飛機(jī)的"油耗"是航空公司特別關(guān)注的指標(biāo)。最新的波音787承諾可降低油耗20％，其中通過(guò)大量使用復(fù)合材料（用量將為50％）可降低油耗8％；A350為了在競(jìng)爭(zhēng)中取勝，在其改進(jìn)方案A350XWB中使用復(fù)合材料可達(dá)52％；150座級(jí)的波音737和A320的后繼機(jī)也將大量使用復(fù)合材料。我國(guó)的大型飛機(jī)項(xiàng)目已經(jīng)上馬，在大飛機(jī)材料的應(yīng)用方面我國(guó)與歐美國(guó)家有哪些差距？在選材方面應(yīng)注意哪些問(wèn)題？帶著以上問(wèn)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(shí)現(xiàn)動(dòng)力飛行一百多年來(lái)，飛機(jī)歷經(jīng)了五個(gè)時(shí)代的發(fā)展，請(qǐng)問(wèn)飛機(jī)機(jī)體的材料結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了那幾個(gè)階段的發(fā)展？飛機(jī)的發(fā)展和材料的發(fā)展有著什么樣的聯(lián)系？
曹院士：飛機(jī)機(jī)體的材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段，正在跨入第五階段。這五個(gè)階段為：第一階段（1903～1919年），木、布結(jié)構(gòu)；第二階段（1920 ～ 1949年），鋁、鋼結(jié)構(gòu)；第三階段（1950 ～ 1969年），鋁、鈦、鋼結(jié)構(gòu)；第四階段（1970 ～ 21世紀(jì)初），鋁、鈦、鋼、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（以鋁為主），第五階段（21世紀(jì)初～ ）：復(fù)合材料、鋁、鈦、鋼結(jié)構(gòu)（以復(fù)合材料為主）。 內(nèi)容來(lái)自123456
一百多年來(lái)，材料與飛機(jī)一直在相互推動(dòng)下不斷發(fā)展，飛機(jī)的先進(jìn)性在很大程度上又取決于材料的先進(jìn)性，"一代材料，一代飛機(jī)"正是航空工業(yè)發(fā)展的生動(dòng)寫(xiě)照。
記者：國(guó)外新一代大型飛機(jī)上各類材料的用量有什么樣的變化趨勢(shì)？
曹院士：總的趨勢(shì)是復(fù)合材料和鈦合金的用量不斷增多，已創(chuàng)歷史新高。C-17軍用運(yùn)輸機(jī)鈦用量占全機(jī)材料重量的10.3%（鈦零件總重6.8t），復(fù)合材料用量8.1%，鋁合金用量69.3%，鋼用量12.3%；歐洲軍用運(yùn)輸機(jī)A400M復(fù)合材料用量35%～40%；空中"泰坦尼克"A380鋁合金用量61%，復(fù)合材料用量22%，鈦合金用量10%；波音787復(fù)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(fù)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(guó)外新一代大型飛機(jī)在材料技術(shù)上有哪些突破呢？
曹院士：近來(lái)，一些具有新意的材料技術(shù)嶄露頭角。
(1)波音787使用復(fù)合材料整體機(jī)身段。 內(nèi)容來(lái)自123456
(2) A380率先在中央翼盒上大量采用復(fù)合材料（原為全金屬結(jié)構(gòu)）。波音787則進(jìn)一步發(fā)展為全復(fù)合材料翼盒直至全復(fù)合材料機(jī)翼。A380中央翼盒重8.8t，其中復(fù)合材料5.3t，減重1.5t。
(3) 液態(tài)復(fù)合成形(LCM)已作為成熟的工程技術(shù)應(yīng)用于新一代大型飛機(jī)。LCM可分為樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑（RTM）和樹(shù)脂薄膜浸滲（RFI）兩種制備技術(shù)。由于LCM技術(shù)具有成本低、周期短、質(zhì)量高、工作環(huán)境好和有利于結(jié)構(gòu)整體化等優(yōu)點(diǎn)，使原來(lái)在減重方面就占優(yōu)勢(shì)的樹(shù)脂基復(fù)合材料如虎添翼，顯著增強(qiáng)了與金屬材料的競(jìng)爭(zhēng)力。比如A380中央翼盒的5個(gè)工字梁用RTM制成，并率先采用RFI技術(shù)制造復(fù)合材料襟翼滑軌梁；波音787機(jī)身的很多地板橫梁用RFI技術(shù)制造，其起落架撐桿則用RTM技術(shù)制造。 本文來(lái)自123
