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先進(jìn)新型合金材料

在傳統航空用鋁合金基礎上，通過(guò)成分與工藝改性，開(kāi)發(fā)具有優(yōu)勢性能的先進(jìn)新型合金材料可有效實(shí)現飛機結構減重。

具有代表性的陶鋁新材料是以鋁合金材料為基體，通過(guò)原位生成納米陶瓷顆粒強化相復合而成，以實(shí)現鋁合金基體的塑性、韌性與強化相的高強度、高模量的優(yōu)化組合，滿(mǎn)足材料在復雜應用場(chǎng)合下的需求。目前，陶鋁新材料在航空、航天和汽車(chē)工業(yè)有著(zhù)廣泛的應用前景。

鋁鎂鈧合金以其優(yōu)異的可焊接與耐腐蝕性性能成為另一種極具競爭力的商用飛機潛在應用材料。相較6XXX系鋁合金，鋁鎂鈧合金具有更高的靜力、疲勞與損傷斷裂性能、優(yōu)異的焊接性能和更好的耐腐蝕性能。目前德國萊茵鋁業(yè)AA5024、AA5028等中高強度鋁鎂鈧合金已列入空客材料采購目錄?？湛脱邪l(fā)的Scalmalloy高強度鋁鎂鈧合金已經(jīng)用于增材制造，在2016年，空客用該材料3D打印了機艙隔斷，幫助空客A320客機實(shí)現了瘦身。

此外，飛機大尺寸主承力結構對高強度鈦合金和損傷容限型鈦合金具有強烈的需求，以Ti-1023為代表的針對損傷容限設計需求的高強高韌鈦合金具有比強度高、斷裂韌性好、淬透性好、鍛造溫度低、耐疲勞性能好，抗應力腐蝕性能強等特點(diǎn)，可應用于起落架等主承力結構代替Ti-6Al-4V，可實(shí)現減重20%的收益，對提高結構效率，降低油耗量、成本等具有重要作用和積極意義，其已在空客A320、波音777等飛機獲得應用。

形狀記憶合金

形狀記憶合金（SMA）是一類(lèi)智能金屬材料，具有感應和驅動(dòng)一體化特性，即“材料即器件”。

形狀記憶合金具有形狀記憶效應和超彈性?xún)纱筇匦?，該特性使其可以很好地應用在航空工業(yè)領(lǐng)域。在溫度或電流作用下形狀記憶合金可發(fā)生自驅動(dòng)效應，無(wú)需馬達、電機等復雜驅動(dòng)器件。以形狀記憶合金材料制備的智能驅動(dòng)裝置，由于重量輕、變形連續協(xié)調、相對變形量較大、無(wú)噪聲、易于控制等特點(diǎn)而成為新型折疊翼梢、變體機翼、防除冰前緣、降噪短艙等智能結構的熱門(mén)方案。其具有以下特點(diǎn)：驅動(dòng)條件簡(jiǎn)單；輸出力和輸出位移較大，能滿(mǎn)足一些需要大變形和高輸出力的需求；空間需求小，設計與布置靈活；靜強度高，不容易損壞；無(wú)污染和噪聲等。

形狀記憶合金在未來(lái)民機上具備較大的應用潛力，波音、空客針對SMA作動(dòng)器、閂鎖類(lèi)機構已經(jīng)進(jìn)行了專(zhuān)利布局。變形機翼方面，SMA也存在一定的應用價(jià)值，其中南京航空航天大學(xué)的學(xué)者在縮比驗證機上研制了基于柵格結構的變高度翼梢小翼以及采用SMA彈簧驅動(dòng)的變傾斜角翼梢小翼。

民用飛機活動(dòng)面結構是實(shí)現飛機飛行操控、增升的重要結構。目前，該類(lèi)結構的作動(dòng)主要通過(guò)不同形式的作動(dòng)器實(shí)現，如液壓作動(dòng)器、電液作動(dòng)器等，這些傳統形式的作動(dòng)器相對重量較大。面對未來(lái)民用飛機更經(jīng)濟、更環(huán)保的迫切要求，飛機減重需要從各方面綜合考慮。在飛機活動(dòng)面結構作動(dòng)器方面，有研究表明，SMA作動(dòng)器相對于傳統作動(dòng)器可實(shí)現減重50%以上。NASA和波音公司共同合作開(kāi)展的“SAW（Spanwise Adaptive Wing）”項目針對SMA作動(dòng)器，從材料、工藝、結構到縮比平臺驗證和全尺寸平臺驗證，將SMA作動(dòng)裝置在飛機上的應用進(jìn)行了技術(shù)可行性論證。

