导读：航空航天与航空工业对性能提升的追求，推动了先进材料的发展、研究与探索。近几年来，围绕各种合金、复合材料以及其他先进材料开展了大量研究，以完美满足航空航天领域（如飞机基本框架、机身、发动机部件、机翼等）的需求。目前已研制出多种铝合金、镁合金、钛合金和镍基合金，它们具有强度重量比高、耐腐蚀、耐磨等特定优势。然而，航空航天材料仍面临重大挑战，例如力学性能和化学性能不足、飞机整体重量过重、微动磨损、应力腐蚀开裂、高温能力不足以及抗氧化性能低等问题。因此，为开发下一代航空航天材料，人们开展了大量研究。本文着重研究了航空航天工程领域的当代材料、当前正在进行的研究以及先进材料的未来发展趋势。铝基合金因其优异的力学性能，被公认为航空航天领域应用最广泛的金属合金。然而，聚合物基复合材料和金属基复合材料因其卓越的强度和刚度而日益受到青睐。钛基合金因其强度和耐腐蚀性而备受青睐，应用日益增多。

<1. 引言>

本文所述的航空航天材料，是指用于承受飞机飞行过程中所施加载荷的结构部件。结构材料在机翼、机身、尾翼、起落架、尾梁以及直升机旋翼桨叶等安全关键型机体部件，以及航天飞机等航天器的机体结构、蒙皮和隔热瓦中均有应用。航空航天工业的扩张推动了航空材料发展步伐的加快。首要驱动力是通过更轻的结构和更耐久的飞机部件/结构来降低成本。用于制造轻型飞机框架和发动机的材料如果具有更优的力学性能，就可以提升有效载荷、延长飞行航程并改善燃油效率，即所有这些都能直接降低飞机的运营成本。1903年首次飞行当天采用了木质机翼机身，标志着飞机材料发展的开端。1927年之后，随着包铝和阳极氧化工艺的进步，铝合金在飞机材料中占据了主导地位。

缩写： CFRP，碳纤维增强聚合物；CNT，碳纳米管；HCP，密排六方结构；BCC，体心立方结构；UTS，极限抗拉强度；YS，屈服强度；CMC，陶瓷基复合材料；MMC，金属基复合材料；PMC，聚合物基复合材料；GNP，石墨烯纳米片。

铝合金作为飞机结构部件的主要材料已成功使用了80多年。凭借其卓越的品质（即强度高且重量轻、耐腐蚀性好、可加工性良好），以及相对于钢和钛合金的成本优势，铝合金经常用于制造国防、汽车和航空航天领域的结构部件。航空航天用先进铝合金需要具备高断裂韧性、更高的疲劳性能、良好的成形性和超塑性，以满足减轻结构重量、提高损伤容限和耐久性的要求。钛因其强度与轻量化结合的卓越性能而吸引着飞机设计师。但由于其可加工性差，钛在制造过程中会带来很大的问题。航空航天领域的钛合金应被视为远优于钢或铝合金的更先进材料。在美国，20世纪40年代末研制出了首批钛合金。在现有合金中，Ti-6Al-4V在目前航空航天领域的应用中仍占主导地位。近几十年来，高强度钛合金的制备受到了钛业界的广泛关注，理论研究和工艺探索均取得了多项令人鼓舞的成果。近年来，CFRP复合材料（即碳纤维增强聚合物复合材料）在航空航天和储能设备的制造中占据了中心地位，其优点是强度极高、重量更轻、耐腐蚀。通过将缠绕技术与超声扩纤技术相结合，制备了含有不同碳纳米管含量的碳纤维增强环氧树脂复合材料。研究发现，特定含量的碳纳米管能够显著改善环氧树脂基体的力学性能，从而制成结构-功能一体化的超薄CFRP复合材料，在储能和航空航天领域具有应用价值。（见图1和图2、表1）。

本文旨在研究近年来开展的航空航天材料研究以及当前正在进行的、旨在提升材料性能以获得更好耐久性和经济性的研究。文章内容包括材料选择的成本与重量考量、机身和机翼材料的选择标准、发动机及其部件的选材标准，以及先进材料的现代进展。本文还展示了航空航天工业从一种先进材料向另一种先进材料转变的时间线。在文章最后部分，介绍了本文的未来展望。

