一：復(fù)合材料就是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，重量輕強(qiáng)度高
傳統(tǒng)的飛機(jī)制造以鋼、鋁、鈦合金為主要材料，這三者各有千秋，在結(jié)構(gòu)中各司其職。超高強(qiáng)度合金鋼的密度最大（超過7.8g/cm³），相同體積下最重，但在三者中能達(dá)到的絕對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)最高，適用于對(duì)尺寸和強(qiáng)度要求都最為苛刻的部位。比如除了輕型、超輕型飛機(jī)外，現(xiàn)代高性能起落架的材料，唯有使用超高強(qiáng)度合金鋼進(jìn)行鍛造一途可選。所謂3D打印、鈦合金起落架之類的新聞，都是宣傳上的噱頭，不足為信。
圖：波音747起落架
相同體積下鋁合金部件的重量最輕（密度2.8g/cm³），但是強(qiáng)度也最低，此外它對(duì)于高溫的耐受能力很差。而鈦合金（密度4.5g/cm³）則介于鋼、鋁合金之間，同體積部件比鋼材輕很多，強(qiáng)度和耐熱性比鋁合金高很多。它適合用于飛機(jī)上的主承力結(jié)構(gòu)、高溫結(jié)構(gòu)——比如發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室附近；可以取代鋼材、鎳基合金以減輕重量，取代鋁合金以減少空間占用。但是由于加工困難，鈦合金部件的成本一直很高。
而現(xiàn)在越來越流行的復(fù)合材料，它的主要取代對(duì)象正是傳統(tǒng)飛機(jī)上應(yīng)用比例最大、構(gòu)成輕質(zhì)結(jié)構(gòu)主體的鋁合金，在要求較低的場合下也能取代一部分鈦合金。在談及飛機(jī)等航空器時(shí)，我們所指的復(fù)合材料主要都是指纖維增強(qiáng)塑料（fiber reinforced plastic）；它是以高性能纖維作為增強(qiáng)體，用樹脂作為基體將纖維粘結(jié)在內(nèi)部并固化成型的高性能塑料。
由于玻璃纖維性能較低，鎢絲芯硼纖維高毒性、高成本，而芳綸纖維對(duì)環(huán)境耐受性不好（水分、紫外線）等諸多因素；目前在復(fù)合材料中應(yīng)用最廣、最具有代表性的則是PAN（聚丙烯腈）碳纖維。
圖：波音787鋪設(shè)復(fù)合結(jié)構(gòu)機(jī)身，圖中黑色束狀物就是由預(yù)浸過樹脂的碳纖維所組成
飛機(jī)制造上應(yīng)用廣泛的7050、7075等鋁-鋅系高強(qiáng)度鋁合金，在放棄韌性等其它重要性能的極端情況下，最高強(qiáng)度也只能接近0.65GPa，一般在0.43-0.46GPa左右。第一種實(shí)用化的碳纖維T300系列，其抗拉強(qiáng)度在1971年試驗(yàn)性生產(chǎn)時(shí)就達(dá)到了2.8GPa，現(xiàn)階段的T300J則達(dá)到4.21Gpa。而波音787上使用的是更高級(jí)的T800S，抗拉強(qiáng)度達(dá)到5.88GPa。
與密度達(dá)到2.8g/cm³左右的鋁合金相比，先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料密度一般在1.45-1.6g/cm³左右；而拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到1.5GMPa以上，超過鋁合金部件的3倍，接近超高強(qiáng)度合金鋼制部件的水平。這種密度低而強(qiáng)度剛度高的優(yōu)勢，使飛機(jī)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件在獲得與先進(jìn)鋁合金部件在強(qiáng)度剛度等綜合性能方面相當(dāng)?shù)乃綍r(shí)，重量可以大幅減少20~30%。
二：復(fù)合材料使民用飛機(jī)性能提升巨大
波音787等新一代復(fù)合材料飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)的性能提升，并不僅僅是低密度材料減重得來。實(shí)際上復(fù)合材料在工藝、結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)上，都有著傳統(tǒng)金屬材料所完全無法具備的優(yōu)勢。比如復(fù)合材料可以做出超大尺寸的整體結(jié)構(gòu)部件，而且尺寸大小不會(huì)隨著溫度高低而產(chǎn)生變化。
圖：波音787機(jī)身的基本制造原理與實(shí)物
