在现代，大家所乘坐的民航客机，早已使用了高端的复合材料，确保了优良的飞行性能和足够的安全性。但回顾整个航空发展史，最初的飞机，用的都是些什么材料呢？从要满足长时间飞行和载荷足够的要素来看，制造飞机的材料必须得轻便牢固，同时它还得方便人们改造加工，做到耐高温和耐腐蚀等多项要求。看起来，选择合适的航空材料，并不是一件容易的事。

飞机是人们生活中经常使用到的交通工具，它的结构复杂，所用到的材料也是范围广泛。谈到飞机机身用材料大体可分为两类：合金材料和高分子复合材料。

飞机上的合金材料主要有铝合金、镁合金、钛合金和镍钼钨合金等，其中铝合金材料占飞机用料50%--70%左右，镁合金材料占飞机用料5%--10%左右，现代化的飞机，钛合金的用量比重越来越大，而镍钨钼合金则用于飞机发动机。

代表航空航天技术开发水平的一个重要标志是看聚合物复合材料使用数量的多少。聚合物复合材料在比强度和比刚度方面具有非常明显的优越性，兼备良好的结构性能和特殊性能，在航空领域获得了广泛的应用。作为结构材料，新型复合材料将发挥越来越大的作用。

战机机身结构材料的发展经历了四个阶段：

第一阶段从1903年至1910年。这个时期，飞机结构材料主要以木-布为主。木头构筑起飞机的机身框架，帆布为飞机提供气动外形。木头作为结构材料，凭借着超轻的质量和较低的密度，获得了长久的生命力。直至第二次世界大战时期，木头仍被应用于部分战机上。其典型代表就是英国的“德·哈维兰-蚊式战斗轰炸机”。这款战机拥有“木头奇迹”的美誉，身轻如燕、性能优良，是英国皇家空军中一种颇具特色的机型。

第二阶段从1910年到1949年。这一阶段的机身材料以钢-铝为主。高强度的钢常被用作主承力的机身框架结构，铝合金则被用于机身蒙皮。以钢-铝材料制作的飞机机身，其强度、结构刚度以及抗弹能力都较木-布结构有了质的飞跃。二战中，主力战机机型例如美军的P51野马、F6F地狱猫以及英国的喷火式、德国的梅塞施密特Bf-109战斗机无一例外都采用了钢-铝结构。

第三阶段是从1950年到1979年。这个时期的机身材料以钢、铝、钛为主。在耐高温方面，美国与苏联走了两条截然不同的路线。美国走的是“高端路线”——钛合金。钛合金密度低，以钛合金制成的飞机结构质量较轻，然而其原材料价格偏高，不易加工。典型代表是美国设计的一款高空高速侦察机SR-71黑鸟，飞行速度可达3.35马赫。苏联则选择了“平民路线”——不锈钢。相比之下，不锈钢原材料易得、易加工，成本低廉。典型代表是苏制的米格-25，其机身80%的结构采用不锈钢制作，最大飞行速度达到2.8马赫。值得一提的是，设计米格-25的初衷是为了拦截SR-71。然而，由于其笨重的不锈钢机身，历史上SR-71曾多次袭扰苏联领空，却从未被成功拦截。

第四阶段是从20世纪80年代至今。材料学家经过长期探索，在已知的单质材料中，已找不到密度低于铝合金、强度高于不锈钢，且耐热温度接近钛合金水平的材料了。随着高性能耐热聚合物基体被合成，轻质、高强的碳纤维开始大规模生产，先进复合材料开始进入材料学家的视野。先进复合材料低密度，性能可设计、易成型。同等结构强度下，采用复合材料制作的机身较钛、铝、钢都能大幅度减重。现在美国第四代战机F-22、F-35等的复合材料用量高达24％和30％，俄罗斯最新五代机的复合材料用量也达到了15%。复合材料在先进战机上的大规模应用，标志着现代战机从“铝为主，钛、钢结构并存”的时代迈向“复合材料为主，铝、钛、钢结构共存”的新时代。

