一代材料技術(shù)，一代大型飛機(jī)，100多年來(lái)，材料工業(yè)與航空航天工業(yè)一直在相互推動(dòng)下發(fā)展。繼鋁、鋼、鈦等材料后，在新一代民用大型客機(jī)中，復(fù)合材料成為四大航空材料之一，并有望坐上飛機(jī)材料使用量的“頭把交椅”。
現(xiàn)在，越來(lái)越多飛機(jī)零部件開(kāi)始采用復(fù)合材料，從座椅、肋板、內(nèi)部裝飾、舷窗、引擎罩蓋，到機(jī)翼、機(jī)身和導(dǎo)流罩等。復(fù)合材料當(dāng)之無(wú)愧成為現(xiàn)代飛機(jī)制造的重要材料。在眾多復(fù)合材料中，飛機(jī)上使用的以纖維增強(qiáng)樹(shù)脂為主，其中又以碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂最有突出。
巨無(wú)霸與夢(mèng)幻飛機(jī)之材料較量
全球兩大航空巨頭歐洲空客（Airbus）和美國(guó)波音（Boeing）都在其飛機(jī)中開(kāi)始大量采用復(fù)合材料。號(hào)稱目前全球“最先進(jìn)、最寬敞和最環(huán)�！钡目湛凸镜目罩芯逕o(wú)霸A380客機(jī)除體積龐大外，還創(chuàng)造了其他許多新的紀(jì)錄，尤其是大量輕型復(fù)合材料的應(yīng)用。
A380約25%由復(fù)合材料制造，其中22%由各種不同的增強(qiáng)型塑料復(fù)合材料制成，大部分是Hexcel公司和Cytec公司提供的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂(CFRP)。其中，減速板、垂直和水平穩(wěn)定器（用作油箱）、方向舵、升降舵、副翼、襟翼擾流板、起落架艙門、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上層客艙地板梁、后密封隔框、后壓力艙、后機(jī)身、水平尾翼和副翼均采用CFRP制造。
特別值得一提的是，A380首次在連接機(jī)翼與機(jī)身的非常重要的主體結(jié)構(gòu)—中央翼盒采用了復(fù)合材料。該翼盒采用CFRP，A380中央翼盒重8.8噸，其中5.3噸是復(fù)合材料。由于采用了CFRP使翼盒比采用目前最先進(jìn)的鋁合金材料減輕了1.5噸。最新一代碳纖維復(fù)合材料除比傳統(tǒng)材料重量更輕外，還在使用可靠性、可維護(hù)性和易修理性上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如CFRP在使用中不會(huì)因疲勞或腐蝕受損。此外，A380還首次在后壓力艙后部的后機(jī)身采用了復(fù)合材料。
另外3%的復(fù)合材料為首次用于民用飛機(jī)的GLARE纖維金屬板，主要用于機(jī)身上部外殼和尾翼的主邊緣。GLARE是一種鋁材和玻璃纖維交替粘合的層制材料，除密度比鋁小10%(重量上輕800千克)外，還被證實(shí)在抗疲勞和防火、抗損傷方面性能更出眾。
從1985年制造A310飛機(jī)開(kāi)始，空客公司對(duì)在飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料已有20多年的經(jīng)驗(yàn)。與空客一樣，波音對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用也在逐步增長(zhǎng)，到20世紀(jì)90年代，B777上的復(fù)合材料重量已占到20%，其中水平尾翼就是一個(gè)大型的復(fù)合材料構(gòu)件。
波音最大膽的嘗試是號(hào)稱“夢(mèng)幻飛機(jī)”的B787，復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的50%，機(jī)身、機(jī)翼等主承力構(gòu)件都采用復(fù)合材料。曾有報(bào)道這樣形容B787：“787的結(jié)構(gòu)就是一個(gè)龐大的巨分子，所有部件都是通過(guò)碳纖增強(qiáng)的交聯(lián)化學(xué)鍵連接在一起�！逼鋸�(fù)合材料由世界最大的碳纖生產(chǎn)商Toray Industries公司提供。復(fù)合材料機(jī)身的優(yōu)異強(qiáng)度使客艙內(nèi)出現(xiàn)更高的耐壓力，使客艙內(nèi)溫度、濕度和通風(fēng)更易控制，增加乘坐舒適度。