高性能/耐溫復合材料

復合材料不論是纖維還是基體都有繁多的種類(lèi)，由它們組合而成的復合材料種類(lèi)更多。航空復合材料需要擁有比一般復合材料更好、更穩定的性能。碳纖維樹(shù)脂基復合材料比強度和比模量高，材料性能的可剪裁性好，成型工藝具有多選擇性，以及良好的耐疲勞性能和抗腐蝕性能等，已在航空領(lǐng)域廣泛應用。目前，碳纖維復合材料的運用已成為衡量民機先進(jìn)性的重要標志之一。除此以外，以陶瓷基復合材料為代表的耐溫復合材料等也成為民機實(shí)現結構輕量化的潛在途徑。

2014年3月，東麗公司利用傳統的PAN溶液紡絲技術(shù)，精細控制碳化過(guò)程，采用先進(jìn)的納米技術(shù)，在納米尺度上改善碳纖維的微結構，使其強度和模量都得到大幅提升，從而研制成功T1100G級別的高性能碳纖維，其模量提升至324GPa、強度提升至7.0GPa。日、美相關(guān)企業(yè)和機構都明確表示高性能碳纖維的應用目標是航空航天高端市場(chǎng)，旨在替代目前正在廣泛使用的碳纖維產(chǎn)品，提高飛機結構部件強度、剛度等綜合性能，減薄結構厚度、減輕重量，提高飛行速度，大幅提升機動(dòng)性能。

全球最大的一級航空結構制造商Spirit Aerosystems公司基于T1100推出創(chuàng )新型復合材料機身壁板，并預計該壁板能夠降低未來(lái)復合材料機身30%的生產(chǎn)成本。2022年，Overair公司宣布與東麗復合材料美國公司合作，使用新一代T1100/3960高性能材料建造“蝴蝶”電動(dòng)垂直起降飛行器的主要機身部件。隨著(zhù)航空飛行器技術(shù)快速發(fā)展，更加嚴酷的極端環(huán)境對飛機材料提出了更高的要求，對低溫絕熱、耐高溫材料及抗輻射等極端環(huán)境材料的發(fā)展與應用提出迫切需要。對高超音速飛機而言，無(wú)論是飛機表面還是內部動(dòng)力裝置都產(chǎn)生了越來(lái)越明顯的高溫問(wèn)題，對材料的耐高溫性能提出了更高的要求。高溫/熱防護材料方面包括先進(jìn)高溫合金和陶瓷基復合材料、超高溫陶瓷、高溫隔熱材料、耐火材料以及熱防護涂層技術(shù)等。

熱塑性復合材料

纖維增強熱塑性復合材料是指以碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等材料增強的熱塑性樹(shù)脂的復合材料。

與熱固性復合材料相比，連續碳纖維增強熱塑性復合材料具有出色的沖擊后壓縮性能、高斷裂韌性、可循環(huán)利用、存儲成本較低、工藝周期短等優(yōu)點(diǎn)，可用于使用環(huán)境較為苛刻、承載能力要求較高的場(chǎng)合。并且，由于熱塑性復合材料結構件之間可焊接成型，無(wú)需鉆鉚，可大大降低結構的重量和制造成本、提高結構效率。目前，航空用熱塑性復合材料體系包括CF/PPS、CF/PEEK、CF/PEKK等，分別用于功能性結構件和主/次承力結構件。此外，尼龍、PI 等熱塑性材料體系也有應用。

世界各主要國家均極為重視對熱塑性復合材料的研究。近年來(lái)，在歐盟以及空客、?？撕接畹群娇罩圃炱髽I(yè)的強力推動(dòng)下，熱塑性復合材料在民機上頻頻嶄露頭角，在一些部件上成為熱固性復合材料的有力競爭對手。最具代表性的應用有空客A340和A380飛機上使用的熱塑性復合材料機翼前緣和龍骨梁結構。前緣的蒙皮與肋的連結，采用了先進(jìn)的熱塑性焊接技術(shù)。同時(shí)，空客在A(yíng)350飛機上應用了PEEK先進(jìn)復合材料的機身連接角片，其數量多達3000多個(gè)。可負擔的航空主結構熱塑性材料組織（TAPAC）于2011年研制出可用于平行尾翼等結構的熱塑性復合材料扭力盒段以及帶有加筋結構的熱塑性復合材料機身壁板等典型結構件。

2024年，弗勞恩霍夫制造工藝與應用材料研究所（IFAM）宣布，其與合作伙伴聯(lián)合完成了長(cháng)8米、直徑4米的熱塑性復合材料機身演示驗證件，是目前世界上最大的碳纖維增強熱塑性復合材料機身部件。該項目中使用的材料和制造技術(shù)可在高速生產(chǎn)過(guò)程中減輕約10%的結構重量，并降低10%的成本。