<2. 飞机设计中的材料选择标准>

根据所考虑的具体部件，不同的航空材料具有不同的材料性能要求。飞机上每个部件的设计要求，如载荷条件、可制造性、几何限制、表面光洁度、生态因素和可维护性等，都会影响飞机的选材。

2.1. 机身和机翼的设计标准

飞机的部件所用材料应具有很长的使用寿命（约6万工作小时）。强度和材料重量是构造机翼和机身时两个重要的考量因素。为实现这一目标，机体所使用的材料必须具有较低的密度以实现减重，同时具备适合应用场合的力学性能。此外，材料还必须具有足够的耐腐蚀性和损伤容限，以应对高湿度、紫外线以及极端温度（-30°C至370°C）环境下的长期使用。

图1：材料选择中成本与重量考量的示意图

2.2. 发动机及其部件的设计要求

飞机发动机及其部件的材料设计要求是：密度低，且具有足够的强度来承受机械和热载荷。飞机发动机不同部位的工作温度在300°C至600°C之间。由于这些高温工况和较高的发动机转速，转子上会产生约600 MPa的最大切向应力。

<3. 航空航天材料的现代进展>

近期研究的主要对象是2000系列和7000系列铝合金以及铝锂（Al-Li）合金。尽管复合材料似乎将在很大程度上替代铝基材料，但铝合金仍具有多项优势，包括成本低、制造简单、重量轻以及能承受机械和热载荷的高抵抗性。

2000系列铝基合金通常以铜作为合金化元素。由于其在损伤容限和疲劳抗力方面优于所有其他系列的铝基合金，目前被作为飞机机身材料进行广泛研究。然而，由于这些合金的强度相对较弱，它们不能用于承受较大应力的部位。

将这些材料与Sn、In、Cd和Ag进行适当融合，可因微观结构和晶粒尺寸的改善而获得力学性能更高的材料。减少Fe和Si等杂质的含量同样可以提高力学性能。

7000系列铝基合金通常以锌作为合金化元素。在所有元素中，Zn在铝中的溶解度最高（31.6%重量分数）。Al-Zn基合金因其相比其他铝基合金具有最高的强度，而被用于机翼上翼蒙皮、纵梁和垂直尾翼。遗憾的是，这些合金的耐腐蚀性、断裂韧性和损伤容限较差。

这些合金与Zn或Mn等元素的最佳融合可改善其力学性能。例如，向7000系合金中添加1%重量分数的Mn，可使其断裂韧性提高约100%。减少Fe和Si等杂质同样可以改善力学性能。

铝锂（Al-Li）基合金是所有铝基合金中重量最轻的，与2000和7000系列合金相比，其密度更低、力学性能良好。在机身和上翼面使用Al-Li基合金替代2000和7000系列合金，可减重约10%。Al-Li合金可能存在各向异性（即不同方向性能变化）问题，此外其耐腐蚀性较弱、硬度较低。

为解决这些不足，近年来的研究中，镁是最轻的结构金属。尽管镁可以使相同体积的结构重量分别比铝合金和钢降低33%和77%，但它在航空航天工业中的使用非常有限。这是因为镁的力学性能和耐腐蚀性较差。通过添加适量的铝、锌、锆或钇等稀土元素，可以改善镁基合金的力学性能。铝可改善其耐腐蚀性。此外，将锌添加到临界水平（5%重量比）可提高Mg-Al合金的强度和延展性。在无铝条件下，将Mg-Zn与Zr或Y结合可大幅提高强度。例如，镁基Mg97Zn1Y2合金具有最高的强度（屈服强度=610 MPa）。

图2：展示飞机设计中重要材料选择因素引入历程的历史时间线

表1：航空航天中应用的不同材料

近年来，钛基合金凭借其优异的强度重量比、良好的耐腐蚀性以及高温环境下的有效性能，其应用逐渐增加。它们被用作发动机压气机部件、直升机旋翼系统和飞机弹簧的零部件。钛基合金可分为α钛合金、β钛合金和α-β钛合金三类。

α钛合金具有密排六方（HCP）晶体结构。与β钛合金相比，α钛合金密度更低、抗蠕变性更高、耐腐蚀性更好。因此，商业纯钛和Ti-3Al-2.5V等α钛合金被用于飞机发动机压气机的叶片。然而，在高温下其适用性受到严重限制。通常添加Al元素来改善其在高温下的性能。

