飛機的"油耗"是航空公司特別關注的指標。最新的波音787承諾可降低油耗20％，其中通過大量使用復合材料（用量將為50％）可降低油耗8％；A350為了在競爭中取勝，在其改進方案A350XWB中使用復合材料可達52％；150座級的波音737和A320的后繼機也將大量使用復合材料。我國的大型飛機項目已經上馬，在大飛機材料的應用方面我國與歐美國家有哪些差距？在選材方面應注意哪些問題？帶著以上問題，記者采訪了北京航空材料研究院的曹春曉院士。 　　
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記者：自從人類實現動力飛行一百多年來，飛機歷經了五個時代的發展，請問飛機機體的材料結構經歷了那幾個階段的發展？飛機的發展和材料的發展有著什么樣的聯系？
曹院士：飛機機體的材料結構已經經歷了四個發展階段，正在跨入第五階段。這五個階段為：第一階段（1903～1919年），木、布結構；第二階段（1920 ～ 1949年），鋁、鋼結構；第三階段（1950 ～ 1969年），鋁、鈦、鋼結構；第四階段（1970 ～ 21世紀初），鋁、鈦、鋼、復合材料結構（以鋁為主），第五階段（21世紀初～ ）：復合材料、鋁、鈦、鋼結構（以復合材料為主）。 內容來自123456
一百多年來，材料與飛機一直在相互推動下不斷發展，飛機的先進性在很大程度上又取決于材料的先進性，"一代材料，一代飛機"正是航空工業發展的生動寫照。 　

記者：國外新一代大型飛機上各類材料的用量有什么樣的變化趨勢？
曹院士：總的趨勢是復合材料和鈦合金的用量不斷增多，已創歷史新高。C-17軍用運輸機鈦用量占全機材料重量的10.3%（鈦零件總重6.8t），復合材料用量8.1%，鋁合金用量69.3%，鋼用量12.3%；歐洲軍用運輸機A400M復合材料用量35%～40%；空中"泰坦尼克"A380鋁合金用量61%，復合材料用量22%，鈦合金用量10%；波音787復合材料用量50%，鋁合金用量20%，鈦用量15%，鋼用量10%；空中客車 A350復合材料用量 52%，鋁鋰合金用量23%，鋁合金用量11%，鈦合金用量9%，鋼用量14%，其他材料用量6%。　　

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記者：國外新一代大型飛機在材料技術上有哪些突破呢？
曹院士：近來，一些具有新意的材料技術嶄露頭角。
(1)波音787使用復合材料整體機身段。 內容來自123456
(2) A380率先在中央翼盒上大量采用復合材料（原為全金屬結構）。波音787則進一步發展為全復合材料翼盒直至全復合材料機翼。A380中央翼盒重8.8t，其中復合材料5.3t，減重1.5t。
(3) 液態復合成形(LCM)已作為成熟的工程技術應用于新一代大型飛機。LCM可分為樹脂轉移模塑（RTM）和樹脂薄膜浸滲（RFI）兩種制備技術。由于LCM技術具有成本低、周期短、質量高、工作環境好和有利于結構整體化等優點，使原來在減重方面就占優勢的樹脂基復合材料如虎添翼，顯著增強了與金屬材料的競爭力。比如A380中央翼盒的5個工字梁用RTM制成，并率先采用RFI技術制造復合材料襟翼滑軌梁；波音787機身的很多地板橫梁用RFI技術制造，其起落架撐桿則用RTM技術制造。
(4) 復合材料風扇葉片在GE90發動機上使用近十年來未出現任何問題。GE90的成功使用，使GenX發動機放心地正式選用帶鈦前緣的復合材料風扇葉片。 波音787、A350等大型客機用的GenX發動機采用了復合材料前風扇機匣和帶鈦前緣的復合材料風扇葉片。
(5) A380和波音787分別選用了層間混雜復合材料（纖維金屬層板）GLARE和鈦/石墨化合物復合材料TiGr。
與金屬基疊層板復合材料（ARALL）相比， 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、沖擊性能和阻尼性能。因此GLARE層板一問世，就引起世界各大飛機制造公司的關注。"九五"期間北京航空材料研究院（BAIM）的疲勞試驗結果表明，3/2GLARE的疲勞壽命為膠接鋁板的23～35倍。這是由于纖維的橋接作用降低了鋁板裂紋尖端的應力強度因子，經過一定循環次數后裂紋以近似恒定的速率擴展。
在A380 上 GLARE機身壁板一共有27塊，最長的一塊為11m，總覆蓋面積達470m2。此外GLARE還用在垂直尾翼的前緣和水平穩定面上。GLARE用量占A380總結構重量的3%。成本與鋁材相近的GLARE不但使A380結構重量減輕800kg，而且提高了其使用壽命和可維修性。
由于GLARE很難徹底解決碳纖維與鋁合金之間的接觸腐蝕問題，因此完全商品化尚需時日，而TiGr既無電化學腐蝕問題，又可進一步提高綜合性能（特別是高溫性能），因此應運而生。據報導，波音公司將選用TiGr制造波音787的機翼和機身蒙皮。TiGr還可以用來作為蜂窩夾層的面板。實踐表明，自動鋪放的TiGr層板的性能高于手工鋪疊的TiGr層板。
(6)A380是首次推出全鈦掛架的飛機，A350也采用全鈦掛架，均選用β退火的Ti-6Al-4V ELI。 

