在航空制造發(fā)展的百余年歷史中，飛機(jī)材料的更新?lián)Q代呈現(xiàn)出高速更迭與變換的狀態(tài)。縱觀人類航空發(fā)展史，材料和飛機(jī)一直是在相互推動(dòng)下不斷得以發(fā)展和改進(jìn)的。大自然為航空結(jié)構(gòu)提供了合適的原材料——木頭。但是我們無節(jié)制地開采，如今已經(jīng)很難找到滿足我們所需的尺寸和質(zhì)量了。擠壓和層壓式鋁合金由于很容易滿足性能需求，成為一種很具吸引力的替代資源。鈦合金和不銹鋼既堅(jiān)固又耐熱，適用于航空結(jié)構(gòu)，但是不易加工，同時(shí)因?yàn)楸戎卮螅ǔＶ挥糜诤娇战Y(jié)構(gòu)的特殊部位。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，自上世紀(jì)70年代起，新一代航空材料——復(fù)合材料——應(yīng)運(yùn)而生。它相當(dāng)于一種摻進(jìn)加強(qiáng)纖維的“塑料”，從結(jié)構(gòu)上看，可被看作是 “人造木”，它可能比天然產(chǎn)物更好，但是需要昂貴的模具，可能還會(huì)危害我們的健康。

    設(shè)計(jì)要求

    飛機(jī)結(jié)構(gòu)基本上是單向的，也就是說它的長(zhǎng)度比寬度或者高度大的多。例如，機(jī)翼和尾部梁的跨度比其寬度和深度大；整個(gè)翼的跨度比和弦或厚度大；機(jī)身比其寬度或高度大。甚至一個(gè)螺旋槳葉片的直徑比寬度和厚度大得多…因此，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)有效的強(qiáng)度重量結(jié)構(gòu)時(shí)選擇使用強(qiáng)度高柔性較好的細(xì)長(zhǎng)纖維這樣的單向材料。

    飛機(jī)結(jié)構(gòu)也非常接近對(duì)稱結(jié)構(gòu)。意味著向上和向下的載荷幾乎相等。尾部載荷向下還是向上取決于飛行員是通過拉行距控制還是推行距控制來控制飛機(jī)的機(jī)頭；方向舵可以偏轉(zhuǎn)到右側(cè)或者左側(cè)（負(fù)載在機(jī)身側(cè)面）。作用于機(jī)翼的風(fēng)可以起推動(dòng)作用或阻力作用，使飛機(jī)受到向上或向下的力，乘客會(huì)感覺到被壓在座位上或者被掛在安全帶上。

    由于這些因素，設(shè)計(jì)者必須使用能夠同時(shí)承受拉力和壓力的結(jié)構(gòu)材料。單向纖維具有優(yōu)異的張力，但橫截面小，慣性小，且不能承受太多的壓縮，負(fù)載過大就會(huì)變形。就像我們不能壓縮一根繩子、電線或鏈條一樣。

    為了使細(xì)纖維在壓縮時(shí)仍比較牢固，可以通過某種方式使其 “粘在一起”，利用其抗拉強(qiáng)度彌補(bǔ)抗壓強(qiáng)度的不足，因?yàn)樗鼈冏鳛橐粋€(gè)整體可以更好地抵抗壓力。這種粘合劑通常是一種輕質(zhì)柔軟的樹脂，可使纖維凝聚在一起從而承受壓縮載荷。它們的組合就可以成為很好的結(jié)構(gòu)材料。

    木材

    從歷史上看，木材是第一種用于單向結(jié)構(gòu)的原料。大自然用她的智慧使某些樹木在特定條件下生長(zhǎng)為單向材料、高大挺拔、堅(jiān)固且質(zhì)輕。樹干的橫截面顯示出年輪（每年一環(huán)，使我們可以了解樹的年齡）。暗帶（晚期木材）含有許多纖維，而明帶（早期木材）含有更多的樹脂。因此，暗帶越寬，木材越強(qiáng)勁且質(zhì)重。如果暗帶非常窄，明帶非常寬，木材就質(zhì)輕且不是很強(qiáng)勁。要想達(dá)到更好的比強(qiáng)度，木材的暗帶、明帶需要達(dá)到一個(gè)平衡。這就要求木材以一個(gè)特定的生長(zhǎng)狀態(tài)生長(zhǎng)。

    我們的一些飛機(jī)結(jié)構(gòu)是二維的（長(zhǎng)度和寬度都大于厚度）。膠合板通常用于這樣的結(jié)構(gòu)。若干薄板（金屬箔）粘合在一起，使得各個(gè)層的纖維以不同的角度交叉在一起（現(xiàn)在通常為90°交叉以前通常是30°和45°交叉）。如果設(shè)計(jì)師知道如何有效地使用膠合板的話它將是非常理想的 “抗剪腹板”。