以波音787的機(jī)身為例，它由數(shù)個(gè)分段組成，分段主體都是單個(gè)完整的復(fù)合材料筒狀結(jié)構(gòu)。它的大概制造原理是首先制造出復(fù)合材料長桁，將這些長桁固定在成型模具上并涂膠；然后利用碳纖維鋪放機(jī)將預(yù)浸過熱固性樹脂的碳纖維按照設(shè)計(jì)好的角度和層數(shù)纏繞鋪設(shè)在旋轉(zhuǎn)的成型模具上形成筒狀的復(fù)合材料殼體，然后送入熱壓罐內(nèi)進(jìn)行高溫固化一體成型。而要用金屬材料做出這樣的結(jié)構(gòu)，至少在目前是完全不可能的。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一體化效益明顯。波音787每一個(gè)機(jī)身段都因此取消掉了1500個(gè)左右的鋁合金板件和40000~50000個(gè)緊固件。這不僅帶來了額外的大幅減重收益，而且極大的減少了裝配環(huán)節(jié)的成本。
圖：波音787 的一個(gè)機(jī)身分段主結(jié)構(gòu)件，這個(gè)狀態(tài)下還沒有任何的緊固件
復(fù)合材料飛機(jī)裝配成本降低其實(shí)還存在另一個(gè)因素：結(jié)構(gòu)部件隨溫度高低熱脹冷縮而帶來的尺寸變化問題被消除了。金屬材料中確實(shí)存在著熱膨脹系數(shù)很低的種類，比如殷鋼；但用于制造飛機(jī)的鋼鋁鈦卻基本上都不具備這種特點(diǎn)。尤其是大型飛機(jī)的尺寸巨大，溫差會(huì)使接頭、安裝孔的尺寸都會(huì)出現(xiàn)比較明顯的變化；帶來很大的裝配難度和額外的加工成本。
事實(shí)上在強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)、裝配環(huán)境溫度一致性之前，夏天制造的飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量普遍不如冬天制造的，原因就是夏季的溫差要大得多。仰仗于碳纖維的熱膨脹特性很低、甚至為負(fù)，飛機(jī)的復(fù)合材料部件可以做到0膨脹系數(shù)，外形尺寸不隨溫度高低而變化。
依靠復(fù)合材料，設(shè)計(jì)師還可以做出傳統(tǒng)金屬材料所無法達(dá)成的氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)——比如超聲速飛行的前掠翼飛機(jī)。由鈦、鋼、鋁這些傳統(tǒng)材料制造出來的金屬飛機(jī)部件，其原子、晶體的分布都是相當(dāng)均勻的，這使它內(nèi)部在各個(gè)方向上的力學(xué)性能都高度相同。而由碳纖維對(duì)性能進(jìn)行增強(qiáng)的復(fù)合材料則完全不同。比如對(duì)于碳纖維都以單向鋪設(shè)的部件來說，在順著纖維方向和垂直方向這兩種情況下，強(qiáng)度等力學(xué)性能相差1~2個(gè)數(shù)量級(jí)——也就是十倍、百倍的差距。
圖：雖然做不出F22、J20那樣的高機(jī)動(dòng)飛行，但波音787 的機(jī)翼變形過程中一樣蘊(yùn)含著人類現(xiàn)階段頂級(jí)的空氣動(dòng)力學(xué)水平
這種各向異性、而且可以進(jìn)行人為設(shè)計(jì)的特性，催生了被稱之為氣動(dòng)彈性剪裁的技術(shù)。設(shè)計(jì)師通過調(diào)整機(jī)翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中各個(gè)鋪層的方向角度、厚度、順序；機(jī)翼剛度完全可以在各個(gè)方向上都滿足針對(duì)性的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而控制機(jī)翼飛行中產(chǎn)生的彈性形變向?qū)π阅苡欣姆较虬l(fā)展。在設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)那闆r下，它能使飛機(jī)以更低的重量、更小的飛行阻力，獲取高的多的升力表現(xiàn)。
三：復(fù)合材料的劣勢
雖然復(fù)合材料有著諸多好處，但是波音787仍然保留了20%的鋁，15%的鈦，10%的鋼，這是復(fù)合材料不耐高溫、不耐沖擊的特點(diǎn)所決定的。碳纖維本身雖然不怕熱，但是將其粘結(jié)成型的樹脂基體卻很難耐受高溫；尤其是波音787上普遍使用的環(huán)氧樹脂類產(chǎn)品，一般最大工作溫度不高于150攝氏度。F22由于存在超聲速巡航需求，飛機(jī)外表會(huì)長時(shí)間與空氣高速摩擦；因此在機(jī)翼復(fù)合材料上不惜使用韌性更差、更不耐沖擊的雙馬來酰亞胺樹脂基體以獲得260攝氏度的最大工作溫度。波音787的鈦、鋼結(jié)構(gòu)中，就有相當(dāng)一部分是用于發(fā)動(dòng)機(jī)吊架等高溫結(jié)構(gòu)。
