飞机材料结构的百年变化
飞机结构的发展趋势包括_
飞机结构的发展趋势包括_
1. 轻量化和高强度：飞机结构将趋向使用轻量化材料，如碳纤维复合材料和铝镁合金，以减轻飞机的总重量，提高燃油效率和载重能力。
2. 智能化和自适应：飞机结构将趋向具备智能化和自适应能力，能够根据外部环境和飞行条件自动调整结构的形态和性能，以提高飞行安全性和舒适性。
3. 集成化和模块化：飞机结构将趋向更加集成化和模块化，能够实现快速装配和维护，同时降低成本和减少停飞时间。
4. 绿色和环保：飞机结构将趋向更加环保，采用可再生材料，并考虑减少对环境的污染和碳排放。
5. 高效能和革新性设计：飞机结构将趋向更高效能和革新性的设计，包括优化结构形态、增加翼展和减少阻力等措施，以提高飞机的性能和经济性。
浅谈飞机材料的百年变迁
文 / 赖沅祺
摘要：随着科学技术与航空制造业的不断发展，飞机在制造过程中也经历着材料的变迁，由于材料的不同，对飞机的 性能、功能等产生的影响是不同的。“一代材料，一代飞机”是世界航空制造业发展的真实写照。 本文从飞机材料入手， 探讨百年来飞机材料的变迁与飞机性能的突破。 关键词：飞机材料 飞机制造 百年变迁
一、飞机材料的分类 飞机材料在应用上分为三类材料，一是机体材料，二是发 动机材料，三是飞机涂料。 在这之中最，机体材料又分为结构 材料与非结构材料。 结构材料是具有较高比强度与比刚度的 飞机主要结构部分的材料， 结构材料改进的目的是不断减轻 飞机的结构重量，提高飞机飞行性能，同时降低运营成本。 并 且结构材料的可加工性强， 能够加工制作成飞机所需的其他 重要零部件，应用范围较广；非结构材料在飞机材料中运用的 比例较小，材料用量也较小，但应用范围广，涉及的品种很多， 包括铝合金、镁合金、不锈钢、橡胶、玻璃、纺织品等，可以形成 轮胎用材料、装饰用材料、电磁材料等。 二、飞机材料的百年变迁史 （一）木布结构时代 世界上第一架载人飞机发明于上世纪初， 其发明者为莱 特兄弟。 当时的飞机使用的材料主要还是以木材为主，木材占 据飞机整体用料的 47%。 木材的限制使得第一架飞机的飞行 时速很低，并且安全性较差，很少有人愿意接触飞行。 当时的 飞机主要是木布结构组成，机翼的翼面是用亚麻布做成的，飞 机的基本骨架都是由木头做成的， 在木板间用螺栓作为拼接 工具，保持结构稳定。 机翼上的亚麻布为了能够保持一定的形 状与强度，通常用清漆进行涂抹，这种简单的材料与构造在当 时也受到推广， 第一次世界大战中使用的飞机仅在这种程度 上加强了飞机的外形与内部结构的设计合理性。 在木布结构 的时代，飞机仍旧可以用于载人飞行，其主要的材料未产生较 大的变化， 而是通过改变飞机的气动外形以及内部结构的方 式让飞机的性能更为优越一点， 即能够在第一次世界大战中 使用。 （二）半金属结构时代 由于木材的强度不高，在不断的试验与研究后，科学家们 设计出了提高飞机性能的半硬壳式机身， 同时在机翼的设计 上也有所改善，使得机翼具有一定的翼型空间，这种设计产生 于上世界 20 年代，在这个时期，人们对飞机材料的使用提出 了新要求。 在发动机与整流罩等部位加入了更多金属元素，以 金属零件代替原有零件类型。 将飞机的局部受力处，如发动机 架的材料和飞机外部中的整流罩等部位采用了金属零件，实 现对飞机的翼形空间的设计和新材料的运用。 但该时期对于
航空史上的的几个转折点
五、第一架喷气式飞机首飞
• 二战结束后，喷气式发动机的发展异常 迅速，带动航空技术发生了质的飞跃，使 飞机速度、高度及载重量直线上升，不仅 军用飞机面貌一新，在民用飞机领域，由 于喷气式客机的出现，使现代民航运输业 出现了重大转折，人们惊呼：喷气时代真 的到来了。
• 1988年交付使用的波音747-400是本系列中 最先进的，可载客524名。1990年，美国政 府决定用波音747-400改装为新的总统专机 “空军一号”。
十、世界最大宽体客机首航
• 截至2002年，共有1261架波音747飞机在 世界各大航空公司运营，乘坐过它的人次 超过世界总人口的四分之一。
三、林白单人飞越大西洋
• 5月20日7时54分，在纽约长岛的罗斯福机 场上，林白驾驶“圣路易斯精神”号起飞，
• 5月21日晚10时许，在巴黎的夜幕下，林白 驾机降落于布尔歇机场。林白没有想到： 机场上竟有10万人在狂热地欢迎他。
三、林白单人飞越大西洋
• 林白此次单人不着陆飞越大西洋，“孤胆 英雄”林白，是20世纪二三十年代一批勇 敢的飞行员中的佼佼者。
六、耶格尔突破音障
• 1947年10月14日清 晨，22岁的妙龄女郎 格伦尼丝驾车送她24 岁的丈夫、美国飞行 员耶格尔上尉到加利 福尼亚州缪罗克空军 基地，耶格尔将驾驶 被他命名为“迷人的 格伦尼丝”的X1火箭 研究机进行第9次动 力飞行。
六、耶格尔突破音障
• 上午8时，母机B29携带X1飞机起飞。计划 要求X1飞行速度达到马赫数0.97（即音速 的0.97倍）但耶格尔想的却是如何突破音 障。因为毕竟他已飞过8次X1了，对飞机的 里里外外都了如指掌；
拾级而上：中国航空材料的进阶之路
拾级而上：中国航空材料的进阶之路作者：彭志琦来源：《大飞机》2017年第12期与一般人的印象不同，中国航空制造起步并不晚。
美国人莱特兄弟发明飞机是在1903年，1910年9月刘佐成、李宝焌就在北京南苑试制成功了中国第一架飞机。
