21世纪金属材料——钛合金

　　钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，相比于诞生6000年的铜，诞生4000年的铁，诞生100年的铝，钛是一种非常“年轻”的金属。钛合金因具有强度高、质量轻、耐蚀性好、耐热性高等优点，被广泛用于各个领域，也被冠以“21世纪金属材料”之名。

　　钛合金在飞机机体、航空发动机上无可替代般地应用，开启了航空材料的第三阶段发展历程。以钛合金来造飞机始于上世纪50年代，如美国X-3技术验证机上的钛合金机身结构，美国空军第一型实用化超音速战斗机F-100“超级佩刀”又扩大了钛合金的使用范围。进入60年代，钛合金在军用飞机中的用量迅速增加，使用部位从后机身、非承力性部件，扩大到中机身，开始部分代替结构钢，来制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。到第三代战斗机陆续亮相时，钛合金的使用已普遍占到结构重量的20%～25%左右。

　　70年代起，民用飞机上也开始大量使用钛合金，比如在划时代机型波音747上，钛合金的使用量达到了3.6吨以上。不过在军机领域，对高空高速的极致追求下诞生的SR-71侦察机，其钛合金使用占到了整机结构重量的93%，号称“全钛”飞机。钛合金一时成为高新材料的代名词，其在一架飞机上的用量成为衡量其先进性的重要指标之一。

　　美国第四代战斗机F-22身上钛合金的用量达到了39%，特大型钛合金整体锻件广泛用在了后机身和机翼上。与此同时，民机上的钛合金用量也在创新高，如波音787和空客A380飞机的钛合金用量都达到了10%以上。这一比例再乘以整机结构重量，折算下来的钛合金用量的噸数可不是小数字。

复合材料，从玻璃纤维到碳纤维

　　玻璃纤维增强的复合材料是航空领域最早应用的第一种轻质复合材料，它的使用最初是在上世纪40年代，用于飞机的整流罩、襟副翼、机头和驾驶舱部分等，以及尝试在直升机旋翼桨叶上使用。这是航空复合材料技术发展的序幕。不过这时期的复合材料在力学性能上相较其它材料并无优势，制造的零部件尺寸也较小，只用在受力不大的机体部位。
　　美国是最早、最主要对硼纤维及其复合材料进行研究开发并投入使用的国家。自70年代开始，美军的F-4战斗机、F-111战斗轰炸机，到后来的F-14和F-15等机型，它们的水平尾翼、垂直尾翼和气动舵面等都普遍使用硼-环氧树脂复合材料来制造。不过这种复合材料虽然在强度、刚度、轻质等方面都优于传统的飞机材料，但居高不下的成本也限制了它的使用。

　　“转机”出现在60年代初，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维投入工业化生产，碳纤维彻底取代硼纤维成为复合材料发展的主流。由此，70年代中期诞生了一系列以碳纤维为“增强体”的高性能复合材料，它们具有其它任何材料无可比拟的高比强度（强度比密度）、高比刚度（模量比密度）性能，对疲劳和腐蚀的敏感性也更低，且在成本上不到硼纤维复合材料的四分之一。这是航空业真正革命性的新材料！
　　碳纤维复合材料的应用，不仅是对此前硼纤维的替代，更随着制造技术的进步，开始用于制造尺寸更大、更复杂的航空零部件。80年代以后服役的诸多战斗机，复合材料用在了机翼、尾翼等主要承力性结构、较大尺寸的部件上，用量达到了机体结构重量的20%～50%。在80年代研制的隐身轰炸机B-2，普遍估计其复合材料用量在80%左右，即全机结构绝大部分都由复合材料制成。

　　在这一波航空领域的材料新技术浪潮中，直升机的结构材料也同样得到了进化，如欧洲NH90直升机，其复合材料用量高达90%，而倾转旋翼机MV-22“鱼鹰”的复合材料也在50%左右，用在了机身、机翼、尾翼、旋转机构等。更不用说，对续航时间、长航程、轻质高强度有着天然需求的无人机系统，大范围使用复合材料来打造无人机已是性能提升的必需。
　　复合材料的应用所带来的多方面好处，同样吸引着民机的制造加入这场变革。不过更强调安全性、经济性的民机，这条新材料升级之路走得是相对“小碎步”式的循序渐进。从受力较小、尺寸较小的机身口盖、整流罩，到受力较小尺寸更大的升降舵、方向舵、襟副翼等，再到垂尾、平尾等受力较大的部件，直至当下这一阶段的、民用客机上作为最主要受力部件的机翼、机身等，皆由复合材料整体化制造。

　　民机领域的复合材料应用，空客较于波音来说更为“激进”与超前些。空客率先在A310客机上使用了碳纤维复合材料制造的垂尾，再到A380上的大规模使用复合材料（比例近25%）。波音公司则在波音787“梦想客机”上一举发力，将整机的复合材料用量提到了50%的水平。不过，空客的新生代客机A350马上就再突破，达到了53%。