飛機是人們生活中經常使用到的交通工具，它的結構復雜，所用到的材料也是范圍廣泛。談到飛機機身用材料大體可分為兩類：合金材料和高分子復合材料。

    飛機上的合金材料主要有鋁合金、鎂合金、鈦合金和鎳鉬鎢合金等，其中鋁合金材料占飛機用料50%--70%左右，鎂合金材料占飛機用料5%--10%左右，現代化的飛機，鈦合金的用量比重越來越大，而鎳鎢鉬合金則用于飛機發動機。

    1、鋁合金

    鋁是一種輕金屬，比重2.7左右。由于地球的吸引力的作用，要求飛機質量越輕越好。飛機越輕，飛的越高、越快、越遠，裝載量越大。但是鋁的強度低，好在飛機不是拖拉機，它在空中飛行，不會碰到別的物體，所以，飛機的蒙皮大部分是用鋁合金壓制的，還有前機匣，飛機框架，肋條等。

    純鋁的密度小（ρ=2.7g/cm3），大約是鐵的 1/3，熔點低（660℃），鋁是面心立方結構，故具有很高的塑性（δ：32~40%，ψ：70~90%），易于加工，可制成各種型材、板材，抗腐蝕性能好；但是純鋁的強度很低，退火狀態 σb 值約為8kgf/mm2，故不宜作結構材料。通過長期的生產實踐和科學實驗，人們逐漸以加入合金元素及運用熱處理等方法來強化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。 添加一定元素形成的合金在保持純鋁質輕等優點的同時還能具有較高的強度，σb 值分別可達 24～60kgf/mm2。這樣使得其“比強度”（強度與比重的比值 σb/ρ）勝過很多合金鋼成為理想的結構材料，廣泛用于機械制造、運輸機械、動力機械及航空工業等方面，飛機的機身、蒙皮、壓氣機等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結構重量可減輕50%以上。

    鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業上廣泛使用，使用量僅次于鋼。一些鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機械性能，物理性能和抗腐蝕性能。2008年北京奧運會火炬“祥云”就是鋁合金制作的。

    2、鎂合金

    鎂比鋁更輕，比重2.1--2.3左右，熔點300度左右。強度更低。用來制造不承重的部件、殼體。例如各種活門殼體，油泵殼體等。

    鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金。其特點是：密度小（1.8g/cm3鎂合金左右），比強度高，比彈性模量大，散熱好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機物和堿的腐蝕性能好。主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。目前使用最廣的是鎂鋁合金，其次是鎂錳合金和鎂鋅鋯合金。主要用于航空、航天、運輸、化工、火箭等工業部門。在實用金屬中是最輕的金屬，鎂的比重大約是鋁的2/3，是鐵的1/4。它是實用金屬中的最輕的金屬，高強度、高剛性。

    鎂合金是航空器、航天器和火箭導彈制造工業中使用的最輕金屬結構材料。鎂的重量比鋁輕，比重為1.8，強度也較低，只有200～300兆帕（20～30公斤/毫米2），主要用于制造低承力的零件。

    鎂合金在潮濕空氣中容易氧化和腐蝕，因此零件使用前，表面需要經過化學處理或涂漆。鎂合金具有較高的抗振能力，在受沖擊載荷時能吸收較大的能量，還有良好的吸熱性能，因而是制造飛機輪轂的理想材料。鎂合金在汽油、煤油和潤滑油中很穩定，適于制造發動機齒輪機匣、油泵和油管，又因在旋轉和往復運動中產生的慣性力較小而被用來制造搖臂、襟翼、艙門和舵面等活動零件。

    3、鈦合金

    鈦也是一種輕金屬，比重4.5左右，比鋁重，但是強度很高，很耐高溫，熔點1660多度，鈦是造飛機的理想材料，飛機發動機，防彈部位，強化部位，加固部位，燃燒室，渦輪軸，渦輪盤，噴口等，大多數是用鈦合金材料制造的。

    鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發，并得到了實際應用。20世紀50～60年代，主要是發展航空發動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金，70年代開發出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發展鈦合金主要用于制作飛機發動機、壓氣機部件，其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件。

    鈦合金是航空航天工業中使用的一種新的重要結構材料，比重、強度和使用溫度介于鋁和鋼之間，但比鋁、鋼強度高并具有優異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。1950年美國首次在F-84戰斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。航天器主要利用鈦合金的高比強度，耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛星、登月艙、載人飛船和航天飛機也都使用鈦合金板材焊接件。

    4、鎳鉬鎢合金

    是造發動機的理想材料。飛機發動機的溫度高達2000多度，一般的材料是不行的，只有鎳鎢鉬合金才能勝任。

    5、高強鋼

    高強鋼通常使用在要求有高剛度、高比強度、高疲勞壽命，以及具有良好中溫強度、耐腐蝕性和一系列其它參數的結構件中。無論是在半成品生產中，還是在復雜結構件的構造中，尤其是在以焊接作為最終工序的焊接結構件生產中，鋼材都是不可替代的材料。

    長期以來，飛機制造業使用最多的鋼材，是強度水平為1600-1850MPa、斷裂韌性約為77.5-91MPa每平方米的中合金化高強鋼。目前，在保持同樣斷裂韌性指標的條件下，已將鋼材的最低強度水平提高到了1950Mpa。還開發出了新型經濟合金化的高抗裂性、高強度焊接結構鋼，開發強度性能水平為2100-2200Mpa的高可靠性結構鋼；高強度耐蝕鋼強度水平與中合金結構鋼相近，可靠性參數大大超過中合金結構鋼。