(4) 復(fù)合材料風(fēng)扇葉片在GE90發(fā)動(dòng)機(jī)上使用近十年來(lái)未出現(xiàn)任何問(wèn)題。GE90的成功使用，使GenX發(fā)動(dòng)機(jī)放心地正式選用帶鈦前緣的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。 波音787、A350等大型客機(jī)用的GenX發(fā)動(dòng)機(jī)采用了復(fù)合材料前風(fēng)扇機(jī)匣和帶鈦前緣的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。
(5) A380和波音787分別選用了層間混雜復(fù)合材料（纖維金屬層板）GLARE和鈦/石墨化合物復(fù)合材料TiGr。
與金屬基疊層板復(fù)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(qiáng)度、壓縮性能、沖擊性能和阻尼性能。因此GLARE層板一問(wèn)世，就引起世界各大飛機(jī)制造公司的關(guān)注。"九五"期間北京航空材料研究院（BAIM）的疲勞試驗(yàn)結(jié)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(yīng)力強(qiáng)度因子，經(jīng)過(guò)一定循環(huán)次數(shù)后裂紋以近似恒定的速率擴(kuò)展。 本文來(lái)自123
在A380 上 GLARE機(jī)身壁板一共有27塊，最長(zhǎng)的一塊為11m，總覆蓋面積達(dá)470m2。此外GLARE還用在垂直尾翼的前緣和水平穩(wěn)定面上。GLARE用量占A380總結(jié)構(gòu)重量的3%。成本與鋁材相近的GLARE不但使A380結(jié)構(gòu)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(wèn)題，因此完全商品化尚需時(shí)日，而TiGr既無(wú)電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，又可進(jìn)一步提高綜合性能（特別是高溫性能），因此應(yīng)運(yùn)而生。據(jù)報(bào)導(dǎo)，波音公司將選用TiGr制造波音787的機(jī)翼和機(jī)身蒙皮。TiGr還可以用來(lái)作為蜂窩夾層的面板。實(shí)踐表明，自動(dòng)鋪放的TiGr層板的性能高于手工鋪疊的TiGr層板。 123456
(6)A380是首次推出全鈦掛架的飛機(jī)，A350也采用全鈦掛架，均選用β退火的Ti-6Al-4V ELI。
(7)新型高強(qiáng)高韌近β型鈦合金Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr首次在A380平臺(tái)上閃亮登場(chǎng)。這是空客公司與俄羅斯合作，在BT22(Ti-5Al-5V-5Mo-1Cr-1Fe)基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新合金，已用于A380機(jī)翼與掛架的連接裝置。它的強(qiáng)度與韌性之間的優(yōu)良組合受到了設(shè)計(jì)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(jī)上迅猛崛起的鈦合金精鑄技術(shù)正逐步進(jìn)入大型飛機(jī)領(lǐng)域。1999年，波音777的發(fā)動(dòng)機(jī)后安裝框架鈦合金精鑄件在零件靜力試驗(yàn)成功后已用于波音777。這是首次在民機(jī)上獲得成功應(yīng)用，由于客機(jī)在安全可靠性方面的具有更高要求，故這一開(kāi)端具有重要意義。
近期，A380客機(jī)的鈦合金剎車扭力管已由英國(guó)Doncasters公司采用離心熔模精鑄技術(shù)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。 內(nèi)容來(lái)自123456