(7)新型高強高韌近β型鈦合金Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr首次在A380平臺上閃亮登場。這是空客公司與俄羅斯合作，在BT22(Ti-5Al-5V-5Mo-1Cr-1Fe)基礎上研發的一種新合金，已用于A380機翼與掛架的連接裝置。它的強度與韌性之間的優良組合受到了設計師們和鈦合金工作者的青睞。 123456
(8)在F/A-22、V-22等軍用飛機上迅猛崛起的鈦合金精鑄技術正逐步進入大型飛機領域。1999年，波音777的發動機后安裝框架鈦合金精鑄件在零件靜力試驗成功后已用于波音777。這是首次在民機上獲得成功應用，由于客機在安全可靠性方面的具有更高要求，故這一開端具有重要意義。
近期，A380客機的鈦合金剎車扭力管已由英國Doncasters公司采用離心熔模精鑄技術制成，這是歐洲首次采用鈦合金剎車扭力管精鑄件取代以往的鍛件。
最近，Howmet公司、波音公司與美國空軍研究實驗室聯合進行薄壁鈦鑄件的開發，選擇C-17軍用運輸機發動機掛架為對象，各用一個整體鑄件取代由17個Ti-6Al-4V鈑金件組成的鼻帽和由多個零件、不少緊固件組成的防火封嚴件。目前已達到1.27mm厚度的要求，并引入新生產的 C-17飛機。60個鼻帽鑄件在全壽命期可節約320萬美元，防火封嚴件改用薄壁鑄件后可降低成本70%以上。
(9)第三代鋁鋰合金在A350、A380上的大量應用是空客新一代飛機的一大特色。A380已正式選用鋁鋰合金制造地板梁，正打算用作機身蒙皮和下翼面的桁條。A350已選用鋁鋰合金制造機身蒙皮和地板結構等，其用量高達總結構重量的23%。鋁鋰合金東山再起的主要原因是在不斷優化成分的基礎上推出了2094、2195、2097、2197等第三代合金。這些合金的共同特點是降低了鋰含量和優化了銅等合金元素的含量，從而控制了Al3Li相的析出，解決了第二代合金出現的上述問題。第三代鋁鋰合金取代2124、2024鋁合金制成的零部件在F-16戰斗機上的成功驗證也是東山再起的重要原因。 本文來自123
(10)新型高強鋁合金7085的問世為特大鍛件在A380上的應用開辟了道路。已有高強鋁合金的鍛件或厚板的厚度均有一定限制，例如，7055 限于 38mm，7150雖較理想，其厚度也不允許大于 120mm。為了能獲得厚度更大的高強鋁合金鍛件或厚板，美國Alcoa公司開創了一個具有專利權的7085鋁合金，由于淬透性好，其最大厚度可達300mm。
7085鋁合金的成分特點是鋅鎂比大和鐵、硅含量很低。7085合金制成的A380飛機后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。

