从木材到复合材料点评百年飞机结构材料变迁之旅

猜猜. 8年前 (2016-05-12) 8351浏览

欧洲足球赛事注：在航空制造发展的百余年历史中，飞机材料的更新换代呈现出高速更迭与变换的状态。纵观人类航空发展史，材料和飞机一直是在相互推动下不断得以发展和改进的。大自然为航空结构提供了合适的原材料——木头。但是我们无节制地开采，如今已经很难找到满足我们所需的尺寸和质量了。挤压和层压式铝合金由于很容易满足性能需求，成为一种很具吸引力的替代资源。钛合金和不锈钢既坚固又耐热，适用于航空结构，但是不易加工，同时因为比重大，通常只用于航空结构的特殊部位。随着材料科学的进步，自上世纪70年代起，新一代航空材料——复合材料——应运而生。它相当于一种掺进加强纤维的“塑料”，从结构上看，可被看作是 “人造木”，它可能比天然产物更好，但是需要昂贵的模具，可能还会危害我们的健康。

设计要求

飞机结构基本上是单向的，也就是说它的长度比宽度或者高度大的多。例如，机翼和尾部梁的跨度比其宽度和深度大；整个翼的跨度比和弦或厚度大；机身比其宽度或高度大。甚至一个螺旋桨叶片的直径比宽度和厚度大得多...因此，设计者在设计有效的强度重量结构时选择使用强度高柔性较好的细长纤维这样的单向材料。

飞机结构也非常接近对称结构。意味着向上和向下的载荷几乎相等。尾部载荷向下还是向上取决于飞行员是通过拉行距控制还是推行距控制来控制飞机的机头；方向舵可以偏转到右侧或者左侧（负载在机身侧面）。作用于机翼的风可以起推动作用或阻力作用，使飞机受到向上或向下的力，乘客会感觉到被压在座位上或者被挂在安全带上。

由于这些因素，设计者必须使用能够同时承受拉力和压力的结构材料。单向纤维具有优异的张力，但横截面小，惯性小，且不能承受太多的压缩，负载过大就会变形。就像我们不能压缩一根绳子、电线或链条一样。

为了使细纤维在压缩时仍比较牢固，可以通过某种方式使其 “粘在一起”，利用其抗拉强度弥补抗压强度的不足，因为它们作为一个整体可以更好地抵抗压力。这种粘合剂通常是一种轻质柔软的树脂，可使纤维凝聚在一起从而承受压缩载荷。它们的组合就可以成为很好的结构材料。

木材

从历史上看，木材是第一种用于单向结构的原料。大自然用她的智慧使某些树木在特定条件下生长为单向材料、高大挺拔、坚固且质轻。树干的横截面显示出年轮（每年一环，使我们可以了解树的年龄）。暗带（晚期木材）含有许多纤维，而明带（早期木材）含有更多的树脂。因此，暗带越宽，木材越强劲且质重。如果暗带非常窄，明带非常宽，木材就质轻且不是很强劲。要想达到更好的比强度，木材的暗带、明带需要达到一个平衡。这就要求木材以一个特定的生长状态生长。

我们的一些飞机结构是二维的（长度和宽度都大于厚度）。胶合板通常用于这样的结构。若干薄板（金属箔）粘合在一起，使得各个层的纤维以不同的角度交叉在一起（现在通常为90°交叉以前通常是30°和45°交叉）。如果设计师知道如何有效地使用胶合板的话它将是非常理想的 “抗剪腹板”。

上世纪初，世界上第一架载人飞机上天。发明者莱特兄弟使用的材料以木材为主，占比达47%，其次是钢（占35%）和布（占18%）。当然，这架飞机的飞行距离只有16公里。早期飞机用木条、木三夹板做大梁和骨架，用亚麻布做机翼的翼面，这就是所谓的飞机木布结构。而在木杆与层板之间，通常用螺栓相拼接。机翼则蒙上涂抹过清漆的亚麻布，其间以缝纫方式与翼肋构架相连接，而清漆可以保证翼面的坚挺度、应有的几何形状和强度。这样的材料结构一直沿用到第一次世界大战结束，只是飞机的气动外形和内部结构更趋合理和完善。

但是适合航空的好木材十分难得。我们没有好的木板作为板梁，只能使用许多叠片材料，这导致我们也不再相信木材的质量。但从可用性角度，我们需要大自然能够提供给我们的替代品。

铝合金

既然木材已经不像从前那样容易获得，我们来看看另一种牢固、质轻、易得且价格合理的材料——铝合金。

由于铝材是挤压成型，我们得到的铝合金为单向材料，其纵向强度比横向强度要大，抗拉强度和抗压强度都很好。这种挤压铝材与木材相比，其抗压强度和抗拉强度几乎相等，线性应力分析也适用。而木材的抗拉强度是抗压强度的两倍；因此必须使用特殊的应力分析方法。无论是否使用加强剂，薄板铝合金（0.016至0.125英寸）作为腹板都是极好的二维材料——在进行适当的加工或弯曲时可作为抗拉/抗压构件。

1906年，德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，又称杜拉铝，使后来制造全金属结构的飞机成为可能。上世纪20年代，有极个别飞机开始试用强度更高的硬铝合金，硬铝合金替代了原先制作飞机骨架和翼肋的木条，也少量替代了承力较大的布质机翼蒙皮。但当时飞机上的非承力部件，依然采用低成本的木布结构。

