從一開始，新材料的研發(fā)、創(chuàng)造都來自想象：如果把金屬看作水泥，把碳纖維管看作鋼筋，把“鋼筋”加進(jìn)去試試會怎樣？

新材料制備完成，測試顯示，金屬的強(qiáng)度提高了，重量也輕了。更強(qiáng)、更輕是材料研究人員的共同目標(biāo)，同樣的，航空材料也有志于此。

得知金屬也疲勞，北、上、廣、深的“加班狗們”會不會心頭蕩起一陣惺惺相惜？強(qiáng)硬如金屬尚且如此，雖然算不上什么新知，但也從某一種角度提醒著我們：革命尚未成功，我輩仍須強(qiáng)韌性、減疲勞，來日方長。

其實(shí)，金屬疲勞并不復(fù)雜。我們小時(shí)候都體驗(yàn)過：反復(fù)彎折一個(gè)金屬薄片，沒一會兒工夫就能將其折斷。我們使用的材料都是不完美的，包括金屬，在長期服役中，有缺陷的部位就會應(yīng)力集中，逐漸出現(xiàn)裂紋或者突然發(fā)生斷裂，這個(gè)過程就是金屬疲勞了。

從第一次工業(yè)革命開始，金屬被用于效率更高的機(jī)器中，工廠里的馬達(dá)代替了工人。沒多久，在隆隆馬達(dá)聲中，人們慢慢地感受到了金屬疲勞的危害：重要的金屬部件發(fā)生脫落、突然斷裂，造成不少事故。

在顯微鏡的觀察下，金屬疲勞的原因一目了然。金屬內(nèi)部由很多晶體結(jié)構(gòu)，它們并不是完美的均勻狀態(tài)。當(dāng)受到持續(xù)外力，且力的傳遞并不均勻?qū)е履承┑胤匠霈F(xiàn)受力相對集中的狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間，應(yīng)力持續(xù)集中的地方就會出現(xiàn)十分微小的裂紋，再過一段時(shí)間，微小的裂紋變大，金屬中能夠傳遞應(yīng)力的部分變少，剩余部分不能承擔(dān)傳遞的力時(shí)，金屬就斷裂了。

現(xiàn)在，在清華大學(xué)航空航天學(xué)院的結(jié)構(gòu)完整性實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，可以測出金屬在不斷受力的情況下發(fā)生疲勞的曲線規(guī)律，還能記錄疲勞出現(xiàn)、發(fā)生斷裂的時(shí)間。通過這條疲勞曲線，可以預(yù)測金屬的疲勞壽命；同時(shí)，缺陷也是可以加以利用的，比如做成需要在一定時(shí)間發(fā)生斷裂的工具。

飛機(jī)上的金屬

我們乘坐的飛機(jī)是經(jīng)過百余年的進(jìn)化才成為現(xiàn)在的模樣。

早期的飛機(jī)是木結(jié)構(gòu)的，由張線加固。1909年，路易斯·布萊里奧就是駕駛著這樣一架飛機(jī)飛越英吉利海峽的。現(xiàn)在看來，它的結(jié)構(gòu)簡單極了，但機(jī)身精選木料，有上百個(gè)金屬連接件，工藝絕不粗糙。1919年，容克斯設(shè)計(jì)的全金屬F13超越了時(shí)代，與他最早設(shè)計(jì)的全金屬外殼——J.1“錫驢”（Blechesel）相比，F(xiàn)13造型簡潔，更具現(xiàn)代感，而當(dāng)時(shí)的主流飛機(jī)還是木質(zhì)機(jī)身、帆布蒙皮的。容克斯的設(shè)計(jì)劃直接啟發(fā)了上世紀(jì)30年代金屬客機(jī)的誕生。后來，為了加快飛機(jī)的飛行速度，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，它先突破了“音障”，完成了航空科技上的一次飛躍，但馬上又遇到了“熱障”問題。當(dāng)飛機(jī)以超聲速飛行時(shí)，飛機(jī)表面和空氣摩擦產(chǎn)生大量的熱，飛機(jī)蒙皮溫度急劇升高；當(dāng)溫度超過250°C時(shí)，鋁合金就會出現(xiàn)疲勞。上世紀(jì)40年代末，耐高溫的鈦合金出現(xiàn)了，航空技術(shù)實(shí)現(xiàn)了又一次飛躍——突破“熱障”。

綜觀航空史，每一次航空材料的重大突破，都會促進(jìn)航空技術(shù)飛躍式的發(fā)展，而航空材料以其基礎(chǔ)地位，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)、信息技術(shù)并列為三大航空關(guān)鍵技術(shù)之一。

現(xiàn)在的飛機(jī)材料以金屬材料、聚合物、無機(jī)非金屬材料和復(fù)合材料為主。飛機(jī)在高空飛行時(shí)，不同的飛機(jī)部件處在不同的溫度環(huán)境中：有發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庑纬傻母邷丨h(huán)境，有在同溫層以亞音速飛行時(shí)-50°C的飛機(jī)表面溫度。飛機(jī)在地面時(shí)，極地嚴(yán)冬的機(jī)場機(jī)坪溫度會降至-40°C以下，創(chuàng)造或選擇合適的材料，并朝著更強(qiáng)、更輕的方向進(jìn)化，如AreMet100超高強(qiáng)度鋼制成的起落架，鈦合金為主的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主材，機(jī)體結(jié)構(gòu)鋼材，才能讓飛機(jī)整體性能相協(xié)調(diào)。

進(jìn)入21世紀(jì)，航空新材料和先進(jìn)工藝的發(fā)展很快。運(yùn)輸飛機(jī)既要安全，又要最大限度地節(jié)能環(huán)保、控制成本。能做到這些，就是現(xiàn)代制造工業(yè)的頂峰了。

