民用航空器用新材料的现状与发展趋势

民用航空器用新材料的现状与发展趋势

王子秋

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摘  要

对于民用航空来说，新材料的选择直接关系到飞机的生产成本和运营成本。文章从材料选择的角度、方法等方面进行了探讨。本文通过对目前飞机主要材料的性能特点、应用现状及未来发展趋势的分析，提出了一种新材料的应用前景。本文中所反映出的物理化学特性对新材料尤其重要。大力推进新材料在民航飞机工业中的应用，既能保证飞机的安全性，又能保证新材料的研制。

关键词： 选材； 碳纤维复合材料； 钛合金； 复合材料

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1  引言

飞行器的发展离不开材料，而一旦将其应用到航空工业中，那么它的研究就会变得更加的得心应手。就像上个世纪三十年代，所有的机身都是由金属制造的，因为他们的机身都是由高强度的铝合金制成，所以铝行业才会如此迅速地发展。上个世纪50年代，钛合金的出现，和飞行器的发展有着密切的关系。

民用飞机的材质是多种多样的。其中还牵扯到了不少新的材料。目前，主要包括金属系复合材料、结晶控制合金、陶瓷系和树脂系复合材料等。

文章简单地阐述了钛与碳纤维复合板在民用航空器中的使用情况。

2  选择一般新型材料的统一要求及发展趋势

2.1 选材的考虑因素

到了2008年底，A350XWB飞机的生产工艺终于敲定了，可以说，它的主要形式是固定的。在A380和波音787飞机的材料选择上，A350XWB采用了A380和787飞机的材料，并借鉴了A380和787飞机的设计理念。总体而言，A350XWB飞机的选材目的在于规避常规材质，并且充分利用了它的优势。A350XWB的主要建筑材料中，复合材料占53%，铝合金占19%，钛合金占14%，钢铁占6%，其他占8%。机翼外罩、纵筋、翼筋、外罩、机体框架、分割器和横杆。A350XWB的底梁、翼肋和起落架舱罩采用铝、铝和锂合金制造，发动机悬挂、加强件、起落装置等均采用纯钛材质。

2.2 因温度变化产生的差异

由于飞机的工作条件和复杂程度，飞机的内部结构存在着很大的温差。比如在一万多公里的高空中，飞机的机身往往要承受－50摄氏度的低温，飞机的高速行驶和引擎产生的热量会导致飞机内部的局部温度升高，从而导致飞机的裂纹蔓延。因此，由于飞机发动机的温度是影响其裂纹扩散特性的重要原因，因此，进行了一系列的试验，结果表明，在较高的温度条件下，裂缝的扩散速度明显提高。对材料的开裂特性是有益的；许多学者通过对不同材料的开裂实验，发现裂缝的扩张速度并不是由高温引起的。结果表明，在温度条件下，其他的因素也会使金属材料的裂缝延伸特性发生改变。另外，应力比、取样方向和微观组织、热处理状态和腐蚀环境等都会对这种合金的裂缝扩散特性产生一定的影响。由于其优异的耐腐蚀性和优良的机械特性，因此在航天中得到了应用。然而，由于材料中的温度－负载相互作用对裂缝的扩散机理还有待于深入的研究。

2.3 更换前后产生的成本差异

汽车车身结构因其自身的缺点和损坏而使其承受的性能大为下降。在飞行途中，由于各种意外状况，如鸟撞、冰雹、意外撞击等，很容易导致机体的结构损坏。因此，对已损坏的建筑物进行维修，以保障其在寿命周期中的正常工作，并对其进行有效的修复，以达到保护其安全、可靠的目的。此外，还着重于采用复合技术对降低航空器重量的经济性。民航和航空业也对与复合材料有关的维修费用感到担忧。在航空公司的营运费用中，维护费用大约是10%到25%。复合材料的维修成本一直受到各大航空公司的重视。由于市场需求、投资回报等原因，维修成本也应列入维修成本中。复合材料飞机的总体结构越来越引起人们的关注。采用常规方法修复受损的复合构件，其方法不再适用。

目前，人们对复合材料结构的维修投入了大量的研究工作，但对复合材料维修费用的计算和讨论的工作还很少。

2.4 民航客机采用新型材料的未来发展趋势

当今各国对于新材料研究十分注重，提出了多种新技术的发展思路。下列新能源工业的特点是：美国专注于技术研发，始终处于世界领先地位；日本专注于新材料的开发，同时也在不断改进技术，利用有限的资金，将其利用起来；而欧洲新能源技术策略，在材料方面，维持与其他先进国家的竞争力。以飞机的“心脏”——发动机为例。由于不断改进的飞机引擎的特性，使得飞机引擎的材质和工艺都有了很大的提高。各大民航强国都在加大人力物力、物力、资金等方面加大力度，加大了对飞机的技术和材质的研究，以达到预期的效果，达到了发动机技术上的先进水平。根据国内外飞机引擎的材料和工艺技术的发展现状，提出了加大研发投入与输出比率的途径。

复合材料是一种高性能、多功能、低成本的复合材料，它可以推动飞机在今后几年内的发展。

总之，在民用飞机上，新的能源开发，都会朝着更低的价格和更安全的方向发展。这也使我们的民用航空工业走上了有利发展的道路。

结    语

航天材料是一门具有开创性的材料学科。以通用的机械加工技术为依据，广泛吸取各类技术与科学的成果，结合飞机的特性，探讨其原理与用途，探索其加工工艺的规律，充分地利用资源，生产出高质量、低成本的高质量飞机。飞机的研制，为材料科学带来新的研究方向，为宇宙材料的发展作出了新的贡献；新材料和工艺的问世，为飞机的发展带来了新的机遇，为实现人类的太空梦想和实现新的设想奠定了基础。新材料和新工艺的应用，不但使生产力得到了极大的解放，对人类的发展起到了巨大的促进作用，对整个人类的发展都起到了重要的作用。新材料、新工艺，融合了现代许多学科的最新进展，新材料和新工艺的发展已经进入了一个空前的新的发展时期，对经济的发展产生了深远的影响和变化，从某种意义上说，它的发展速度和质量直接关系到一个国家和区域的国际竞争力。为未来的新一代战机生产厂家，应该更加了解新的材质。要综合考量航空的安全性、原料的费用和维护的难度。在这个年代，“挖掘出来”的复合材料和金属材料越来越多，而且越来越多，越来越多。我认为，民用飞机的机身材质也是有利的。今后民航客运、货运在我国国民中的普及也将会大幅度提升！

参考文献

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