1925年以后，许多国家逐渐用钢管代替木材做机身骨架，用铝板做蒙皮，制造出全金属结构飞机。全金属结构飞机加大了结构强度，改善了气动外形，提高了飞机性能。到上世纪40年代，全金属结构飞机的时速已经超过600公里。作为当时的航空先进国，德国和美国在上世纪30年代后期都尝试使用一种被压成细波纹状的薄铝板做飞机表面的蒙皮。这样的形状可以额外加大其纵向强度。世界上第一架“为客机而设计的客机”容克F13和其他一系列容克、福克、福特品牌的客机或运输机都成功采用过这种外部材料。需要特别指出的是，直到目前，硬铝仍然是全球飞机的主要用材。下图为全球首架全金属客机（复原版）。

值得注意的时，自然界中并不存在铝，铝是一种人造金属。通过电解铝土矿（氧化铝）以获得金属铝，然后将其与各种提高强度的添加剂制备在一起。在购买铝合金时你会得到一份“工厂试验报告”，保证其化学和物理性能符合技术要求。

钢材

可考虑用于航空结构中的另一种材料就是钢，它具有和木材或铝材相同的重量——强度比。一般来说，铝材的重量和强度是木材的三倍，而钢材的重量和强度又是铝材的三倍。除了低碳钢用于强度较低的支架，飞机主要使用AISI413ON或4140铬钼合金。

由于钢的密度高，它不能像铝板或胶合板一样用作抗剪腹板。0.010英寸的钢板就可以达到0.100英寸的胶合板或者0.032英寸的铝板的抗剪能力，但是它太薄了而不能很好的满足使用条件。这就是为什么钢机身采用管子作为对角线来承受压缩剪切力或拉伸剪切力，整个结构覆盖织物（重量轻）以得到其所需的空气动力学形状或期望的外观。这种方法涉及两种技术：钢的加工和织物覆盖。

进入上世纪50年代以后，人类跨入了超音速时代。飞机在飞行过程中与空气摩擦生热，飞机蒙皮的温度随着飞行速度的上升而快速上升。要想达到超音速飞行，铝合金是不行了。于是出现了航空专用的既坚固又耐热的钛合金和不锈钢。其中，钛合金的研制成功和应用对解决机翼蒙皮的热障问题起了重大作用。但需要指出的是，它们极难加工，同时因为比重大，通常只用在特殊部位、内部骨架和起落架支柱等部位。作为特例，这些特殊钢材也曾大范围使用在极个别的特种飞机上。比如，上世纪60年代出现了能在3万米高空进行3倍音速飞行的全钛结构间谍飞机SR-71，如下图所示。

但是这种“黑色幽灵”除了是个吞金猛兽之外，性能也差强人意。极低的可用过载和机体结构强度使得黑鸟无法做强度稍大一点的机动，甚至急速爬升都难以做到。

复合材料

随着材料科学的进步，自上世纪70年代起，新一代航空材料——复合材料——应运而生。它相当于一种掺进加强纤维的“塑料”，比如将玻璃丝纤维掺和在环氧树脂内。复合材料具有比强度高、刚度高、质量轻的特点，并具有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等一系列优点。它可以使飞机在维持原强度的前提下减轻重量，或在同样的重量下，强度更高。复合材料所创造的经济效益和军事效益可想而知。最极端的一例是，在上世纪80年代出现了世界上第一架“全塑料”飞机AVTEK400。

复合材料的设计者需要在特定的位置使用定量的纤维。纤维被包裹在树脂中并保持在适当的位置来抵抗弯曲。与胶合板或金属片只能承受单一方向的弯曲不同，设计者将纤维编织成布，如此纤维被铺设在两个方向上，由此可以承受不同方向的弯曲。编织线和纬纱也嵌入在树脂中。这样既可以在所需的两个曲率方向自由变形，也符合最佳的空气动力学形状且具有非常吸引人的外观（美学的重要性）。

今天的纤维（玻璃，尼龙，芳纶，碳，晶须或各种化学成分的单晶纤维）都非常坚固，结构很轻，但缺点是刚度小。该结构需要使用常用的加强筋或美观的夹层结构来进一步固化。

从工程的角度来看，这种方法为战争情况下的发展提供了可能，非常有吸引力，因而被许多机构所支持。但是这种方法在住宅建设方面也有其缺点：它需要一个模具，并且需要非常严格地控制纤维和树脂的量，也需要严格控制附着力来避免结构件过干或过湿。另外，树脂的固化对温度，湿度和压力都相当敏感。最后，树脂是活性化学物质，不但会产生常见的过敏反应，而且会产生对我们身体（尤其是眼睛和肺）有害的化学物质。

树脂的另一个缺点是它的保存期限有限。如果树脂没有在制造后的规定时间内使用的话，其效果会不佳并且不安全。

最后，除了模具需要很好的设计，制造和维护外，结构的外表面也需要一定的光洁度，这一点常常被忽略。砂纸过度地打磨表面也会导致结构不牢固。但是今天也只有非常熟练的专家才能拿出一个可靠和完美的结构，甚至他们也要拿自己的健康去冒险。

复合材料革命的代表机型是波音787。从材料学的角度看，波音787飞机是制造业历史上一次革命性的跨越。波音787飞机在机身和主要结构上大面积使用了复合材料，不仅减轻了飞机重量，还减轻了航空公司的维修负担。波音公司的数据显示，复合材料占到波音787飞机结构重量的50%（体积的80%），铝占20%，钛占15%，钢占10%，其他材料占5%。