先進(jìn)智能材料

智能材料和結構將傳感器、驅動(dòng)器、控制元件與機體結構融為一體，不僅具有承受載荷、傳遞運動(dòng)的能力，而且具有檢測（應力、應變、損傷、溫度、壓力等)、變形（改變結構外形和位置以獲得最佳氣動(dòng)特性）、改變結構特性（結構應力應變分布、結構阻尼、固有頻率、周?chē)姶艌?chǎng)分布）等功能。智能材料的誕生使結構不但具備承載功能，還具備感知（自檢測能力）、判斷決策（自處理能力）甚至執行功能（自愈合和自適應能力）。

目前，碳納米管、石墨烯等納米材料因其良好的熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性能成為智能材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。此外，形狀記憶合金、壓電材料及電流變體材料等智能材料也因其良好的監測反饋集成性而逐漸得到廣泛應用。智能復合材料的損傷敏感性隨近年國內外大量研究而迅速提升，其在損傷監測中的應用已成為研究熱點(diǎn)。

民機智能復合材料的實(shí)現將依托三種方式：
一是將石墨烯或碳納米管粉體分散于基體材料中，通過(guò)在復合材料變形過(guò)程中納米材料的結構電阻的變化實(shí)現基體材料監測；
 

二是將納米材料通過(guò)特定方式形成導電薄膜狀網(wǎng)絡(luò )結構，通過(guò)材料變形過(guò)程中導電網(wǎng)絡(luò )結構電學(xué)性能的變化實(shí)現監測；
 

三是將納米材料涂覆于其他纖維材料表面，提高纖維材料的導電性，通過(guò)變形過(guò)程中導電纖維電阻的變化來(lái)監測結構變形。這種材料從微觀(guān)結構感知到宏觀(guān)參數反應實(shí)現了自感知、自檢測、自適應的目的。

針對該領(lǐng)域的集中研發(fā)，有望在材料制備、傳感特性等方面進(jìn)一步突破，以在民機未來(lái)型號中發(fā)揮重要作用。在復合材料中預置或附加形狀記憶合金、壓電材料及電流變體材料等智能作動(dòng)材料，實(shí)現對復合材料結構的振動(dòng)噪聲控制、形狀控制和基體增強，可以顯著(zhù)提高復合材料的使用效率，滿(mǎn)足服役環(huán)境對復合材料結構的特殊要求。智能結構與材料科學(xué)、信息科學(xué)、仿生學(xué)和生命科學(xué)等諸多前沿學(xué)科密切相關(guān)，具有巨大的應用前景，并可能引發(fā)結構設計、制造、維護和控制等觀(guān)念的革新。

結構一體化材料

隨著(zhù)民航環(huán)保需求的不斷提升，世界各國先后啟動(dòng)了清潔天空項目，通過(guò)對新材料、新工藝、新技術(shù)的合作研究，減少燃油消耗和碳排放。結構功能一體化復合材料被認為是未來(lái)具有較大結構減重潛力的技術(shù)手段之一，其實(shí)現途徑為將民機功能需求集成到現有結構中實(shí)現，將承載和功能結構合二為一。

現有的國際先進(jìn)機型已經(jīng)實(shí)現了特定部位的結構功能一體化，如波音787采用的電熱防除冰前緣和空客A350采用的金屬條帶+ 結構件的雷擊防護網(wǎng)絡(luò )等。相比于傳統的氣熱除冰需鋪設大量管路，電熱防除冰一體化結構不需額外的結構鋪設而節省了重量，且其熱效率是氣熱方法的1.5倍以上；而通過(guò)導電材料與結構的功能一體化設計，可以提高結構復合材料的導電能力，實(shí)現對機體結構和系統的有效保護。此外，承載儲能復合材料結構技術(shù)是目前備受關(guān)注的研究方向，其特點(diǎn)是使復合材料結構在滿(mǎn)足承載功能的同時(shí)，具備一定的電存儲性能，從而實(shí)現飛機重量的有效降低。隨著(zhù)低空經(jīng)濟的發(fā)展，目前自重較大的電池動(dòng)力系統制約了無(wú)人機的續航里程以及有效承載能力。以碳纖維為載體的結構儲能復合材料有望節約載荷空間，減輕系統重量，提高電池能量密度，因此，成為了國內外高校和研究所的研究熱點(diǎn)。