1911年4月，从法国学成归来的秦国镛驾机在南苑上空进行了飞行表演。
那时候，飞机的主要材料是木和布。
但是，由于种种原因，中国的航空制造没能与国外同行齐头并进。
1970年 8月，当中国开始研制运10时，航空材料已经发生了天翻地覆的变化，铝、钛、钢等材料早已淘汰了木材和布料。
运10为形成我国的商用飞机设计规范打下了一定的基础，它70%的零部件采用铝质材料，其他一些新型材料，如复合材料和合金也得到了应用，包括钛、石墨和玻璃纤维，但规模较小。
2008年11月28日，我国自主研制的ARJ21-700飞机首飞成功。
ARJ21的铝合金用量是75%，钛合金用量是4.8%，复合材料用量是8%。
借助这个项目，我国在飞机材料的研究和使用方面又前进了一大步。
C919在材料领域的跨越体现国家意志、承载民族梦想的C919，是中国继运10之后自主研制的第二种国产大型客机。
2017年5月5日，C919首架机在上海圆满首飞。
C919的成功首飞，不仅标志着中国在民机设计、制造上实现了跨越式发展，同时也标志着中国在航空材料的研究和使用上实现了跨越式发展。
据C919总设计师吴光辉介绍，C919的机身蒙皮、长桁、地板梁结构等应用了第三代铝锂合金，用量达到机体结构重量的7.4%。
在第三代铝锂合金中，锂元素虽然只占重量的2%左右，但在同等承载条件下，却可以比常规铝合金减轻重量5%以上。
铝锂合金具有密度低、强度高且损伤容限性优良等特点，用它替代常规铝合金材料，能够使构件的密度降低3%，质量减少10%～15%，弹性模量提高6%，刚度提高15%～20%。
铝锂合金适用于机身框架、襟翼翼肋、整流罩、油箱、舱门等部位。
中国商飞公司通过C919大型客机项目，在大量验证试验基础上，建立了第三代铝锂合金材料规范体系、设计许用值体系和制作工艺规范体系，在第三代铝锂合金应用上实现了突破。
复合材料在飞机结构中所占比例越来越大
复合材料在飞机结构中所占比例越来越大发布日期：2012-11-19 来源：复材在线浏览次数：560 分享到：2011年2月，哈尔滨哈飞空客复合材料制造中心新厂房在哈尔滨市正式落成并投入使用。
新厂房将主要用于空客最新研发项目A350XWB主要复合材料零部件的生产制造。
空中客车公司（Airbus S.A.S.）在2012珠海航展上透露，作为首家在大型民用飞机上广泛采用复合材料的飞机制造商，空中客车公司与中国合作伙伴一起，在中国加强复合材料设计、制造和维修专业人才的培养，以适应复合材料在飞机上所占比重不断增加的新形势。
空客（北京）工程技术中心成立于2005年，其主要工作是参与目前及未来空客飞机项目的设计工作。
目前，工程中心的主要任务之一是承担空客最新机型A350XWB 宽体飞机在华百分之五工作份额所涉及的设计工作。
中国所承担的工作包，如方向舵和升降舵等都采用复合材料。
通过在国内及欧洲的培训，工程中心的年轻中国工程师在复合材料设计方面的能力得到了很大的提升，完全能够胜任所承担的工作，并为未来发展打下了坚实的基础。
2009年6月成立的哈飞空客复合材料制造中心是空中客车公司与哈尔滨飞机工业集团公司等中方合作伙伴共同建设的合资企业。
2009年12月，制造中心投入生产，开始制造空客单通道飞机方向舵等大部件。
2011年2月，哈尔滨哈飞空客复合材料制造中心新厂房在哈尔滨市正式落成并投入使用。
新厂房将主要用于空客最新研发项目A350XWB主要复合材料零部件的生产制造。
制造中心引进了当今世界最先进的复合材料制造设备和技术、采用最先进的工艺流程和业界最高的管理标准。
制造中心非常重视复合材料制造领域人才的培养。
随着工作的深入，将进一步加大人员培训的力度，很多员工已经送到欧洲去进行培训。
到2015年，该中心聘用的中国员工人数将达到600名。
由空中客车公司和中国航空器材集团公司共同建设的华欧欧航空培训中心根据形势需要，在华推出复合材料修理等新的培训课程，以更好地根据市场的发展满足客户的需求，为运营空客飞机的中国用户提供强有力的支援服务。
航空铝发展史
航空铝发展史航空铝，一种轻盈且强度高的铝材料，在航空工业中发挥着至关重要的作用。
随着航空技术的飞速发展，航空铝也经历了从无到有，从初级到高级的演变历程。
下面将详细回顾航空铝的发展历史。
一、航空铝的起源19世纪末，铝作为一种新兴材料开始进入人们的视野。
随着冶炼技术的进步，铝的产量逐渐增加，价格逐渐降低，使得铝在各个领域得到广泛应用。
20世纪初，人们开始尝试将铝用于飞机制造。
与传统木材、钢等材料相比，铝具有重量轻、强度适中、耐腐蚀等优点，为航空工业带来了新的可能性。
二、航空铝的初期发展在航空铝的初期发展阶段，主要关注的是提高铝的冶炼技术和生产工艺。
这个时期的航空铝主要是铸造铝合金，通过改变铝的成分和铸造工艺，以获得更强的力学性能。
然而，由于技术限制和材料科学的认知不足，这个时期的航空铝存在一些问题，如韧性不足、易断裂等。
三、航空铝的成熟期随着科技的不断进步，人们对于材料科学的理解越来越深入。
在20世纪中期以后，航空铝进入了成熟期。
这个时期的航空铝主要是变形铝合金，通过轧制、锻造等工艺获得所需形状和性能。
变形铝合金的出现大大提高了航空铝的力学性能和使用范围。
此外，人们还研究了各种新型的铝合金，如高强度铝合金、耐高温铝合金等，以满足航空工业日益增长的需求。
四、航空铝的未来展望随着环保意识的日益增强和能源消耗的持续增加，航空工业面临着越来越大的压力。