β钛合金具有体心立方（BCC）晶体结构，比α钛合金更容易制造，其抗拉强度和疲劳强度也更高。钒、钼、铌、铬等β稳定剂可以降低β钛合金原子团簇的结合能，使Ti与合金原子之间的结合更强，从而提高合金的强度。一个典型的例子是β钛合金Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr，它被用于起落架和弹簧等飞机高应力区域，其极限抗拉强度为1240 MPa。

α-β钛合金兼具α钛合金和β钛合金的优点，具有优异的强度、优异的断裂韧性、良好的延展性和优异的耐腐蚀性。它们占美国钛市场的70%，是应用最广泛的钛基合金。Ti-6Al-4V等α-β合金被用于机身、起落架、地板支撑结构、发动机短舱和压气机盘等部位。

任何由两种或两种以上组成材料制成的物质都称为复合材料。这些组成材料具有明显不同的化学或物理性质，但组合在一起后产生出与各组成成分不同的材料。如图3所示，空客A380复合材料用量超过25%，波音787复合材料用量超过50%，复合材料在飞机工业中的应用正在不断扩大。由于复合材料比大多数金属密度低，因此它们具有更高的强度重量比、更好的耐腐蚀性和疲劳性能。

图3：波音787所用材料

陶瓷基复合材料（CMCs）由陶瓷纤维和陶瓷基体组成。即使在1400°C下，CMCs仍能保持良好的高温稳定性。此外，它们还具有优异的硬度、耐腐蚀性。例如氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）和氧化铝。因此，它们常用于排气喷管等热点部位。然而，CMCs的断裂韧性较差。目前的研究重点是使用石墨烯纳米颗粒（GNPs）和碳纳米管（CNTs）提高CMCs的断裂韧性。根据科学试验，添加1.5体积%的石墨烯可将Si3N4的断裂韧性提高235%。

金属基复合材料（MMCs）在金属基体中分布有增强元素。MMCs具有更高的耐磨性、更低的热膨胀性、更高的屈服强度和断裂韧性。铝、镁、钛、铜和镍等金属用作基体材料。玻璃纤维和碳纤维是两种常用的增强材料。然而，这些纤维已发挥出它们所能提供的全部性能。为了获得更好的力学性能，碳纳米管和石墨烯纳米片等新型材料正在研究之中。据报告，调节性引入碳纳米管可增强铝、镁、钛、铜和镍基复合材料的力学特性（如抗拉强度、屈服强度和硬度）。

聚合物基复合材料（PMCs）是由若干短纤维或连续纤维通过有机聚合物基体结合而成的复合材料。常用的纤维包括芳纶、石墨和玻璃纤维。根据聚合物基体的性能，PMCs分为两类：热固性塑料（不能重新热成型）和热塑性塑料（可以重新热成型）。航空航天领域的PMCs常采用环氧树脂、聚氨酯、聚酰胺等热固性基体，主要用于副翼（铰链式飞行控制面）、襟翼（一种安装在机翼后缘的高升力装置）和起落架舱门。

PMCs具有较高的比强度和比模量。例如，环氧基体中的碳纤维增强合金的密度是铝基合金的一半，而其弹性模量和抗拉强度分别是铝合金的两倍和3倍。然而，由于碳纤维易碎，容易产生应力集中。因此，目前正在研究玄武岩、碳纳米管、石墨烯和天然纤维作为聚合物基体的增强材料。

钢的低比强度和低耐腐蚀性大大减少了近年来钢在航空领域的使用。由于钢的密度较高，低碳钢具有相对较高的极限抗拉强度（840 MPa），但其特性使其不适合用于飞机。然而，它仍然是紧固件、传动装置和轴承的关键组成部分。为了提高特定的性能特性和耐腐蚀性，目前正在研究新型低合金钢和纳米钢。

镍基高温合金即使在工作温度极高的条件下也具有极高的强度。因此，它们被广泛用于飞机发动机的涡轮和燃烧室，工作温度在1100°C至1250°C之间。最常用的两种镍基高温合金是Inconel和Nimonic。为了提高镍基高温合金的抗氧化性，需要添加Al元素。

<4. 结论与未来趋势>

毫无疑问，过去一个世纪航空业取得了显著进步，其中很大一部分进步可归功于结构材料和发动机材料的发展和创新。