揭秘飞机材料的发展历程及市场前景

飞机材料的范围较广，分为机体材料（包括结构材料和非结构材料）、发动机材料和涂料，其中最主要的是机体结构材料和发动机材料。非结构材料包括：透明材料，舱内设施和装饰材料，液压、空调等系统用的附件和管道材料，天线罩和电磁材料，轮胎材料等。非结构材料量少而品种多，有：玻璃、塑料、纺织品、橡胶、铝合金、镁合金、铜合金和不锈钢等。

20世纪初第一架载人上天的飞机是用木材、布和钢制造的。硬铝的出现给机体结构带来巨大的变化。1910～1925年开始用钢管代替木材作机身骨架，用铝作蒙皮，制造全金属结构的飞机。金属结构飞机提高了结构强度，改善了气动外形，使飞机性能得到了提高。40年代全金属结构飞机的时速已超过 600公里。50年代末喷气式飞机的速度已超过2倍音速，给飞机材料带来了热障问题。铝合金耐高温性能差，在200°C时强度已下降到常温值的1/2左右，需要选用耐热性更好的钛或钢。60年代出现3倍音速的SR-71全钛高空高速侦察机和不锈钢占机体结构重量 69%的XB-70轰炸机。苏联的米格25歼击机机翼蒙皮也采用了钛和钢。70年代以后越来越多地使用以硼纤维或碳纤维增强的复合材料。铝、钛、钢和复合材料已成为飞机的基本结构材料。

复合材料具有强度高、刚度大、质量轻、并具有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等一系列优点。目前应用在飞机上的复合材料多采用夹层结构的设计来满足强度、刚度的要求。所谓夹层结构，就是采用先进复合材料做面板，其夹芯为轻质材料。夹层结构的弯曲刚度性能主要取决于面板的性能和两层面板之间的高度，高度越大，其弯曲刚度就越大。夹层结构的芯材主要承受剪应力并支持面板不失去稳定性，通常这类结构的剪切力较小。选择轻质材料作为夹芯，可较大幅度地减轻构件的重量。对于面板很薄的夹层结构，还应考虑抗冲击载荷的能力。此外，在从成本方面评估夹层结构时，不仅要考虑制造成本，还必须考虑飞机使用期的全寿命成本。目前在航空航天结构中常用的夹层机构材料有巴沙轻木（BALTEK）、PET泡沫（AIREX）等。

机翼是飞机的主要部件，早期的低速飞机的机翼为木结构，用布作蒙皮。这种机翼的结构强度低，气动效率差，早已被金属机翼所取代。机翼内部的梁是机翼的主要受力件，一般采用超硬铝和钢或钛合金；翼梁与机身的接头部分采用高强度结构钢。机翼蒙皮因上下翼面的受力情况不同，分别采用抗压性能好的超硬铝及抗拉和疲劳性能好的硬铝。为了减轻重量，机翼的前后缘常采用玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）或铝蜂窝夹层（芯）结构。尾翼结构材料一般采用超硬铝。有时歼击机选用硼或碳纤维环氧复合材料，以减轻尾部重量，提高作战性能。尾翼上的方向舵和升降舵采用硬铝。

有种复合材料应用于飞机机翼，即蜂窝型的复合材料，其有质轻且抗压功能。

飞机在高空飞行时，机身增压座舱承受内压力，需要采用抗拉强度高、耐疲劳的硬铝作蒙皮材料。机身隔框一般采用超硬铝，承受较大载荷的加强框采用高强度结构钢或钛合金。很多飞机的机载雷达装在机身头部，一般采用玻璃纤维增强塑料做成的头锥将它罩住以便能透过电磁波。驾驶舱的座舱盖和风挡玻璃采用丙烯酸酯透明塑料（有机玻璃）。飞机在着陆时主起落架要在一瞬间承受几百千牛乃至几兆牛（几十吨力至几百吨力）的撞击力，因此必须采用冲击韧性好的超高强度结构钢。前起落架受力较小，通常采用普通合金钢或超硬铝。

从60年代末期开始，在飞机上使用的复合材料，已由当初只应用于口盖和舱门等非承力构件，逐步扩大应用到减速板和尾翼等次承力构件，而且正向用于机翼甚至前机身等主承力构件的方向发展。另外，为提高突防攻击能力、不被敌方雷达捕获，已在飞机上采用吸波材料。

伴随着航空工业几十年的跨越发展，我国的飞机材料也取得了重大发展。现役飞机机体材料总体上仍以铝合金为主，钢用量趋于减少，钛合金用量显著增加，树脂基复合材料在承力件上得到全面应用，其中高温合金是动力装置材料的主流。

飞机材料属于国家战略性新兴产业规划中的新材料产业的组成部分，是国民经济各产业的基础，有很强的通用性，材料产业市场的空间很大。我国飞机材料的发展路径已逐渐清晰，国产战机已步入全面代际更替阶段，这将是飞机材料最先步入扩张的领域。到2025年，国内航空运输飞机拥有量将达到3900架，其中大型客机将达2000架，这将使中国成为仅次于美国的全球第二大航空市场，届时也将带动飞机材料快速发展。

目前市场上有很多企业作为机体原材料的供应商，其中较为知名的有东北轻合金、南山铝业、东方钽业、上海桦夏、南京宝泰、南京云海、山西钢科、吉林炭素等企业。这些行业企业以及业内专业人士，无不为机体材料的发展做出着贡献，也力求为机体材料迎来更为广阔的市场。为此，有不少企业以及专业人士将要前往2018年05月14日-16日在国家会展中心即将召开的上海国际航空服务产业博览会（简称:上海航博会）。

此届博览会将分为航空工程与服务、机上内饰与翻新、无人机系统技术应用、通用航空器及应急救援、机场建设及运营等各大展出大类，届时会吸引来自全球四十多个国家和地区数千家航空服务领域优秀供应商前来参展。并且将会同期举办国际航空工程高峰论坛、国际航空工程企业供需专场见面会、航空用品买家见面会、国际通用航空大会等多场活动与论坛。

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