未来，航空铝的发展将更加注重环保、节能和可持续发展。
新型的航空铝材料将不断涌现，以提高飞机的燃油效率、降低排放、减轻机身重量等为目标。
例如，研究开发具有更高强度的轻质铝合金、耐腐蚀性能更好的铝合金、可回收再利用的环保型铝合金等。
同时，随着3D打印等先进制造技术的普及和应用，航空铝的生产工艺也将迎来新的变革。
3D打印技术可以实现复杂结构的快速成型，减少材料浪费和加工时间，进一步提高航空铝的生产效率和材料性能。
五、结语回顾航空铝的发展历程，我们可以看到一种材料从无到有，从初级到高级的演变过程。
航空材料的发展历程
航空材料的发展历程航空材料的发展历程可以追溯到19世纪中叶，随着人类飞行技术的逐渐成熟，对于材料性能的要求也越来越高。
在航空工业的发展过程中，航空材料一直扮演着重要的角色，它对于飞机的性能、安全以及经济性起着决定性的影响。
本文将从铝合金、复合材料和新型航空材料三个方面介绍航空材料的发展历程。
20世纪初，铝合金成为了航空材料的主力。
铝合金具有重量轻、强度高、抗腐蚀性好等优点，因此广泛应用在航空器件中。
1920年代，铝合金开始应用于航空领域，如用来制造机身、发动机罩等部件。
在第二次世界大战期间，铝合金的应用进一步发展，大部分军用飞机都采用了铝合金制造。
然而，随着航空技术的进步，传统的铝合金材料已经难以满足对于更高性能的要求，因此人们开始研究新型的航空材料。
由于铝合金的强度、刚度等特性的限制，20世纪中期开始，从钛合金、镍基合金到复合材料等新型材料开始在航空工业中应用。
钛合金具有高强度、优良的耐高温性能和抗腐蚀性能，因此被广泛应用于航空发动机和机身结构中。
镍基合金则因其在高温下具有优异的性能而成为涡轮引擎中不可替代的材料。
复合材料由于其重量轻、强度高以及优良的抗腐蚀性能而成为了航空材料的热门选择，尤其是碳纤维复合材料的应用在升级换代的飞机中越来越普遍。
除了传统的金属和复合材料外，近年来新型航空材料也受到了人们的关注。
例如，高温复合材料可以在极端环境下工作，在航空发动机中具有广泛的应用前景。
新型的隐身材料可以有效减少雷达捕捉，提高战机的隐蔽性。
此外，还有智能材料、自修复材料等也在不断研究发展之中。
总的来说，航空材料的发展历程经历了从铝合金到复合材料再到新型航空材料的转变。
随着航空技术的进步和对材料性能要求的不断提高，航空材料的研究也将继续向更高、更安全、更经济的方向发展。
在未来，航空材料的发展将更加注重绿色环保和可持续发展的理念，以满足社会对可持续航空交通的需求。
航空材料发展历程
航空材料发展历程
航空材料的发展历程可以追溯到二战期间，当时航空工业对于轻巧、强度高且耐腐蚀的材料的需求推动了航空材料领域的研究与发展。
以下是航空材料发展的一些里程碑事件：
1. 金属材料时代：最早的飞机构件使用的是金属材料，如铝合金和钛合金。
这些金属材料具有优异的强度和耐久性，但相对较重，限制了飞机的性能。
2. 复合材料的引入：20世纪60年代，复合材料开始应用于航空工业。
复合材料由纤维增强材料（如碳纤维或玻璃纤维）与树脂基体组成，具有高强度、低密度和良好的耐腐蚀性能。
这种材料的引入在提高航空器性能、减轻重量方面起到了重要作用。
3. 利用新材料提高性能：在过去几十年中，航空材料的研究重点逐渐转向了新材料的开发。
高温合金、超高强度钢、陶瓷基复合材料和纳米材料等新材料的应用，使得飞机具备更高的耐用性、更好的高温性能和更大的载荷能力。
4. 革命性的材料创新：最近的一些材料创新将航空领域推向了一个新的高度。
例如，碳纳米管材料的研究应用带来了先进的导电性和强度，用于改善飞机结构的性能。
此外，具有自修复功能的材料和轻质化材料的研究也为航空产业带来了巨大的潜力。
综上所述，航空材料的发展历程经历了金属材料时代、复合材
料的引入、利用新材料提高性能以及革命性的材料创新。
这些发展不断推动着航空领域的进步和创新。
航空发动机材料的发展史
航空发动机材料的发展史一、引言航空工业是现代工业的重要组成部分，而航空发动机则是航空工业的核心。
航空发动机材料作为航空发动机的重要组成部分，对于提高发动机性能、延长使用寿命、降低维修成本等方面都具有至关重要的作用。
本文将从历史的角度出发，介绍航空发动机材料的发展史。
二、早期材料在20世纪初期，飞行器的速度和高度都比较低，因此对于材料的要求也不是很高。
当时主要使用铝合金和钢材作为航空发动机的材料。
这些材料虽然比较简单，但是在当时已经能够满足基本需求。
三、第一次世界大战后第一次世界大战后，飞行速度和高度都有了明显提升，对于航空发动机材料也提出了更高的要求。
这时候开始使用镁合金和钛合金等新型材料来制造航空发动机。
这些新型材料具有更好的强度和耐腐蚀性能，在当时被广泛应用。
四、第二次世界大战期间第二次世界大战期间，航空发动机材料的发展达到了一个新的高峰。
在这个时期，开始使用高温合金和复合材料等新型材料来制造航空发动机。
这些新型材料具有更好的抗热性能和轻量化特点，使得航空发动机的性能得到了极大的提升。
五、现代航空发动机材料随着科技的不断进步，现代航空发动机材料也在不断地更新换代。
目前主要使用的航空发动机材料包括镍基合金、钛合金、复合材料等。
这些新型材料具有更好的强度、抗腐蚀性能和轻量化特点，可以满足现代高速飞行器对于航空发动机材料的严格要求。
