从木材到复合材料—飞机材料体系翻天覆地的转变

一个多世纪以前，大概在1903年的12月，莱特兄弟第一次载人飞行在北卡罗来纳州的基蒂霍克市进行。这是第一架动力驱动、可控制且重于空气的飞机。其核心部件用木材、金属丝和织物建造。也是从那时起，人们关注到飞机结构材料的重要性，在材料上的研究逐步取得重大进步。

莱特飞行器由各种类型的木材、金属丝和不同密度的织物所制造。莱特兄弟用云杉做机翼直的部分，如翼梁。白蜡木用于曲面，包括机翼的肋骨。木制框架上覆盖着一层精细编织的棉布，用石蜡基帆布漆密封。机体上的金属配件是钢制的。

上下翼板采用了平纹棉布。机翼的前缘用热封编织固定住金属丝。机翼肋在多个位置突出，便于系在金属丝上。

为了给飞机提供动力，二人设计了一台12马力的轻型汽油发动机。发动机重约82公斤，油箱为3.78升。发动机的核心由坚硬的铝铁框架、铸铁活塞和轮链驱动，火花点由铂构成，其余部分由钢和铸铁制成。

现代的机身

在20世纪中期，航空制造商改进了机身设计，将速度和安全性结合起来。早期设计的重大进步使飞机得以飞得又快又高。福特Tri-Motor，第一架客机，是用铝制造的。铝是一种坚固而轻便的材料，兼具安全性和强度。更多完全由铝制成的圆形机身开始出现。机翼由左、右和中间部分组成，使用各种金属制造，并用螺栓连接在一起。

副翼、方向舵、襟翼和升降舵等控制面由铝合金框架制成。在一些飞机上，如道格拉斯的DC-3，控制面被织物覆盖。生产工艺和设备限制了机翼层流所需的表面平滑度。机翼上方的紊流会导致升力中断和阻力增加。

制造商通过在设计中加入各种金属合金来增强结构强度。包括钢和钛的其他金属开始被大量使用，应用于更加现代的喷气客机结构。波音747主要结构是用铝合金制造的，另外大量部件也是用其他金属和合金制造的。

这些金属耐热、耐腐蚀，为机体提供了巨大的强度支持。通过完善设计的加持，制造商确保即使部分失效也不会发生结构的完全失效。如果机体的某一特定部位因疲劳而断裂，机体的应力蒙皮将防止结构的整体失效。

复合材料结构

在20世纪70年代早期，法国和德国在新成立的空客公司开始了一个全新的项目：空中客车A300。这架飞机的设计为两舱结构，可搭载250名乘客，飞行距离为5,375公里。虽然主要依然使用金属和金属合金制造，但它是第一架使用复合材料的商用飞机。A300的垂直稳定器采用了特殊的复合材料。

加工技术和精度的进步使机翼表面更加光滑，从而允许层流更加顺畅。持续的层流在较大的机翼面积上最小化了总机翼阻力。机翼前缘的材料组合（金属合金和碳纤维增强复合材料）在不同飞行状态下均表现不俗。

在关键结构部件上使用轻质复合材料，使最近的飞机具有超高的燃油效率。波音787梦想飞机和空客A350 XWB飞机的50%以上的结构都采用了轻质复合材料。

碳纤维增强塑料等复合材料的强度超过了许多传统金属，包括铝和铁。此外，CFRP复合材料比铝轻得多，耐腐蚀性大大提高。CFRP是通过对原碳纤维进行受控热处理而制造的。单独的线被捆绑在一起形成纤维基质，然后用树脂硬化。高质量的复合材料与精确成型的纤维片被用来达到所需的刚性水平。

大量使用轻质材料有助于减少当今飞机的净燃油消耗。较轻的结构比传统的铝结构携带更多的有效载荷更远。陶瓷基复合材料也被设想为金属合金的轻量化替代品，其密度接近材料的三分之一，但具有优越的物理和热性能。飞机在高温应用中使用陶瓷基复合材料，包括在发动机部件中的使用。

陶瓷基复合材料包括嵌入陶瓷基质中的陶瓷纤维的组合。从碳-碳到碳-碳化硅和铝，陶瓷基复合材料根据应用采取各种形式。在陶瓷基复合材料制造过程中，纤维在被基体材料浸润之前以所需的形状或形式堆积。沉积基体材料后，进行必要的加工。进一步的处理，如涂层或浸渍，可根据材料要求进行。

燃气涡轮发动机中使用的陶瓷基复合材料通常由碳化硅、陶瓷纤维和陶瓷树脂制成。这些都是通过复杂的渗透工艺制造的，并通过涂层进一步增强。这种陶瓷基复合材料提供非常高的抗热震性和冲击韧性。