    隨著高分子材料被應用在制作飛機的材料上，使得飛機的性能越來越好。在航空工業中，腐蝕與防腐是個重要的問題，可是一般的金屬防腐蝕的效果很差，由于高分子材料耐酸，堿，鹽介質的腐蝕性優于金屬和其他的合金材料，故被應用在飛機的制作上。另外，高分子材料具有密度小，強度大的優點，這對減輕飛機本身的質量和減少能源的消耗都有重要的意義。

    6、復合材料

    （1）聚合物復合材料

    代表航空航天技術開發水平的一個重要標志是看聚合物復合材料使用數量的多少。聚合物復合材料在比強度和比剛度方面具有非常明顯的優越性，兼備良好的結構性能和特殊性能，在航空領域獲得了廣泛的應用。空中客車A3XX飛機使用聚合物復合材料的比例將達到25%。

    作為結構材料，新型復合材料-有機塑料將發揮越來越大的作用。最近幾年，正在研制第二代有機塑料。單一用途的有機塑料的σb值達到3000-3200Mpa，E值提高到130Gpa。試驗研究表明，有可能獲得彈性模量為200-250Gpa的有機塑料。需要指出的是，這實際上就是將工作溫度范圍擴大1倍，還可顯著降低復合材料的吸水率。在比強度和比彈性模量方面，現代的有機塑料，特別是未來的有機塑料將超過所有已知的以聚合物、金屬和陶瓷為基體的復合材料。

    （2）陶瓷基復合材料

    說到陶瓷，人們很自然想到它的特點就是脆性。十幾年前，如果把它用于工程領域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到現在說到陶瓷復合材料，也可能還會有些人不清楚，認為陶瓷和金屬原本就是兩種不相關的基本材料，但是自從人們巧妙地將陶瓷和金屬結合后，才使人們對這種材料的概念發生了根本的變化，這就是陶瓷基復合材料。

    陶瓷基復合材料在航空工業領域是一種非常有發展前途的新型結構材料，特別是在航空發動機制造應用中，越來越顯示出它的獨到之處。陶瓷基復合材料除了具有重量輕，硬度高的優點以外，還具有優異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。目前陶瓷基復合材料在承受高溫方面已經超過了金屬耐熱材料，并具有很好的力學性能和化學穩定性，是高性能渦輪發動機高溫區理想的極好材料。

    目前世界各國針對下一代先進發動機對材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增強陶瓷材料，并取得了較大進展，有的已開始應用在現代航空發動機中。例如美國驗證機的F120型發動機，它的高壓渦輪密封裝置，燃燒室的部分高溫零件，均采用了陶瓷材料。法國的M88-2型發動機的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復合材料。據專家估計，到2000年陶瓷材料將占高性能渦輪發動機重量的30％。

    （3）金屬間化合物

    高性能、高推重比航空發動機的研制，促進了金屬間化合物的開發與應用。如今金屬間化合物已經發展成為多種多樣的族，它們一般都是由二元三元或多元素金屬元素組成的化合物。金屬間化合物在高溫結構應用方面具有巨大的潛力，它具有高的使用溫度以及比強度、導熱率，尤其是在高溫狀態下，還具有很好的抗氧化，搞腐蝕性和高的蠕變強度。另外由于金屬間化合物是處于高溫合金與陶瓷材料之間的一種新材料，它填補了這兩種材料之間的空檔，因而成為航空發動機高溫部件的理想材料之一。

    目前在航空發動機結構中，致力于研究開發的主要是以鈦鋁（TiAl、）和鎳鋁（NIAI）等為重點的金屬間化合物。這些鈦鋁化合物與鈦的密度基本相同，但卻有更高的使用溫度。例如和 TiAl的使用溫度分別為816℃和982℃。

    金屬間化合物原子間的結合力強，晶體結構復雜，造成了它的變形困難，在室溫下顯現出硬而脆的特點。目前經過多年的試驗研究，一種具有高溫強度和室溫塑性與韌性的新型合金已經研制成功，并已裝機使用，效果很好。例如美國的高性能F119型發動機的外涵機匣、渦輪盤都是采用的金屬間化合物，驗證機F120型發動機的壓氣機葉片和盤均采用了新的鈦鋁金屬間化合物。

    （4）碳/碳復合材料

    C/C基復合材料是近年來最受重視的一種更耐高溫的新材料。到目前為止，只有C/C復合材料是被認為唯一可做為推重比20以上，發動機進口溫度可達1930-2227℃渦輪轉子葉片的后繼材料，是美國21世紀重點發展的耐高溫材料，世界先進工業國家竭力追求的最高目標。

    C/C基復合材料，即碳纖維增強碳基本復合材料，它把碳的難熔性與碳纖維的高強度及高剛性結合于一體，使其呈現出非脆性破壞。由于它具有重量輕、高強度，優越的熱穩定性和極好的熱傳導性，是當今最理想的耐高溫材料，特別是在1000-1300℃的高溫環境下，它的強度不僅沒有下降，反而有所提高。在1650℃以下時依然還保持著室溫環境下的強度和風度。因此C/C基復合材料在宇航制造業中具有很大的發展前途。

    C/C基復合材料在航空發動機上應用的主要問題是抗氧化性能較差，近幾年美國通過采取一系列的工藝措施，使這一問題不斷得到解決，逐步應用在新型發動機上。例如美國的F119發動機上的加力燃燒室的尾噴管，F100發動機的噴嘴及燃燒室噴管，F120驗證機燃燒室的部分零件已采用C/C基復合材料制造。法國的M88-2發動機，幻影2000型發動機的加力燃燒室噴油桿、隔熱屏、噴管等也都采用了C/C基復合材料。

責任編輯：王元

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