六、结论总之，随着科技的不断进步，航空发动机材料也在不断地更新换代。
从最早期简单的铝合金和钢材到现在应用广泛的镍基合金、钛合金和复合材料等新型材料，每一次技术革新都为航空工业带来了新的发展机遇。
未来，航空发动机材料的发展将继续引领着航空工业向前发展。
航空材料简史
航空材料简史航空材料发展史自从人类开始尝试遨游蓝天,"用什么样的材料制造飞机"就一直是摆在科学家和工程师面前的一个重大问题，航空材料的发展也在极大程度上推动了航空事业的进步。
一百多年来，航空材料的发展所经历的阶段如下表所示。
[1]航空材料发展历程在航空发展的萌芽阶段，木头和帆布是天然材料中强度、重量、刚度均最为适合制造飞机的。
因此，直至第一次世界大战，木头和帆布都是蓝天上的主宰。
其重量轻、强度、刚度较高，是自然材料中最适合用来制造飞机结构的。
到了一战末期，金属材料开始登上了航空舞台，以铝镁合金为主，辅以少量不锈钢的全金属飞机开始称霸地球的天空。
二战之后，随着人类对于飞行速度的不断追求，一种新的金属——钛合金，以其超高的刚度、强度以及耐高温性能登上了历史舞台。
当人们都认为金属材料将是未来天空的主宰时，复合材料的出现再一次掀起了一场航空材料革命，自20世纪七十年代至今，复合材料在飞机制造中的地位越来越强，并大有从配角变身主角的势头。
在诞生之初只被使用在尾翼、鸭翼等载荷较小位置的复合材料，如今在最新的客机——空客A350以及波音-787身上已经占到了50%左右，站上了主导地位。
波音787客机空客A350客机航空材料的特点作为航空器上所使用的材料，一方面，我们需要其"结实"，另一方面，我们还希望其密度小，重量轻。
通常，我们用"强度"和"刚度"两个性质来描述一种材料"结实"与否，强度指的是受力后不易产生破坏的能力，而刚度指的是受力后不易产生变形的能力。
比如，蜘蛛丝可以承受非常大的拉力而不断裂，这意味着其强度很大，但是蛛丝受力后会产生很大的变形，因而其刚度很小；普通玻璃受力后变形很小，因此其具有较高的刚度，但是非常容易断裂破坏，因此我们用"强度低"来形容它。
在航空领域，通常，我们希望材料即具有高强度，又具有高刚度，还具有密度小，重量轻的特点，除此之外，工程师还提出了诸如耐高温，耐腐蚀，易加工等种种性能要求，可见，航空业对于材料的要求相当之高。
机翼外形发展史
机翼外形发展史1903年12月17日，这是一个载入史册的日子，莱特兄弟制造出的第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机"飞行者"1号试飞成功。
它采用了一副前翼和一副主机翼，并且都是双翼结构，用麻布蒙皮和木支柱联结而成。
一台汽油活塞发动机被固定在主机翼下面的一个翼面之上，机翼后面安装着左右各一副双叶螺旋桨，机尾是一个双翼结构的方向舵，用来操纵飞机的方向，而飞机上下运动则由前翼来操纵。
飞机没有起落架和机轮.只有滑橇。
起飞时飞机装在滑轨上，用带轮子的小车拉动辅助弹射起飞。
驾驶员俯伏在主机翼的下机翼中间拉动操纵绳索的手柄操纵飞机。
这次飞行的留空时间只有短短的12秒，飞行距离只有微不足道的36米，但它却是人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定和可操纵的重于空气飞行器的首次成功升空并飞行，从此，人类的航空事业揭开了崭新的一页。
100多年来，飞机的发展取得了丰硕的成果，运输机、侦察机、战斗机等各种各样的飞机应运而生，同时随着飞机种类的不同及功能需求的不同，机翼的外形也发生了翻天覆地的变化。
在飞机诞生之初，机翼的形状千奇百怪，有的像鸟的翅膀，有的像蝙蝠的黑翼，有的像昆虫的翅膀;有的是单机翼，有的是双机翼。
聪明的古人观察出鸟类所以会飞，完全因为那对奇妙的翅膀。
于是，好奇的人们开始制造各式各样的翅膀，因此最初飞机的机翼大多数与鸟类的翅膀相似。
随后，随着时代的进步，人们的目光不仅仅局限于鸟类，人们吸取桥梁建造方面的经验，把上下机翼通过支柱和张线联成一个桁架梁，增加结构受力高度，以提高机翼刚度，减轻结构重量。
这些优点使双翼机成为早期飞机的主要型式。
随着飞机速度的不断提高，双机翼支柱和张线的阻力越来越大，成为提高速度的主要障碍。
高强度铝合金问世后，人们已有可能制造出结构重量不太大而又能承受大载荷的薄机翼。
从20世纪30年代起，双机翼逐渐被单机翼取代。
在现代的飞机中，除对载重量和低速性能有特殊要求的小型飞机外，双机翼已不多见。
航空航天材料力学发展史
我们的前辈
• 公元前500－400年中国人就开始制作木鸟并试验原始飞
行器 . • 中国古人在很早的时候就开始制作木鸟，以此寄托人类 渴望在空中飞行的梦想。从古人的许多著作中，会发现制 作能飞木鸟的众多记载。古书中称木鸟为木鸢、鹊、鹄等 名。《韩非子·外储说》记载着：墨子经三年制成的木鸢， 飞行了一天就坏了；他的学生安慰他说，老师技术高超， 木鸢虽然坏了，但毕竟飞成功了。在《墨子·鲁问》中也 有公输班用竹木制成了能飞三天的飞鹊的记述。墨子是鲁 国的哲学家和科学家，公输班就是传说中的能工巧匠鲁班。 有关他们制作木鸟的历史，大约发生在公元前500至400 年期间。除他们二人外，还有如张衡、韩志和、高骈等木 鸟制造家。其中汉朝张衡知名度最高，因他既是天文学家， 又是浑天仪和候风地动仪的发明者。《太平御览·文土传》 中就有张衡制造木鸟的记载。所存史料确凿表明在公元前 400年，中国人就已经使用竹木在尝试制作能飞的原始器 械了。这一点，得到世界科学界的一致认同。