此外，飛機結構除了要承受飛行載荷，還要滿(mǎn)足閃電防護、隔音降噪、防冰除冰、防火耐火等需求。傳統的功能結構設計往往帶來(lái)結構重量增加，導致飛行成本上升、經(jīng)濟性下降。石墨烯和碳納米管等納米材料、仿生材料、形狀記憶合金材料等在光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)等方面具有優(yōu)異的性能，其在航空結構上的應用將實(shí)現功能結構一體化設計，實(shí)現結構減重增效，具有廣闊的前景。例如，石墨烯薄膜與復合材料機翼蒙皮一體化結構，可實(shí)現機翼蒙皮防除冰、閃電防護等功能，省去閃電防護銅網(wǎng)、引氣防除冰管路等結構重量；波音777-300發(fā)動(dòng)機噴口通過(guò)使用SMA材料實(shí)現構型變化降低噪聲；南京航空航天大學(xué)采用SMA彈簧驅動(dòng)實(shí)現變傾斜角翼梢小翼的驗證機。納米技術(shù)、仿生技術(shù)、新型功能材料的發(fā)展為民機結構功能一體化設計提供了可能。綜上，結構功能一體化設計與制造有望為解決飛機功能問(wèn)題提供新方法和新途徑，同時(shí)也有望提升機體結構的效率、經(jīng)濟性和競爭性。

增材制造

增材制造（Additive Manufacturing）又稱(chēng)3D打印，是一種集材料工程、機械工程、計算機工程、激光與電子束等多領(lǐng)域多學(xué)科交叉融合的成形技術(shù)。

它以計算機三維數模為基礎，通過(guò)軟件對數模進(jìn)行分層，使用粉末或絲材的原材料逐層打印進(jìn)行構造，實(shí)現復雜結構零件的一體化成形、特殊結構零件的個(gè)性化定制與設計需求的快速響應。

與傳統的制造工藝相比，增材制造可以提升零件設計的靈活性與自由度；實(shí)現復雜零件的一體成形，提高零件的整體性能和質(zhì)量；提升材料利用率，減少材料浪費；便于進(jìn)行零件原型驗證和個(gè)性化定制。這些優(yōu)點(diǎn)使得增材制造在航空航天、汽車(chē)、醫療等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注與應用。

增材制造的以上優(yōu)點(diǎn)較好地契合了民用飛機減重降本、快速響應的目標與需求，因而在民機制造領(lǐng)域一直備受關(guān)注，波音、空客和中國商飛均已實(shí)現了增材制造件的裝機應用。隨著(zhù)技術(shù)成熟度進(jìn)一步提高，增材制造在民機產(chǎn)業(yè)的應用也將會(huì )不斷地拓展。

從所使用材料來(lái)分類(lèi)，增材制造可分為金屬增材制造和非金屬增材制造。

金屬增材制造是以金屬粉末/ 絲材為原料，以高能束（激光/ 電子束/ 電弧/等離子束等）作為能量源，來(lái)制造高性能金屬構件的新型制造技術(shù)。根據制造原理，又可將金屬增材制造技術(shù)分為粉末床熔融（Powder Bed Fusion，PBF）技術(shù)和定向能量沉積（Directed Energy Deposition，DED）技術(shù)。

粉末床熔融技術(shù)于1994年由EOS取得專(zhuān)利。該技術(shù)將均勻的粉末層供給至沉積平面上，并引導能量源的能量在指定位置照射粉末使其熔融固化。當一個(gè)平面完成后，能量將被引導至下一個(gè)平面重復該過(guò)程直到零件成形完畢。

定向能量沉積技術(shù)最早于1995年由美國Sandia國家試驗室開(kāi)發(fā)成功。該工藝通過(guò)將金屬粉末或絲材輸送至基板，并聚焦激光束、電子束或電弧等能量源于粉末床上，從而形成多個(gè)小型熔池并連續沉積材料，最終實(shí)現一體成形。根據所選能量源的不同，DED 技術(shù)也可分為激光金屬沉積、電子束增材制造、電弧增材制造等多種技術(shù)。

與金屬增材制造技術(shù)類(lèi)似，非金屬增材制造技術(shù)將非金屬材料絲材或粉末原材料進(jìn)行逐層打印并最終成形。民機產(chǎn)業(yè)常用的兩種非金屬增材制造技術(shù)為熔融沉積成形和選區激光燒結。非金屬增材制造件常用于功能性?xún)蕊椉c功能性次承力件。

熔融沉積成形（Fused Deposition Modelling，FDM） 技術(shù)于20世紀80年代由美國Stratasys公司的創(chuàng )始人Scott Crump博士發(fā)明，該技術(shù)通過(guò)將熱熔性絲材加熱熔化，將熔化的絲材沿切片軟件確定的路徑從噴頭處按一定速度擠出。擠出的絲材在平臺上凝固后，噴頭將會(huì )抬升并進(jìn)行下一層的成形。