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Alcoa公司與飛機制造商合作制造一支線飛機的緊急出口艙門用的7085鋁合金整體鍛件，將零件數由147個減至40個，緊固件由1400個減至450個，使裝配時間減少80%，生產占地面積減少60%，成本降低20%～25%，重量減輕20%。 

記者：我國的大型飛機研制項目包含大型客機和大型運輸機兩大部份，大運和大客在材料的選用方面有什么區別？ 內容來自123456
曹院士：為了縮短研制周期、節省研制費用、降低銷售價格和提高成熟程度，建議設計者和材料工作者緊密結合，盡可能增加大型運輸機和大型客機上共用材料的比例。這樣做更有利于客機用國產材料通過適航條例。
對于大型運輸機，材料應立足于國內是顯而易見的。對于大型客機用的材料，可按市場競爭原則進行全球采購，但這個"全球"理應包括國內供應商，特別對于關鍵材料，都應盡早具備自主供應的能力。既然要求我國大型客機要具有相當的國際競爭力，就必須在符合安全性要求的前提下盡可能選用一些先進的航空材料，特別是要充分重視具有中國特色的先進材料的選用，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。凡綜合評價優良并對飛機設計制造水平起重要作用的先進材料，已成熟的理當優先選用；即使當前不夠成熟，只要在較短時間內（例如5年）能達到實用化程度的，應盡早立項啟動和及時趕上飛機研制進度，以免出現受制于人的被動局面。  123,123
記者：要在市場的競爭中取勝，經濟性是很重要的一個因素。復合材料結構制造的成本是否較高？我們怎樣看待其帶來的經濟效益？

    曹院士：目前雖然復合材料比鋁合金成本高，但飛機結構重量大幅度減輕所帶來的經濟效益（使用、維護成本低，燃油消耗降低3%等）遠遠超過了它的負面效應。另外，波音787的外場維護間隔時間從波音767的500小時提高到1000小時，維修費用比波音777低32%等也帶來了可觀的經濟效益。同時，由于飛機結構重量輕減少了燃油的排放，也有利于環保。 

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記者：我國在大型飛機材料的應用方面與歐美國家有哪些差距？還應從哪些方面努力？

曹院士：第一，原材料年產量低，價格貴。我國大量使用的碳纖維，其年產量還不能滿足國內工程應用的需求；同時，國內產品的價格也高于國外。 123456
第二，缺少高強度的原材料。復合材料的強度大小主要取決于纖維的強度。美、歐等先進航空企業大量使用復合材料的基礎是強度高、價格相對較低的碳纖維。波音公司在B787上使用的T800碳纖維，強度較T300高50%~60%。而我國碳纖維正處于研制與工程化階段，尚未形成穩定的自主保障能力。所以我國需要投入大量的人力物力，加快研制T800，并且提高材料的生產能力，滿足航空工業的需求。
第三，工藝技術在工程應用方面還不成熟。制造成本的降低需要工藝方面的突破來實現。RTM與RFI這兩種制備技術具有成本低、周期短、質量高和有利于結構整體化等優點，我國對其的研究取得了不少進展，但在工程應用方面還不成熟。

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第四，由于自動鋪帶、自動鋪絲設備能降低成本、提高質量，建議我國加強自主研制，并開展國際合作研制，或適量進口，以解決特殊工藝裝備問題。
據國內材料的發展現狀，大型飛機的候選材料大致可按四種情況分別對待：
第一種，已能工程化生產和應用，大型飛機可直接選用和定貨；

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第二種，預研階段已完成，并已立項開展工程化研究，本專項應加強與之銜接，必要時根據大型飛機需要立項開展適應性研究；
第三種，預研階段已經或即將完成，但尚未立項開展工程化研究，本專項應及早安排或落實該材料的工程化研究項目；
第四種，個別材料國內尚屬空白，但確實是大型飛機十分重要的先進材料，則應盡早立項和啟動，力爭趕上大型飛機研制進度。