中国航空近代发展史
• 1909年9月21日 中国人的第一架飞机——由冯如 •
制造并驾驶在美国的奥克兰市郊区试飞成功。 1954年7月25日 南昌飞机厂试制雅克-18(初教-5) 型教练机成功，并通过国家鉴定。 1958年7月 中国自行设计制造的歼教-1型喷气式 教练机在沈阳首飞成功 1966年1月17日 国产歼-7型飞机首次试飞成功并 于12月28日定型投入批量生产。
►· 复合化
复合材料可以明显减轻结构重量和 提高结构效率，是航空航天材料的重要发 展趋势。如美国最新研制的第四代军用歼 击机上树脂复合材料的结构重量已占整机 重量的24％。国外新一代运载火箭、战略 导弹及推进系统的关键材料几乎已经复合 材料化。
· 智能化 包括材料及材料的
复合材料在飞机结构中的使用总结
复合材料在飞机结构中的使用总结标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]复合材料在飞机结构中的应用——宋锋涛复合材料具有比强度和比刚度高、性能可设计和易于整体成形等诸多优点，其用于飞机结构上，可比金属结构明显减重，并可改善飞机气动弹性特性，提高飞行性能。
大概从20世纪40年代，玻璃/环氧树脂复合材料开始应用于操纵面、整流罩和雷达罩等航空部件。
60年代复合材料最初的应用是Boron/epoxy(硼/环氧基树脂)的F-14的水平安定面蒙皮和F-15水平与垂直安定面蒙皮。
第一个Carbon/Epoxy(碳/环氧基树脂)在军机上的应用是F-15的减速板。
70年代研制的 F/A-18A/B，采用了Carbon/3501-5复合材料机翼、控制面、垂尾和机身蒙皮，占结构重量的12%。
70年代后期研制了AV-8B(英国鹞式战斗机垂直起降)，当时使用复合材料的动力是追求性能和减重，复合材料用量占结构重量的28%，主要的材料是 Carbon/3501-6 epoxy ，用于机翼蒙皮、控制面、前机身蒙皮前中央机身蒙皮，并开始用于机翼、控制面和机身骨架，在受热零件上使用了BMI(双马来酰亚胺树脂是热固性树脂，加工简单，可在200℃以上的高温下，其机械强度和电气性能仍保持较好。
其在电气电子、精密机械、汽车、航空航天等领域有着较高的评价，具有广阔的应用前景。
)。
上世纪80年代复合材料在飞机结构上增加应用的目的是隐身，在此期间研制的F-117和B2，复合材料用量占结构重量的40%，主要使用Carbon/epoxy，以及一些特殊的树脂和增强体。
上世纪90年代复合材料在军机上的用量有所降低 (F/A-18E/F 和 F-22 的用量为22-26%)，追求减重（性能）变为要考虑成本因素。
这一点从图1可以看到。
C-17大型运输机的改进型机的次承力结构使用了复合材料，减重20%（213kg），零件减少90%（2000个），紧固件减少80%（42000个），工装减少70%，成本降低50%。
航空材料发展
航空材料发展航空材料是航空工程中的重要组成部分，其发展历程可以追溯到20世纪初。
随着航空工业的不断发展和航空技术的不断进步，航空材料的研发和应用也取得了长足的进步。
本文将从航空材料的发展历程、当前应用情况以及未来发展趋势等方面展开阐述。
首先，航空材料的发展历程可以分为几个阶段。
20世纪初，航空材料主要是以铝合金为主，随着航空业的迅速发展，钛合金、复合材料等新型材料开始逐渐应用于航空领域。
近年来，随着航空业对材料性能和质量要求的不断提高，高温合金、超高分子量聚乙烯等新型材料也开始逐渐应用于航空工程中。
其次，目前航空材料的应用情况主要集中在飞机结构材料、发动机材料和航空电子材料等方面。
飞机结构材料主要包括铝合金、钛合金和复合材料等，这些材料具有重量轻、强度高、抗腐蚀性好等优点，能够满足飞机在高空、高速飞行时的各种复杂工况。
发动机材料主要包括高温合金、镍基合金等，这些材料具有耐高温、抗氧化、抗热膨胀等特点，能够满足发动机在高温、高压工况下的要求。
航空电子材料主要包括高频线路板、导热材料等，这些材料具有导电性好、耐高温、抗辐射等特点，能够满足飞机航空电子设备的要求。
最后，未来航空材料的发展趋势主要体现在材料性能的不断提高和新型材料的不断涌现。
随着航空业对航空材料性能要求的不断提高，航空材料的研发方向主要集中在轻质化、高强度、高温性能和耐腐蚀性等方面。
同时，新型材料的不断涌现也将为航空工程提供更多的选择，比如碳纤维增强复合材料、金属基复合材料等，这些材料具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特点，将为航空工程带来更多的技术创新和发展机遇。
综上所述，航空材料的发展历程、当前应用情况以及未来发展趋势都显示出航空材料领域的巨大潜力和发展空间。
随着航空工程的不断发展和航空技术的不断进步，相信航空材料将会迎来更加美好的发展前景。
航空材料发展史
航空材料发展史第一章远古的梦人类有史以来就向往着能够自由飞行。
古老的神话故事诉说着人类早年的飞行梦，直至1900年10月的一个傍晚，当威尔伯.莱特趴在易碎的滑翔机骨架上，迎着海风飘了起来，直至1903年12月17日，“飞行者一号”试飞成功。
人类从此开始了征服蓝天的旅程。
100多年间，航空领域迅速发展，各式的飞机层出不穷。
