莱特兄弟与“飞行者一号”

飞机结构大致可以分为机体、发动机、机载设备和座舱，尾翼等。其中最重要是机身和发动机，人类历史上公认的第一架飞机，是美国自行车商人莱特兄弟（Wilbur and Orville Wright，Wright brothers）在1903年制造的“飞行者一号”，在当时的科技水平下，他们选用了成本低廉又便于加工的木头。整架飞机由47%（按重量计算）北美云衫木，35%的钢和18%的布构成。这也是飞机被发明初期使用的最主要的材料。

莱特兄弟飞行者一号的现代复制品

1906年，德国人威尔姆发明了铝合金（硬铝/杜拉铝）。随后第一次世界大战的爆发，有力地推动了杜拉铝在飞机上的应用，但是这时杜拉铝取代的主要还是一部分钢。非受力部位，还是用的木材，外面的蒙皮，依然还是布。

1915年，德国工程师胡戈·容克斯（Hugo Junkers），用铝合金造出了世界上第一架结构全部使用金属的飞机。这一举动改变了航空材料的发展前景，1940年代，全金属飞机的飞行速度就可以达到600公里/小时，比一战时期的飞机快了好几倍。到了现代，塑性良好、轻便牢固还成本低廉的铝合金，一直被广泛使用在各种飞机的制造上。

世界首款全金属飞机Junkers J 1，1915年12月12日首飞

不过铝合金还有和它类似的镁合金，有一个缺点就是不够耐高温，最多只能承受100多度的温度，而飞机发动机的温度更高，这个时候，就只能让更加耐高温的钢材出马了。另外，铝、镁合金的坚硬程度也不如钢，像飞机各个部件比如机翼和机尾连接处，对材料的承重性要求很高，最适宜使用的也是耐高压的钢材。用超过三倍音速的速度震惊美国人，让其一度认为前苏联人掌握了外星黑科技的米格-25战斗机，就是靠着80％合金钢（俗称不锈钢）的结构，才达到了这样的强度。

米格25飞机，1964年3月6日首飞

复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、单晶晶须、金属丝和硬质细粒等。

上世纪60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，欧美先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106cm，比模量大于4×108 cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，这种复合材料被称为先进复合材料（Advanced Composites Material，简称ACM）。

先进复合材料具有质量轻，较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、减震、耐高（低）温等特点，如已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑等行业。zai在飞机制造领域，先进复合材料用于飞机的主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当或超过铝合金的复合材料。目前被大量地应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体结构制造上。

Lear Fan2100型飞机

20世纪70年代，美国里尔飞机（Learjet Inc）研制的Lear Fan2100型飞机，是世界上第一架以先进复合材料为主的全复合材料飞机，主要以碳纤维/环氧树脂和凯夫拉尔复合材料为主，结构减重达40%，1981年1月首飞。Lear Fan2100生产制造了三架原型机后项目最终被取消，但在复合材料技术方面取得积累彻底改变了航空制造业。

同样在70年代研制，1981年4月12日首次执行飞行任务的哥伦比亚号航天飞机大量采用先进复合材料。这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长18.2m、宽4.6m的主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器。在这架代表近代最尖端技术成果的航天飞机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料。

发射执行STS-1任务的哥伦比亚号

1981年9月26日首飞的波音767，使用先进复合材料作为主承力结构。可商载80人，不仅减轻了重量，还提高了飞机的各种飞行性能。

波音7X7（767-200型）在1982年范堡罗航展上首次亮相

波音787梦想客机于2009年12月15日首飞

2009年首飞的波音B787已经成为结构设计中使用复合材料重量占比最多的商用飞机之一，B787机型大约一半的结构将由复合材料(按重量计算)制成，与F-35联合攻击战斗机和欧洲台风战斗机的比例相似。碳纤维除了用于制作机身和货舱门的蒙皮外，还用于制造以翼梁、机翼桁条和机翼蒙皮为一体的整体复材构件，同时还用于制造复合翼肋。

空客在1972年首次在A300上采用复合材料，在雷达罩和垂直尾翼前缘和后缘使用玻璃纤维 (GFRP)。20世纪80年代，空客公司开始使用长碳纤维 (CFRP)材料来制造(例如：扰流板、空气制动器、方向舵、襟翼)，垂直尾翼的主要结构。

芬兰航空的A300B4-203FF，A300早期型号不设翼尖小翼

空客A380，原型机（F-WWOW）2005年4月27日首飞

2002年，大量使用复合材料的势继续发展，空客为A340-600和A318配备了油箱、后压力舱壁和龙骨梁；之后空客还为A380设计了碳纤维中心翼箱和碳纤维增强塑料后机身。

飞机用复合材料经过40余年的发展，已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件，可获得减轻质量（20-30）% 的显著效果。目前已进入成熟应用期，对提高飞机技战术水平、可靠性、耐久性和维护性已无可置疑，其设计、制造和使用经验已日趋丰富。

大型客机复合材料应用比例

在通用飞机领域，复合材料的使用率更高。与民航客机和军机相比，轻型飞机的尺寸比较小，结构简单，使用环境温和，适航标准也更宽松，所以复合材料在轻型飞机上的应用所受到的限制很小，且制造成本更低。轻型飞机一般复合材料用量超过70%，属于全复合材料飞机。

Hoffmann HK-36R Super Dimona

奥地利钻石飞机公司的前身霍夫曼飞机工厂是全球最早生产制造全复合材料通用飞机的制造商之一。其1980年10月9日首飞的HK36动力滑翔机，机身由全玻璃纤维构成。1991年，飞行员彼得·乌拉赫在奥地利驾驶一架HK36飞上真高36,188尺（11030.1米），打破了当时活塞飞机飞行高度纪录。HK36为后来的钻石DA20和四座的钻石DA40等飞机奠定了设计基础。

目前国际主流的通用飞机制造商均采用复合材料飞机制造工艺。

航空技术的进步与发展，对航空材料的更新起着积极的推动作用。与此同时，新材料的出现，制造工艺与理化测试技术的进步，又为航空产品的设计与制造提供了重要的物质与技术基础，从而不断推动航空产业的发展。

转自万户宇航


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