几经更迭，追求始终如一

从天然材料到金属材料，再到复合材料，几经更迭，机身结构材料的追求始终如一——“其坚如钢，其重如翎”。

其坚如钢，是指具有优异的强度与刚度。更高的材料强度可以赋予机身更优异的抗击打性能和更高的抗过载能力。优异的材料刚度则为机身结构带来更强的抵御变形能力。战机在高速飞行过程中，时刻承受气动载荷。如果抵御气动力变形的能力不够，轻则降低飞机的气动效率，重则会引发不可逆的变形进而导致机毁人亡。

其重如翎，就是指机身材料要具有较低的密度。战机的质量是影响综合性能的主要指标。过大的质量不仅会降低飞行速度、影响空中机动能力，还会缩短航程。机身结构材料在战斗机的质量中占比通常超过40%。因此，在结构材料上减重是增加战斗机综合性能的有效手段。

纵观结构材料的发展历史，做到“其坚如钢”的材料不少，能实现“其重如翎”的也很多，但同时兼具两种性能的结构材料屈指可数。为了便于比较材料“轻质高强”的能力，材料学家发明了“比强度”和“比模量”的概念。比强度是用材料的强度除以材料表现密度。同体积的材料，比强度越高，抗破坏的能力越强。比模量是用材料的弯曲度除以密度。同体积的材料，比模量越高抗变形的能力越强。

从木材到钛合金，机身结构材料经历数十年的发展，其比强度与比模量并未发生质的飞跃。直到复合材料、特别是碳纤维复合材料的出现，机身结构材料水平又上升到一个新高度。碳纤维复合材料的比强度是钛合金的3倍-5倍，比模量是钢材的2倍-3倍。这意味着，同等性能下，机身结构采用碳纤维复合材料相较于钛合金或钢材减重达到50%-80%。复合材料的耐热性能虽不及钢和钛合金，但部分型号也能达到300℃。此外，复合材料还兼具优异的加工性能与良好的耐腐蚀、耐候性能。最为重要的一点是，复合材料具有良好的性能可设计性。通过更换树脂与增强纤维的种类，以及添加不同的功能填料，可获得不同性能特性组合的复合材料。这种性能可设计性赋予了其“结构-功能一体化”的特性。这样一来，复合材料不仅可以具备承载性能，更兼具透波、吸波、隐身等功能特性。

当然，比强度和比模量并非材料学家选取机身结构材料的“唯二”标准。以钢材为例，钢材的比强度、比模量相较于铝合金、钛合金并没有优势。但其绝对强度较高，在对绝对强度与刚度以及服役温度要求较高的部位，诸如飞机防护系统、起落架、主承力框架、高温驻点等仍是无可替代的关键材料。直到今天，先进战机上仍有钢材的身影。

未来展望

随着航空材料学的不断发展，人们开始越来越多地使用起复合材料来，使用两种及以上的复合材料，结合了不同材料的优势，还能抵消它们各自的劣势。不同于传统的合金，近年来飞机上所用的复合材料，大都使用更加轻便的树脂基和碳纤维或玻璃纤维组件混合。比起合金，它们更加便于改造加工，完全可以按照设计图来制定不同部位的强度。还有一个优势就是，它们比金属更便宜。在国际民航市场上大受好评的波音787客机，就大规模使用了复合材料。

毫无疑问，复合材料是航空材料学领域在未来的重点研究方向，几种材料结合的模式，会创造出一加一大于二的成果，比起传统材料，它拥有更多可能性。未来的客机，以及更为高精尖的导弹、火箭和飞船等航天载具，都对材料的适应性和创新性有更高的要求。那个时候，也只有复合材料可以胜任。但是，传统材料肯定也不会那么快就退出历史舞台，它们也拥有复合材料所没有的优势。就算现在的客机，50％都是复合材料，剩下的部分还是需要传统材料。

不过，我们也可以畅想一下未来，随着更多全新复合材料的诞生，航天载具的性能也许会发展到，超乎你的想象。到那个时候，可能我们乘坐一架客机跨越洲际，甚至不用几个小时。

文章来源： ​复材云集，中国复合材料学会，aero-expert