人类对飞机性能要求越来越高，早期的木质‘飞行者一号’早已经进入了历史的博物馆。
(1903年12月17日莱特兄弟驾驶他们制造的飞行器员进行首次持续的、有动力的、可操纵的飞行)最早的飞机机翼是木质骨架帆布蒙皮,其根本是由于材质轻盈。
这样才足以达到升力大于重力而飞行的最基本要求。
由于材料过于轻便，导致天气因素对于飞行影响较大，天空中总是存在风的，这就使得实现飞机飞行的关键在于如何调节飞机前后左右各个方向的受力平衡，特别是飞机的重心和升力受力点之间的关系。
如何解决平衡和操纵问题就成了阻碍人类飞行的第一个难题。
尽管莱特兄弟的‘飞行者一号’被一阵狂风掀飞遭到严重损坏，但是这已经促进了航空商业事业的萌发和未来的发展。
第二章战争的催化之后德国人和法国人注意到了飞机在军事上的重要作用，第一次世界大战初期，飞机首先用于战场上空指引炮兵射击、侦察和轰炸,飞机逐渐发展为装备有手枪、手榴弹而后发展成为机枪、炸弹而颇具攻击性得战场杀手。
这就是歼击机的鼻祖。
限于当时技术的影响，飞机的材料仍然局限于木质和帆布。
之后硬铝的出现给机体结构带来巨大的变化。
1910～1925年开始用钢管代替木材作机身骨架，用铝作蒙皮，制造全金属结构的飞机。
金属结构飞机提高了结构强度，改善了气动外形，使飞机性能得到了提高。
飞机的时代已经开始了。
第一次世界大战结束后，各国都没有停止对全金属结构的战斗机的探索，在二战中，飞机得到了更加广泛的使用。
人们此时更加致力于寻找材料可以使飞机的行动更加敏捷。
40年代全金属结构飞机的时速已超过600公里。
航空材料的发展历程
航空材料的发展历程
航空材料的发展历程可以追溯到20世纪初。
早期的航空器设
计师多数采用木材和金属来构建飞机的骨架和外壳。
然而，随着航空技术的飞速发展，这些材料很快显得不够轻便和强大。
在二战期间，航空工程师开始研发新的材料以满足高速飞行和恶劣气候条件下的需求。
这推动了合金材料在航空领域中的广泛应用。
航空工业发展也催生了一系列新金属材料的研究和生产。
20世纪50年代和60年代，高性能的合金材料，如钛合金和
高强度钢材等开始广泛应用于航空器的结构设计中。
这些材料具有较高的强度和较低的重量，使得飞机能够更加高效地飞行。
到了20世纪70年代和80年代，以及之后的几十年中，航空
工程师开始探索新型材料的应用，如复合材料和陶瓷材料。
这些材料相对于传统金属材料具有更低的密度，更高的刚度和强度。
同时，复合材料还可以根据需求进行定制，可塑性更高。
如今，航空材料的发展趋势是综合运用各种材料。
航空器的结构设计中同时采用各种金属和复合材料的优点，以达到最佳的性能和重量比。
总的来说，航空材料的发展历程经历了从木材和传统金属到高性能合金，再到复合材料和陶瓷材料的转变。
不断研发和创新的航空材料将继续推动航空工业的进步和发展。
一代材料一代装备_浅谈航空新材料与飞机_发动机的发展
图 ２ Ｂ ７ ７ ７ 飞机的材料、特别是先进铝合 金材料的应用分布
一、二代单晶合金如
Ｄ Ｄ ４ ０ ２ 、Ｄ Ｄ ３ 、Ｄ Ｄ ６ ，研制
的相应合金叶片在发动机上
成功应用，建立和完善了
Ａ Ａ 制粉工艺粉末高温合金 研制生产线，Ｆ Ｇ Ｈ ９ ５ 、
图 ５ 钛合金的机翼大梁
Ｆ Ｇ Ｈ ９ ６ 粉末涡轮盘，在三、
四代发动机上得到使用。 我国即将研制新单晶合金超冷叶
工，因而在飞机及发动机上获得了广 军用运输机上的特大型锻件上得到重要
泛应用。当今，钛合金用量占飞机结构 的应用；高强度钛合金 Ｔｉ－６－２２－２２Ｓ 也
重量的百分比已成为衡量飞机用材先 在 Ｃ－１７ 飞机上的水平尾翼接头（转轴）
进程度的重要标志之一（图３）。此外，国 等重要关键部位上得到应用。这两种钛
除铝合金材料之外，欧洲首先发 明了纤维 － 金属层板复合材料，其早期 产品是芳纶纤维 － 铝合金复合材料层 板，出现已超过 ２０ 年，其后是玻璃纤 维 － 铝合金层板。美铝公司又推出所谓 “无忧”材料混杂结构创新的概念，它
综合了纤维增强树脂基复合材料抗疲 （包括高推比发动机）长寿命、高机动
劳的优势和先进铝合金材料低成本、 性、低成本和损伤容限设计需要的重要
２０ 世纪 ７０ 年代后，我国测仿了欧 美航空发动机，高温合金的研制中也 引进了欧美的技术，按国外的技术标 准进行研制和生产，对材料的纯洁度 和综合性能提出了更高的要求，研制 了高性能变形高温合金、铸造高温合 金。Ｄ Ｚ 系列的定向凝固柱晶合金如 Ｄ Ｚ ４ 、Ｄ Ｚ ２ ２ 等，Ｄ Ｄ 系列的单晶合金 Ｄ Ｄ ３ 、Ｄ Ｄ ４ ０ ２ 等使我国高温合金在生 产工艺技术和产品质量控制上了一个 新台阶，基本达到和接近西方工业发 达国家的水平。最为显著的是复合冷 却 ＤＺ２２ 定向柱晶无余量精铸叶片的研 制，已在某高性能发动机上成功应用。
复合材料聚合物基复合材料
1. 不饱和聚酯树脂(UP-Unsaturated Polyester Resin)
聚酯包括饱和聚酯和不饱和聚酯。 饱和聚酯：没有非芳族的不饱和键
O CO
不饱合聚酯:含有非芳族的不饱和键, 是由 不饱合二元酸或酸酐、饱合二元酸或酸酐与二 元醇经缩聚反应合成的低聚物。将其溶解在乙 烯类单体中所形成的溶液称不饱合聚酯树脂。
另外还具有：可设计性强；耐腐蚀；热膨胀 系数低，尺寸稳定等特点。
1. 高比强度、高比模量
比强度是材料的强度和密度之比值，比模量是 材料的模量与密度之比值。