圖：發(fā)動(dòng)機(jī)吊架等部位不能使用復(fù)合材料
波音787上的鋁合金結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)的則是預(yù)防飛鳥撞擊的功能，以避免復(fù)合材料在高能量沖擊下直接解體引發(fā)災(zāi)難性事故。這源自于復(fù)合材料的兩個(gè)缺陷：首先它一層與一層之間的結(jié)合力非常薄弱，而一旦出現(xiàn)分層的情況，就會(huì)對(duì)其整體性能造成嚴(yán)重的破壞。其次用以粘結(jié)碳纖維、形成復(fù)合材料整體的樹脂基體的韌性都很差。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)往往更怕的是日常的低能量沖擊：比如被維修人員失手掉下的扳手給砸了——這就足以導(dǎo)致它形成內(nèi)部的層間缺陷，然而從外表卻很可能根本看不出痕跡。當(dāng)一個(gè)復(fù)合材料部件的沖擊損傷在表面已經(jīng)可以勉強(qiáng)目視發(fā)現(xiàn)時(shí)，它內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)大范圍的基體開裂和分層，強(qiáng)度可以驟降到無損狀態(tài)的40%。事實(shí)上飛機(jī)復(fù)合材料部件最多的損傷就是在維護(hù)過程中各種碰撞、拆卸而產(chǎn)生的。
在傳統(tǒng)的鋼、鈦、鋁合金部件加工過程中，人們幾乎不需要考慮中毒的問題，環(huán)境污染也很易于控制，但是對(duì)復(fù)合材料部件生產(chǎn)來說這就完全不同了。雖然碳纖維本身主要是腈綸纖維碳化以后剩下的單質(zhì)并無毒性，作為復(fù)合材料基體的樹脂類材料也多數(shù)無毒或者低毒；但是促使液態(tài)樹脂的小分子交聯(lián)成三維立體高分子變成固體結(jié)構(gòu)的固化劑，以及各種有機(jī)溶劑、助劑，它們帶來的毒性和污染問題一直比較嚴(yán)重。
四：全復(fù)合材料飛機(jī)的大規(guī)模使用仍然存在諸多限制
無論是利用纖維走向帶來的各向異性力學(xué)特性，還是纖維與基體本身性能的不同組合，都給復(fù)合材料提供了極大的設(shè)計(jì)自由度。但是這種特性也對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝提出了非常高的要求。如果力學(xué)設(shè)計(jì)與材料特性不能良好匹配、原料和工藝設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制水平不足，那么復(fù)合材料的性能和可靠性將會(huì)遠(yuǎn)不如鋁合金材料。
圖：只有高度先進(jìn)的自動(dòng)化機(jī)械化加工，才能滿足大型復(fù)合材料構(gòu)件工藝控制要求
和金屬材料相比，目前復(fù)合材料不僅在設(shè)計(jì)、分析、失效理論目前仍然很不成熟，對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和使用經(jīng)驗(yàn)的依賴性非常高；就是在使用維護(hù)的過程中，其探測、修理的手段也多有不同。在損傷探測上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需要很多針對(duì)性的新型設(shè)備，而且修理手段也以膠粘、固化處理為主；這不僅需要全新的技能培訓(xùn)體系和規(guī)章制度，而且對(duì)人員素質(zhì)的要求非常高。
復(fù)合材料在飛機(jī)上大量應(yīng)用的時(shí)間還比較短，所以它的環(huán)保性回收問題目前大眾關(guān)注度很低。傳統(tǒng)金屬材料都有著較好的回收性，回爐熔煉又可以變成新的原料。但廢棄的熱固性復(fù)合材料難以降解，并不能簡單的填埋了事。目前最主流的處理方式只能是將其焚燒；不僅大量產(chǎn)生燃燒不完全的高毒、高致癌污染物，而且也浪費(fèi)了昂貴的碳纖維。而溶解掉樹脂基體，回收碳纖維的技術(shù)目前仍在探索中，現(xiàn)階段仍不能擺脫高能耗、有機(jī)溶劑高毒高污染等問題，并不能大量推廣。
結(jié)語：
使用復(fù)合材料作為飛機(jī)主要材料，在獲得高性能的同時(shí)，承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)與付出的環(huán)保代價(jià)一樣不少。這個(gè)世界上從來都不存在偉光正的先進(jìn)材料，正所謂世上安得兩全法、不負(fù)如來不負(fù)卿？（候知?。?br />
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