由于看到復(fù)合材料的優(yōu)越性能，空中客車也表示，將把繼A380之后的下一代商用飛機(jī)A350XWB的復(fù)合材料用量由最初的37%提高到52%。復(fù)合材料為何如此受飛機(jī)設(shè)計(jì)師們的青睞呢？
減重、性能、成本是飛機(jī)選材的三大考慮因素，而復(fù)合材料正是這三方面綜合權(quán)衡下的理想材料。密度低、強(qiáng)度高，比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）大是復(fù)合材料的先天優(yōu)點(diǎn)，因此減重的優(yōu)勢(shì)不言而喻。
性能方面，首要考慮的是保證飛機(jī)的安全性，復(fù)合材料比強(qiáng)度高、比剛度大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)及良好的抗疲勞損傷性能和耐腐蝕性能，這些都有利於提升飛機(jī)的安全性。先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展應(yīng)用的30多年來(lái)，其在各種民機(jī)上的應(yīng)用日益增多，但從未因此引發(fā)飛行事故，無(wú)疑增加了應(yīng)用復(fù)合材料的信心和安全置信度。
成本方面，復(fù)合材料本身的價(jià)格并不低，不過(guò)由于更容易制成整體結(jié)構(gòu)件，減少零部件和連接件的使用，進(jìn)一步減少燃油費(fèi)用，同時(shí)還可降低使用維護(hù)要求和成本等，波音公司稱，由于復(fù)合材料的應(yīng)用，B787較B767降低成本30%。
超輕的太陽(yáng)能飛機(jī)
6月26日，瑞士冒險(xiǎn)家貝特朗·皮卡爾在瑞士蘇黎世機(jī)場(chǎng)向外界展示了全球首架可晝夜飛行的太陽(yáng)能飛機(jī)“陽(yáng)光動(dòng)力”（Solar Impulse），它的任務(wù)是測(cè)試用太陽(yáng)能進(jìn)行36小時(shí)晝夜飛行的可行性。由于這是人類第一次要完全利用太陽(yáng)能進(jìn)行夜間飛行，其飛行存在諸多風(fēng)險(xiǎn)，為此，試飛也將逐步展開(kāi)。今年秋天進(jìn)行首次試飛，明年完成首次夜間飛行，并跨越整個(gè)瑞士，後年環(huán)游世界，屆時(shí)將經(jīng)停多個(gè)國(guó)家，包括中國(guó)。
該飛機(jī)外觀看上去像滑翔機(jī)，或者說(shuō)像一只巨大的蜻蜓，因?yàn)槠湟碚归L(zhǎng)63.4米，機(jī)艙卻十分狹小。由于主要采用超輕碳纖維復(fù)合材料打造，整個(gè)飛機(jī)重量只有2噸，機(jī)翼表面裝有超過(guò)1.2萬(wàn)塊太陽(yáng)能電池板，為飛機(jī)的四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提供可再生能源。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率為10馬力，夜間飛行依靠白天收集的多余能量。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這架太陽(yáng)能飛機(jī)的機(jī)翼有A340那么大，但由于大量采用超輕復(fù)合材料，其重量只相當(dāng)于一輛普通汽車，動(dòng)力也僅類似于一部摩托車。
這架花費(fèi)6年時(shí)間設(shè)計(jì)制造、造價(jià)高達(dá)7000萬(wàn)歐元的飛機(jī)獲得了多家公司的贊助，其中蘇威（Solvay）是該項(xiàng)目的首家主要贊助商和技術(shù)支持者，協(xié)助開(kāi)發(fā)替代性及可再生能源和材料。除超輕碳纖維復(fù)合材料外，蘇威旗下蘇威先進(jìn)聚合物公司推出的Spire®超高性能聚合物也為“陽(yáng)光動(dòng)力”飛機(jī)的成功做出了貢獻(xiàn)。
Spire®超高性能聚合物應(yīng)用到航空航天的多個(gè)領(lǐng)域，如五金器具、緊固件、機(jī)械零件等。該系列產(chǎn)品主要包括Torlon®聚酰胺酰亞胺(PAI)，KetaSpire®聚醚醚酮(PEEK)，AvaSpire®改性聚醚醚酮和PrimoSpire®自增強(qiáng)聚合物(SRP)，這些產(chǎn)品具有優(yōu)異的耐磨性、高強(qiáng)度、良好的耐熱性和尺寸穩(wěn)定性，以及廣泛的耐化學(xué)品性和固有的阻燃性、減重、設(shè)計(jì)靈活，可替換那些長(zhǎng)期依賴於金屬的零件，其生產(chǎn)可采用標(biāo)準(zhǔn)的熱塑性塑料熔融加工工藝。