在质量相等的前提下，它是衡量材料承载能力 和刚度特性的指标。
复合材料的高比强度和高比模量来源于增强纤 维的高性能和低密度。
2．耐疲劳
•多数金属材料疲劳极限仅为其拉伸强度的30 ％--50％，而CFRP可达70％-80％。
从生产工艺来看，尽管引进了不少先进技术设 备，但利用率不高，所有制品仍有80%是手糊 成型，仅有20%由缠绕、拉挤、SMC及RTM等 设备成型，因此玻璃钢工业的生产潜力很大。
在成型工艺方面引进了制造管罐的大型缠绕系 统、拉挤工艺生产线、SMC生产线、连续制板机 组、树脂传递模型机组、喷射成型技术、树脂 注射成型技术等先进工艺和设备，形成了研究、 设计、生产及原材料相互配套较完整的工业体 系 。逐步实现由手糊到机械化自动化的转变。 但总的水平与国外先进技术还有一定距离。
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，用硼/铝复合材料制造主机身隔框和翼梁， 用碳/碳复合材料制造发动机的喷管和喉衬，发动机 组的传力架全用硼纤维增强钛合金复合材料制成， 被覆在整个机身上的防热瓦片是耐高温的陶瓷基复 合材料。
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曹春晓
中航工业北京航空材料研究院 南昌航空大学
目录
1 前言 2 一百多年来飞机机体的材料结构经历了四个阶段的发
展,正在跨入第五阶段
3 复合材料为主的时代正大踏步地向我们走来 4 为什么飞机材料结构会出现以复合材料为主的新格局 5 钛合金在飞机机体结构中的用量不断创造新记录 6 为什么飞机机体结构中的钛用量会不断创造新记录 7 铝合金和钢仍在飞机机体中占不可或缺的重要地位 8 结束语
中央翼盒: HT & IM Fiber, ATL
襟翼导轨面板: CFRP, RTM
压力框:CFRP, RFI /易变形织物
自动铺丝技术在军用飞机上的应用
飞机 V-22 V-22 V-22 V-22 V-22 V-22 F/A18-E/F F/A18-E/F F/A18-E/F T-45 C-17 C-17 F-22
复合材料 24%
铝 15%
钢 5% ◇ 隐身
◇ 巡航M1.5，Mmax=2.0 ◇ 非常规机动性好
◇ 先敌发现，先敌开火，先敌摧毁。2004年4月29日开始的 使用试验证实，一次演习中用5架F-15对付一架F/A-22， F/A-22在3分钟内完成了攻击，F-15甚至还未看见F/A-22。
6 为什么飞机机体结构中的钛用 量会不断创造新记录？
钢 5% ◇ 隐身
◇ 巡航M1.5，Mmax=2.0 ◇ 非常规机动性好
◇ 先敌发现，先敌开火，先敌摧毁。2004年4月29日开始的 使用试验证实，一次演习中用5架F-15对付一架F/A-22， F/A-22在3分钟内完成了攻击，F-15甚至还未看见F/A-22。
钛 41%
F/A-22（猛禽，2005年开始服役， 四代机典型代表）
◇ 在A380 上 GLARE机身壁板一共有27块，最长的一块为 11米，总覆盖面积达470平方米（见下一页的图）。
图中的橄榄色给出了GLARE在A380机身上的使用位置，此外 GLARE还用在垂直尾翼的前缘和水平稳定面上。GLARE用量 占A380总结构重量的3%，使A380结构重量减轻800Kg，还提 高了使用寿命和可维修性，成本却与铝材相近。
RFI技术的应用实例：波音787地板横梁；A380襟翼轨 梁；A380压力隔框。
复合材料自动化和LCM技术的发展和应用
上舱门地板梁: CFRP, 拉挤成型
机翼前缘: 玻璃纤维 增强热塑性复合材料
外侧襟翼: CFRP, ATL
垂直尾翼: IM Fiber, ATL
非增压后机身， CFRP, AFP
水平尾翼: IM Fiber, ATL
自动铺带技术
自动铺丝技术
●复合材料飞机结构件的设计、使用、 维修 技术更趋成熟
安全性首先取决于材 料的技术成熟度。美 国把成熟度分为10级， 级别越高，成熟度越 高。在波音公司看来， 复合材料经过30多年 的研究和应用，技术 上已十分成熟，当前 在B787上把用量扩大 至50%是安全的。
与铝合金相比，复合材料的损伤容限和抗蚀性要好得多， 这显著有利于耐久性的提高，同时也提高了安全性。
波音787复合材料整体机身段是新一代 大型飞机材料技术的第一亮点
波音787的整个 机身是由若干个 整体机身段组成 的，从而减少了 1500个零件和 4～5万个连接件， 显著减轻了结构 重量，大幅度地 降低了制造、装 配、运营和维护 成本。
A380飞机复合材料中央翼盒（总重8.8吨， 其中复合材料5.3吨，减重1.5吨）
复合 3 8 9.5 10 23 24 36 29 38
材料
钛合 2 7 12 13 15 41 27 21 26
金
铝合 83 73 50 50 29 15
金
41 19
钢 5 10 15 16 14 5
96
钛 41%
F/A-22（猛禽，2005年开始服役， 四代机典型代表）
复合材料 24%
铝 15%
◇ 与ARALL相比，GLARE的密度较高和模量较低，但其 成本显著降低，而且显著提高了疲劳性能、拉伸强度、压缩 性能、冲击性能和阻尼性能，因此GLARE层板一问世，就 引起世界各大飞机制造公司的关注。九五期间BAIM的疲劳 试验结果表明，3/2GLARE的疲劳寿命为胶接铝板的23～35 倍,这是由于纤维的桥接作用降低了铝板裂纹尖端的应力强度 因子，经过一定循环次数后裂纹以近似恒定的速率扩展。