    上世紀(jì)初，世界上第一架載人飛機(jī)上天。發(fā)明者萊特兄弟使用的材料以木材為主，占比達(dá)47%，其次是鋼（占35%）和布（占18%）。當(dāng)然，這架飛機(jī)的飛行距離只有16公里。早期飛機(jī)用木條、木三夾板做大梁和骨架，用亞麻布做機(jī)翼的翼面，這就是所謂的飛機(jī)木布結(jié)構(gòu)。而在木桿與層板之間，通常用螺栓相拼接。機(jī)翼則蒙上涂抹過清漆的亞麻布，其間以縫紉方式與翼肋構(gòu)架相連接，而清漆可以保證翼面的堅(jiān)挺度、應(yīng)有的幾何形狀和強(qiáng)度。這樣的材料結(jié)構(gòu)一直沿用到第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束，只是飛機(jī)的氣動(dòng)外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)更趨合理和完善。

    但是適合航空的好木材十分難得。我們沒有好的木板作為板梁，只能使用許多疊片材料，這導(dǎo)致我們也不再相信木材的質(zhì)量。但從可用性角度，我們需要大自然能夠提供給我們的替代品。

    鋁合金

    既然木材已經(jīng)不像從前那樣容易獲得，我們來看看另一種牢固、質(zhì)輕、易得且價(jià)格合理的材料——鋁合金。

    由于鋁材是擠壓成型，我們得到的鋁合金為單向材料，其縱向強(qiáng)度比橫向強(qiáng)度要大，抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都很好。這種擠壓鋁材與木材相比，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度幾乎相等，線性應(yīng)力分析也適用。而木材的抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的兩倍；因此必須使用特殊的應(yīng)力分析方法。無論是否使用加強(qiáng)劑，薄板鋁合金（0.016至0.125英寸）作為腹板都是極好的二維材料——在進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸せ驈澢鷷r(shí)可作為抗拉/抗壓構(gòu)件。

    1906年，德國(guó)冶金學(xué)家發(fā)明了可以時(shí)效強(qiáng)化的硬鋁，又稱杜拉鋁，使后來制造全金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)成為可能。上世紀(jì)20年代，有極個(gè)別飛機(jī)開始試用強(qiáng)度更高的硬鋁合金，硬鋁合金替代了原先制作飛機(jī)骨架和翼肋的木條，也少量替代了承力較大的布質(zhì)機(jī)翼蒙皮。但當(dāng)時(shí)飛機(jī)上的非承力部件，依然采用低成本的木布結(jié)構(gòu)。

    1925年以后，許多國(guó)家逐漸用鋼管代替木材做機(jī)身骨架，用鋁板做蒙皮，制造出全金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)。全金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)加大了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善了氣動(dòng)外形，提高了飛機(jī)性能。到上世紀(jì)40年代，全金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)的時(shí)速已經(jīng)超過600公里。作為當(dāng)時(shí)的航空先進(jìn)國(guó)，德國(guó)和美國(guó)在上世紀(jì)30年代后期都嘗試使用一種被壓成細(xì)波紋狀的薄鋁板做飛機(jī)表面的蒙皮。這樣的形狀可以額外加大其縱向強(qiáng)度。世界上第一架“為客機(jī)而設(shè)計(jì)的客機(jī)”容克F13和其他一系列容克、福克、福特品牌的客機(jī)或運(yùn)輸機(jī)都成功采用過這種外部材料。需要特別指出的是，直到目前，硬鋁仍然是全球飛機(jī)的主要用材。下圖為全球首架全金屬客機(jī)（復(fù)原版）。

    值得注意的時(shí)，自然界中并不存在鋁，鋁是一種人造金屬。通過電解鋁土礦（氧化鋁）以獲得金屬鋁，然后將其與各種提高強(qiáng)度的添加劑制備在一起。在購(gòu)買鋁合金時(shí)你會(huì)得到一份“工廠試驗(yàn)報(bào)告”，保證其化學(xué)和物理性能符合技術(shù)要求。

    鋼材

    可考慮用于航空結(jié)構(gòu)中的另一種材料就是鋼，它具有和木材或鋁材相同的重量——強(qiáng)度比。一般來說，鋁材的重量和強(qiáng)度是木材的三倍，而鋼材的重量和強(qiáng)度又是鋁材的三倍。除了低碳鋼用于強(qiáng)度較低的支架，飛機(jī)主要使用AISI413ON或4140鉻鉬合金。

    由于鋼的密度高，它不能像鋁板或膠合板一樣用作抗剪腹板。0.010英寸的鋼板就可以達(dá)到0.100英寸的膠合板或者0.032英寸的鋁板的抗剪能力，但是它太薄了而不能很好的滿足使用條件。這就是為什么鋼機(jī)身采用管子作為對(duì)角線來承受壓縮剪切力或拉伸剪切力，整個(gè)結(jié)構(gòu)覆蓋織物（重量輕）以得到其所需的空氣動(dòng)力學(xué)形狀或期望的外觀。這種方法涉及兩種技術(shù)：鋼的加工和織物覆蓋。