包括Spire®超高性能聚合物在內(nèi)的蘇威許多先進(jìn)材料都應(yīng)用到這個(gè)太陽(yáng)能飛機(jī)上。如，摩擦控制隔圈和定子使用了Torlon® PAI材料，使節(jié)氣門系統(tǒng)重量減輕了35%，它還為襟翼和著陸系統(tǒng)的滾輪襯套提供了高強(qiáng)度和剛性、范圍廣泛的耐高低溫性能（高空可低至-50℃，而在地面可高至90℃）；摩擦控制軸采用碳纖維增強(qiáng)型KetaSpire® PEEK；螺絲、螺帽、墊圈、印制線路板墊片采用PrimoSpire® SRP。相比鋁和鈦，PrimoSpire® SRP制造的耐腐蝕緊固件可減輕50%-70%的重量，材料的比強(qiáng)度好于鋁或不銹鋼，接近于鈦。
Torlon® PAI是一種高強(qiáng)度塑料，在275℃條件下強(qiáng)度和剛度在熱塑性塑料中居最高，耐磨損性、耐蠕變性、耐化學(xué)性極為突出，非常適合苛刻環(huán)境中的應(yīng)用，在飛機(jī)上的應(yīng)用主要為五金和緊固件、機(jī)械元件。
KetaSpire® PEEK和AvaSpire®改性PEEK是兩種具有極佳耐化學(xué)性、出色機(jī)械性能和加工性能的超高性能聚合物，其中前者是所有半結(jié)晶塑料中耐化學(xué)性最強(qiáng)的材料，而且在300℃高溫下其機(jī)械性能保持完好無(wú)損，在飛機(jī)上的典型應(yīng)用包括五金和緊固件、機(jī)械元件、管道和風(fēng)機(jī)葉輪等。
PrimoSpire® SRP是一種透明無(wú)定形塑料，無(wú)須增強(qiáng)就具備卓越的強(qiáng)度和剛性，還具有塑料材料中最高的壓縮強(qiáng)度，是結(jié)構(gòu)性應(yīng)用的理想選擇，此外還具有優(yōu)異的耐化學(xué)性和阻燃性，比任何未填充的塑料有更顯著的強(qiáng)度和剛性，在飛機(jī)上主要用于內(nèi)飾件、機(jī)械元件，如帶螺紋的緊固件、支撐托架和儀器儀表箱和防熱套等。
聚合物在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用潛力無(wú)限
除航空領(lǐng)域的應(yīng)用外，高性能聚合物及復(fù)合材料在火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航天飛機(jī)及載人飛船等航天領(lǐng)域也有十分廣泛的使用。
以高性能碳纖維復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料在導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭和衛(wèi)星飛行器上也發(fā)揮著不可替代的作用。碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于導(dǎo)彈彈頭、彈體箭體和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)部件和衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)承力件上，碳/碳和碳/酚醛是彈頭端頭和發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯及耐燒蝕部件等的重要防熱材料，已得到成熟應(yīng)用�，F(xiàn)今的人造衛(wèi)星上的展開(kāi)式太陽(yáng)能電池板多采用碳纖維復(fù)合材料制作，太空站和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)上的一些關(guān)鍵部件也往往采用碳纖維復(fù)合材料作為主要材料。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高性能聚合物及復(fù)合材料的優(yōu)越性將不斷被發(fā)掘，得到更多的應(yīng)用，而隨著產(chǎn)量的不斷增大，生產(chǎn)成本有望穩(wěn)步下降。不過(guò)，值得注意的是，在聚合物及復(fù)合材料不斷開(kāi)發(fā)進(jìn)步的同時(shí)，其他先進(jìn)材料（如鋁、鋁-鈦合金等）也在開(kāi)發(fā)新的技術(shù)，因此，未來(lái)誰(shuí)將稱霸航空航天材料巿場(chǎng)，還有待繼續(xù)在減重、成本和性能三方面綜合優(yōu)勢(shì)的進(jìn)一步提升。