最近，Howmet公司、波音公司與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合進(jìn)行薄壁鈦鑄件的開(kāi)發(fā)，選擇C-17軍用運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)掛架為對(duì)象，各用一個(gè)整體鑄件取代由17個(gè)Ti-6Al-4V鈑金件組成的鼻帽和由多個(gè)零件、不少緊固件組成的防火封嚴(yán)件。目前已達(dá)到1.27mm厚度的要求，并引入新生產(chǎn)的 C-17飛機(jī)。60個(gè)鼻帽鑄件在全壽命期可節(jié)約320萬(wàn)美元，防火封嚴(yán)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(yīng)用是空客新一代飛機(jī)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(jī)身蒙皮和下翼面的桁條。A350已選用鋁鋰合金制造機(jī)身蒙皮和地板結(jié)構(gòu)等，其用量高達(dá)總結(jié)構(gòu)重量的23%。鋁鋰合金東山再起的主要原因是在不斷優(yōu)化成分的基礎(chǔ)上推出了2094、2195、2097、2197等第三代合金。這些合金的共同特點(diǎn)是降低了鋰含量和優(yōu)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(xiàn)的上述問(wèn)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(zhàn)斗機(jī)上的成功驗(yàn)證也是東山再起的重要原因。 本文來(lái)自123
(10)新型高強(qiáng)鋁合金7085的問(wèn)世為特大鍛件在A380上的應(yīng)用開(kāi)辟了道路。已有高強(qiáng)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(qiáng)鋁合金鍛件或厚板，美國(guó)Alcoa公司開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)具有專利權(quán)的7085鋁合金，由于淬透性好，其最大厚度可達(dá)300mm。
7085鋁合金的成分特點(diǎn)是鋅鎂比大和鐵、硅含量很低。7085合金制成的A380飛機(jī)后翼梁是迄今為止最大的一個(gè)飛機(jī)模鍛件，尺寸為6.4m×1.9m，重約3900公斤。 本文來(lái)自123
Alcoa公司與飛機(jī)制造商合作制造一支線飛機(jī)的緊急出口艙門用的7085鋁合金整體鍛件，將零件數(shù)由147個(gè)減至40個(gè)，緊固件由1400個(gè)減至450個(gè)，使裝配時(shí)間減少80%，生產(chǎn)占地面積減少60%，成本降低20%～25%，重量減輕20%。
記者：我國(guó)的大型飛機(jī)研制項(xiàng)目包含大型客機(jī)和大型運(yùn)輸機(jī)兩大部份，大運(yùn)和大客在材料的選用方面有什么區(qū)別？ 內(nèi)容來(lái)自123456
曹院士：為了縮短研制周期、節(jié)省研制費(fèi)用、降低銷售價(jià)格和提高成熟程度，建議設(shè)計(jì)者和材料工作者緊密結(jié)合，盡可能增加大型運(yùn)輸機(jī)和大型客機(jī)上共用材料的比例。這樣做更有利于客機(jī)用國(guó)產(chǎn)材料通過(guò)適航條例。
對(duì)于大型運(yùn)輸機(jī)，材料應(yīng)立足于國(guó)內(nèi)是顯而易見(jiàn)的。對(duì)于大型客機(jī)用的材料，可按市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)原則進(jìn)行全球采購(gòu)，但這個(gè)"全球"理應(yīng)包括國(guó)內(nèi)供應(yīng)商，特別對(duì)于關(guān)鍵材料，都應(yīng)盡早具備自主供應(yīng)的能力。既然要求我國(guó)大型客機(jī)要具有相當(dāng)?shù)膰?guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)的航空材料，特別是要充分重視具有中國(guó)特色的先進(jìn)材料的選用，例如TC21鈦合金的性能不僅具有國(guó)際先進(jìn)水平，而且在合金及其鍛造工藝上都具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。凡綜合評(píng)價(jià)優(yōu)良并對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造水平起重要作用的先進(jìn)材料，已成熟的理當(dāng)優(yōu)先選用；即使當(dāng)前不夠成熟，只要在較短時(shí)間內(nèi)（例如5年）能達(dá)到實(shí)用化程度的，應(yīng)盡早立項(xiàng)啟動(dòng)和及時(shí)趕上飛機(jī)研制進(jìn)度，以免出現(xiàn)受制于人的被動(dòng)局面。 123,123