38
A400M 波音 787
军用运 民用 输机 运输
机
35～40 50
V-22
倾转 式旋 翼机
50
“虎” 式 直升 机
＞80
X-45B
无人 作战 机
90
F-35 (JSF, 2010或2011年开始服役，空中霸主）
复合材料 36% 钛 27%
◇ 轻型多用途 ◇ Mmax=2.5 ◇ 隐身 ◇ 价廉
例如已发展到以T800S/3900为代表的第三代C纤 维/环氧树脂复合材料已用于波音787,其CAI高达 315～345MPa,原材料成本已降低至120 ～190美 元/千克. C纤维T800S 的拉伸强度比波音777用的 T800H高300MPa 。
●复合材料不仅比强度、比刚度高，而且便于整体 结构化，因而显著减轻了飞机结构重量（例如波 音787减重4500kg），相应地显著减少了燃油消 耗（例如波音787减耗8%）
5 钛合金在飞机机体结构中的用量不断创新高
●大型飞机钛用量随年代的变化
●美国军用飞机上钛合金用量也不断增高，在 F/A-22上达到了高峰，坐上了第一把交椅。
美国军用飞机上各种材料用量占机体结构总量的百分比
机型 F-16
F-17Y F/A-18 F/A-18 F/A-18 F/A-22 F-35 B-1 B-2 A/B C/D E/F
●本文首先回顾了一百多年来飞机机体材料 结构变化的历程,从二十一世纪初开始已进 入一个新的发展阶段。这一新阶段的特点 是：飞机机体材料结构已以复合材料为主、 钛合金用量不断创新高、铝合金和钢仍占 不可或缺的地位。本文进而详细分析了出 现这一新格局的原因，并在此分析过程中 很自然地呈现出复合材料、钛合金、铝合 金和钢等四大结构材料近期发展的众多亮 点。
钢、复合材料结构（以铝为主） 第五阶段（21世纪初～ ）：复合材料、铝、钛、
钢结构（以复合材料为主）
3 复合材料为主的时代正大踏步地向我们走来
欧美客机上复合材料用量的变化
材料结构以复合材料为主的各类飞机代表性型号
飞机 F-35 型号
飞机 第四 类型 代战
斗机
复合 材料 36 用量
%
B-2
战略 轰炸 机
复合材料 38% 钛 26%
铝 19%
钢 6%
欧洲军用运输机 A400M
复合材料用量35%～40%
波音787
复合材料用量50%，铝合金用量 20%，钛用量15%，钢用量10%
V-22 Osprey飞机
复合材料用 量约50%
复合材料用量80%以上
“虎”式直升机
注：战术运输直升机NH-90的复合材料用量达95%
复合材料用量 X-45A 50% X-45B 90%
X-45 (无人作战飞机）
◇ 2002年5月22日 X-45A 首次秘密试飞成功 ◇ 隐身、无尾
◇ 飞行高度最终目标为1.2万米 ◇ 让无人作战机与人工驾驶机混合战斗训练
4 为什么机体的材料结构会出现以复合材料
为主的新格局?
●C纤维和树脂的更新换代进一步提高了性能水平 和降低了原材料成本。
铺放 效率
[kg/h]
自动铺带技术(ATL)
100% 80%
50% 25% 10%
自动铺丝技术（AFP)
手工铺贴技术
低
中等
复杂 非常复杂
模具的复杂性程度
自动铺带技术(ATL)和自动铺丝技术（AFP)
RTM技术应用实例：F-35垂尾是首次采用RTM 成型技术的全复合材料整体尾翼构件，其规格很大 （长3.6m，重90kg），结构复杂，使垂尾的零件数从 原来13个减至1个，紧固件取消了1000个，制造费用减 少60%以上；F-22的进气唇口、前机身部分隔框、正 弦波梁和驾驶舱地板加强件等400多个构件；F119发动 机进口风扇机匣；A380中央翼盒的5个工字梁、襟翼 滑轨面板、后机身框、尾翼翼盒框；波音787起落架撑 杆。
A380率先在中央翼盒上大量采用复合材料（原为金属 结构）是新一代大型飞机材料技术的一个亮点。
激光检测技术的出现，使F-35进气道可以改用复合材料整体件， 与原钛合金焊接件相比，减少95%紧固件，降低成本20万美元， 减重36千克。F-22也采用这样的复合材料进气道。
●液态复合成型（LCM）和自动化铺层等新 型制造技术的发展和应用，如虎添翼地促 进了复合材料的扩大应用。
由于钛合金具有比强度高(Titan，大力神)、耐腐 蚀性好(在0.9m/s流动海水中腐蚀速度趋近于零， 而铝合金5mm/年，不锈钢3.6mm/年)、使用温度 范围大(-269 ℃ ～600℃)、性能可调性好等优点， 因此在那些需要减重或耐蚀而又不适于选用复合 材料的部位，就往往不得不用钛合金取代铝合金 或钢制成零部件。例如：
● 波音787虽然已大量采用复合材料，但 在研制过程中发现仍存在结构重量超重问 题，为了达到减重2500千克的目标，波音 公司不得不在2006～2007年期间再投入3亿 美元的经费，研究某些部位用钛合金取代 铝合金以解决超重问题，否则将不能兑现 减少燃油消耗20%的关键性承诺。
LCM主要有RTM（树脂转移模塑）和RFI （树脂膜浸渗）两种制备技术。
自动化铺层则分为ATL(自动铺带)和AFP(自 动铺丝)两种制备技术。
上述技术既提高了质量和改善了工作环境， 又缩短了制造周期和降低了制造成本（从 90年代的1100美元/千克左右降至当前的300 美元/千克左右），而且有利于构件的大型 化和结构的整体化。