    進(jìn)入上世紀(jì)50年代以后，人類跨入了超音速時(shí)代。飛機(jī)在飛行過程中與空氣摩擦生熱，飛機(jī)蒙皮的溫度隨著飛行速度的上升而快速上升。要想達(dá)到超音速飛行，鋁合金是不行了。于是出現(xiàn)了航空專用的既堅(jiān)固又耐熱的鈦合金和不銹鋼。其中，鈦合金的研制成功和應(yīng)用對(duì)解決機(jī)翼蒙皮的熱障問題起了重大作用。但需要指出的是，它們極難加工，同時(shí)因?yàn)楸戎卮螅ǔＶ挥迷谔厥獠课弧?nèi)部骨架和起落架支柱等部位。作為特例，這些特殊鋼材也曾大范圍使用在極個(gè)別的特種飛機(jī)上。比如，上世紀(jì)60年代出現(xiàn)了能在3萬米高空進(jìn)行3倍音速飛行的全鈦結(jié)構(gòu)間諜飛機(jī)SR-71，如下圖所示。

    但是這種“黑色幽靈”除了是個(gè)吞金猛獸之外，性能也差強(qiáng)人意。極低的可用過載和機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度使得黑鳥無法做強(qiáng)度稍大一點(diǎn)的機(jī)動(dòng)，甚至急速爬升都難以做到。

    復(fù)合材料

    隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，自上世紀(jì)70年代起，新一代航空材料——復(fù)合材料——應(yīng)運(yùn)而生。它相當(dāng)于一種摻進(jìn)加強(qiáng)纖維的“塑料”，比如將玻璃絲纖維摻和在環(huán)氧樹脂內(nèi)。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、剛度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，并具有抗疲勞、減振、耐高溫、可設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)。它可以使飛機(jī)在維持原強(qiáng)度的前提下減輕重量，或在同樣的重量下，強(qiáng)度更高。復(fù)合材料所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益可想而知。最極端的一例是，在上世紀(jì)80年代出現(xiàn)了世界上第一架“全塑料”飛機(jī)AVTEK400。

    復(fù)合材料的設(shè)計(jì)者需要在特定的位置使用定量的纖維。纖維被包裹在樹脂中并保持在適當(dāng)?shù)奈恢脕淼挚箯澢Ｅc膠合板或金屬片只能承受單一方向的彎曲不同，設(shè)計(jì)者將纖維編織成布，如此纖維被鋪設(shè)在兩個(gè)方向上，由此可以承受不同方向的彎曲。編織線和緯紗也嵌入在樹脂中。這樣既可以在所需的兩個(gè)曲率方向自由變形，也符合最佳的空氣動(dòng)力學(xué)形狀且具有非常吸引人的外觀（美學(xué)的重要性）。

    今天的纖維（玻璃，尼龍，芳綸，碳，晶須或各種化學(xué)成分的單晶纖維）都非常堅(jiān)固，結(jié)構(gòu)很輕，但缺點(diǎn)是剛度小。該結(jié)構(gòu)需要使用常用的加強(qiáng)筋或美觀的夾層結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步固化。

    從工程的角度來看，這種方法為戰(zhàn)爭(zhēng)情況下的發(fā)展提供了可能，非常有吸引力，因而被許多機(jī)構(gòu)所支持。但是這種方法在住宅建設(shè)方面也有其缺點(diǎn)：它需要一個(gè)模具，并且需要非常嚴(yán)格地控制纖維和樹脂的量，也需要嚴(yán)格控制附著力來避免結(jié)構(gòu)件過干或過濕。另外，樹脂的固化對(duì)溫度，濕度和壓力都相當(dāng)敏感。最后，樹脂是活性化學(xué)物質(zhì)，不但會(huì)產(chǎn)生常見的過敏反應(yīng)，而且會(huì)產(chǎn)生對(duì)我們身體（尤其是眼睛和肺）有害的化學(xué)物質(zhì)。

    樹脂的另一個(gè)缺點(diǎn)是它的保存期限有限。如果樹脂沒有在制造后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)使用的話，其效果會(huì)不佳并且不安全。

    最后，除了模具需要很好的設(shè)計(jì)，制造和維護(hù)外，結(jié)構(gòu)的外表面也需要一定的光潔度，這一點(diǎn)常常被忽略。砂紙過度地打磨表面也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不牢固。但是今天也只有非常熟練的專家才能拿出一個(gè)可靠和完美的結(jié)構(gòu)，甚至他們也要拿自己的健康去冒險(xiǎn)。

    復(fù)合材料革命的代表機(jī)型是波音787。從材料學(xué)的角度看，波音787飛機(jī)是制造業(yè)歷史上一次革命性的跨越。波音787飛機(jī)在機(jī)身和主要結(jié)構(gòu)上大面積使用了復(fù)合材料，不僅減輕了飛機(jī)重量，還減輕了航空公司的維修負(fù)擔(dān)。波音公司的數(shù)據(jù)顯示，復(fù)合材料占到波音787飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的50%（體積的80%），鋁占20%，鈦占15%，鋼占10%，其他材料占5%。

    未來，飛機(jī)將使用什么結(jié)構(gòu)材料？

    主要參考地址：wood, aluminum, steel and composites and the Properties of each。