記者：要在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)中取勝，經(jīng)濟(jì)性是很重要的一個(gè)因素。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造的成本是否較高？我們?cè)鯓涌创鋷?lái)的經(jīng)濟(jì)效益？
曹院士：目前雖然復(fù)合材料比鋁合金成本高，但飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量大幅度減輕所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益（使用、維護(hù)成本低，燃油消耗降低3%等）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了它的負(fù)面效應(yīng)。另外，波音787的外場(chǎng)維護(hù)間隔時(shí)間從波音767的500小時(shí)提高到1000小時(shí)，維修費(fèi)用比波音777低32%等也帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量輕減少了燃油的排放，也有利于環(huán)保。 123,123
記者：我國(guó)在大型飛機(jī)材料的應(yīng)用方面與歐美國(guó)家有哪些差距？還應(yīng)從哪些方面努力？
曹院士：第一，原材料年產(chǎn)量低，價(jià)格貴。我國(guó)大量使用的碳纖維，其年產(chǎn)量還不能滿足國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用的需求；同時(shí)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的價(jià)格也高于國(guó)外。 123456
第二，缺少高強(qiáng)度的原材料。復(fù)合材料的強(qiáng)度大小主要取決于纖維的強(qiáng)度。美、歐等先進(jìn)航空企業(yè)大量使用復(fù)合材料的基礎(chǔ)是強(qiáng)度高、價(jià)格相對(duì)較低的碳纖維。波音公司在B787上使用的T800碳纖維，強(qiáng)度較T300高50%~60%。而我國(guó)碳纖維正處于研制與工程化階段，尚未形成穩(wěn)定的自主保障能力。所以我國(guó)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(chǎn)能力，滿足航空工業(yè)的需求。
第三，工藝技術(shù)在工程應(yīng)用方面還不成熟。制造成本的降低需要工藝方面的突破來(lái)實(shí)現(xiàn)。RTM與RFI這兩種制備技術(shù)具有成本低、周期短、質(zhì)量高和有利于結(jié)構(gòu)整體化等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)對(duì)其的研究取得了不少進(jìn)展，但在工程應(yīng)用方面還不成熟。 123456
第四，由于自動(dòng)鋪帶、自動(dòng)鋪絲設(shè)備能降低成本、提高質(zhì)量，建議我國(guó)加強(qiáng)自主研制，并開(kāi)展國(guó)際合作研制，或適量進(jìn)口，以解決特殊工藝裝備問(wèn)題。
據(jù)國(guó)內(nèi)材料的發(fā)展現(xiàn)狀，大型飛機(jī)的候選材料大致可按四種情況分別對(duì)待：
第一種，已能工程化生產(chǎn)和應(yīng)用，大型飛機(jī)可直接選用和定貨； 123456
第二種，預(yù)研階段已完成，并已立項(xiàng)開(kāi)展工程化研究，本專項(xiàng)應(yīng)加強(qiáng)與之銜接，必要時(shí)根據(jù)大型飛機(jī)需要立項(xiàng)開(kāi)展適應(yīng)性研究；
第三種，預(yù)研階段已經(jīng)或即將完成，但尚未立項(xiàng)開(kāi)展工程化研究，本專項(xiàng)應(yīng)及早安排或落實(shí)該材料的工程化研究項(xiàng)目；
第四種，個(gè)別材料國(guó)內(nèi)尚屬空白，但確實(shí)是大型飛機(jī)十分重要的先進(jìn)材料，則應(yīng)盡早立項(xiàng)和啟動(dòng)，力爭(zhēng)趕上大型飛機(jī)研制進(jìn)度。
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