FDM技術(shù)不涉及激光、高溫高壓等環(huán)境，技術(shù)較為簡(jiǎn)單，設備體積較小，操作簡(jiǎn)單，打印成本與維護成本也相對低廉，原材料在整個(gè)成形過(guò)程中不涉及化學(xué)變化，零件的翹曲與變形較小，可選擇ULTEM9085、聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PA）等多種常用工程塑料作為原材料進(jìn)行打印。但它也有一些較為明顯的缺點(diǎn)：表面粗糙度較高；成形過(guò)程中需要支撐結構進(jìn)行支撐，打印完成后支撐去除較為復雜且會(huì )在表面留下痕跡；由于打印工藝的限制，FDM技術(shù)制造的零件在垂直成形方向的強度明顯弱于其他打印方向，各向異性問(wèn)題顯著(zhù)。盡管具有較多缺點(diǎn)，但FDM技術(shù)成熟度高、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，現已廣泛應用于飛機非金屬內飾件的制造。

選區激光燒結（Selected Laser Sintering，SLS）技術(shù)由Carl Deckard博士于1989年發(fā)明，該技術(shù)通過(guò)激光器，將平鋪在平臺上的材料粉末分層燒結成形。當一層截面燒結完成后，新的粉末將會(huì )平整地鋪在已燒結的截面上并燒結下一層。當所有截面燒結完成后，通過(guò)清除多余粉末得到完整成形的零件。通過(guò)SLS技術(shù)制造的零件具有更好的性能與更小的各向異性，在民機制造領(lǐng)域具有較高的應用價(jià)值。

鈦合金增材制造件已在多個(gè)型號上實(shí)現裝機應用。2016年，空客使用Ti-6Al-4V增材制造對A350XWB連接架進(jìn)行了設計優(yōu)化并實(shí)現裝機，這也是金屬增材制造件第一次在型號上實(shí)現裝機應用，該零件如圖所示?？湛筒捎免伜辖鹪霾闹圃旒夹g(shù)對該零件進(jìn)行結構優(yōu)化，成功將零件重量減少30%以上，大大縮短了交付周期并降低了制造成本。

空客A350XWB型號垂直尾翼支架使用AlSi10Mg進(jìn)行增材制造，將30個(gè)零件集成設計為1個(gè)零件，減重高達30%，并將制造周期從70天成功縮短至19個(gè)小時(shí)，大大縮短了制造周期。

空客A320輕量化仿生機艙隔離結構，采用空客子公司APWORKS 研發(fā)的第二代Al-Mg-Sc合金Scalmalloy®? 進(jìn)行選區激光熔融（SLM），減重45%，成本降低75%，實(shí)現了型號減重降本的設計需求。

對于增材制造，最為常用的復合材料為纖維增強的樹(shù)脂基復合材料。纖維增強的樹(shù)脂基復合材料由短切的或連續的纖維及其織物增強熱固性或熱塑性樹(shù)脂基體，采用一定的成形工藝復合而成，已廣泛應用于航空航天、汽車(chē)制造等領(lǐng)域，具有高比強度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設計性強、便于大面積整體成形以及特殊電磁性能等特點(diǎn)。纖維增強復合材料在航空航天領(lǐng)域的大量應用不但減輕了結構重量，而且通過(guò)結構和功能的一體化設計可提高裝備的性能和質(zhì)量。

目前常用的增材制造復合材料通常以PEEK、PEKK 和尼龍等材料為基體，使用碳纖維或玻璃纖維對基材進(jìn)行增強并提高材料的各項性能。2019年，美國最大碳纖維制造商生產(chǎn)的基于碳纖維與PEKK的HexPEKK-100材料完成認證，并使用選區激光燒結（SLS）技術(shù)為波音777X 制造管路件等零部件，其重量相比原有的鋁合金件減輕了約50%。下圖展示了部分波音777X的復合材料管路件。

在民機產(chǎn)業(yè)，包括波音、空客與中國商飛在內的多家公司都在積極推動(dòng)增材制造在民機產(chǎn)業(yè)的應用，并在多個(gè)型號上實(shí)現增材制造件的裝機應用。民機產(chǎn)業(yè)對于材料的性能與可靠性有著(zhù)極高的要求，適用于傳統制造技術(shù)的材料未必同樣適用于增材制造技術(shù)。因此，開(kāi)發(fā)出適合增材制造技術(shù)的高性能材料并建立嚴格完整的質(zhì)量控制與認證體系尤為關(guān)鍵。

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