為金屬“賦能”

在飛機(jī)制造領(lǐng)域，增強(qiáng)“金屬免疫力”是對抗金屬疲勞的有效方法。

一方面，在鋼鐵和有色金屬中，加進(jìn)微乎其微的稀土元素，可以大大提高金屬的抗疲勞屬性，延長使用壽命；另一方面，減少金屬材料中的雜質(zhì)也能增強(qiáng)“金屬免疫力”，延長金屬使用壽命。雜質(zhì)對疲勞性能和應(yīng)力腐蝕性能影響很大，例如，對于超高強(qiáng)度鋼的金屬性能，國際上是通過控制硫和磷的雜質(zhì)含量來保證的。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，對于每一種雜質(zhì)的最高含量，以及所有雜質(zhì)含量之和都有明確的要求。在金屬構(gòu)件上盡量避免生銹，用輔助工藝提高表面光潔度，以及對產(chǎn)生震動(dòng)的機(jī)械采取防震措施，都能有效防止金屬疲勞。在必要的時(shí)候，對金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，是預(yù)防金屬疲勞的常用方法。

關(guān)于提高金屬性能，清華大學(xué)材料學(xué)院的李文珍教授打了一個(gè)比方：就像鋼筋混凝土，把混凝土中間加了鋼筋，用這種復(fù)合材料蓋樓就比用混凝土蓋得更結(jié)實(shí)。在北京的CBD可以用這種材料蓋600米高的樓，安全性不會有問題。如果往金屬里面加?xùn)|西呢？

在清華大學(xué)的材料中心實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，在能放大150萬倍的場發(fā)射透射電子顯微鏡下，金屬是由一個(gè)個(gè)晶體組成的，晶體越細(xì)，金屬的性能越強(qiáng)。但是晶體的細(xì)是有限度的，到了一定程度，怎么才能進(jìn)一步提高強(qiáng)度？從一開始，新材料的研發(fā)、創(chuàng)造都來自想象：如果把金屬看作水泥，把碳纖維管看作鋼筋，把它加進(jìn)去試試會怎樣？新材料制備完成，測試顯示，金屬的強(qiáng)度提高了，重量也變輕了。更強(qiáng)、更輕是材料研究人員的共同目標(biāo)，同樣的，航空材料也有志于此。

現(xiàn)在，清華-富士康納米科技研究中心的碳納米管技術(shù)世界領(lǐng)先。這種改進(jìn)傳統(tǒng)材料的方法可以衍生出諸多應(yīng)用：將納米材料加入鋁合金中，既可以提高鋁合金的性能，又減輕了重量，在飛機(jī)、高速列車上有很大的使用空間；把碳納米管加入鎂合金中，新的復(fù)合材料密度大約只有鋼的1/4，鋁的2/3，是重量最輕的合金。這種合金已經(jīng)應(yīng)用于家用吸塵器、除草機(jī)等，既輕便，又結(jié)實(shí)。日本尼康公司曾經(jīng)找到李文珍教授，提出了將鎂合金的質(zhì)量再降30%的需求。實(shí)驗(yàn)室做到了，還制造出了一臺尼康單反相機(jī)的外殼樣本，既有鎂合金的硬度，同時(shí)輕如塑料，拿在手里感覺非常奇妙。這種鎂合金基納米復(fù)合材料是目前重量最輕的金屬。將來，如果這種材料應(yīng)用于尼康相機(jī)的外殼和鏡頭，女?dāng)z影師人數(shù)將進(jìn)一步增加，因?yàn)閱畏聪鄼C(jī)的重量不再是問題。如果應(yīng)用于顯示屏領(lǐng)域，80英寸的電視重量可以減到7公斤，可以隨意掛在家中的墻上。

材料的想象空間

歷史上，飛機(jī)也曾經(jīng)大量使用鎂合金。1934年，德國曾經(jīng)把鎂合金造的零件安裝到一架福克Fw-200飛機(jī)上，鎂合金是最輕的金屬，他們用它做了發(fā)動(dòng)機(jī)罩、機(jī)翼蒙皮和座位框架。這種輕質(zhì)金屬強(qiáng)度高、抗震能力強(qiáng)、可以承受較大載荷的沖擊，很快在飛機(jī)制造業(yè)中大受歡迎，飛機(jī)框架、座椅、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、齒輪箱上都出現(xiàn)了金屬鎂合金，但后來又因?yàn)樽枞夹阅艿膯栴}淡出航空領(lǐng)域。現(xiàn)在，新的研究方法已經(jīng)可以開發(fā)出更輕、阻燃能力更強(qiáng)的鎂合金。航空制造領(lǐng)域目前處在積累用戶需求的階段。人們每天的衣、食、住、行都與身邊的材料息息相關(guān)。在材料科學(xué)的前沿，有電動(dòng)汽車的新能源材料，有涉及量子的記憶儲能材料，有用于心臟起搏器充電的柔性材料，有用5G網(wǎng)絡(luò)傳輸8K高清信號的傳輸材料；同時(shí)，還有薄如蟬翼的碳納米管揚(yáng)聲器，它不再是傳統(tǒng)的喇叭，而是可以縫在衣服上、帽子上，或掛在旗子上的柔軟的音響裝備。

材料是人類文明的基石，航空材料是航空制造領(lǐng)域的基石。空客中國工程技術(shù)有限公司的研發(fā)部正在與清華材料學(xué)院等國內(nèi)多所高校、多個(gè)研究所開展合作，在材料的基礎(chǔ)性能等方面開展研發(fā)工作。

金屬的疲勞性能只是材料的基礎(chǔ)性能之一，在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面上，在人類可利用材料的研發(fā)上，還有太多可供我們想象的空間。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