铝合金的竞争者

自二三十年代金属材料全面取代天然材料作为飞机结构材料以后，铝合金逐渐占据统治地位，成为飞机最主要的结构材料，到 70 年代以后，新型复合材料逐渐取代铝合金，成为铝合金的强有力竞争者。

复合材料在飞机上的应用首先是军用飞机，尤其以战斗机首当其冲。美国空军战斗机上使用的复合材料占结构材料的比例逐步增加，70 年代

进入服役期的 F—15 机上使用复合材料 218 磅，占结构重量的 7％左右；到80 年代进入服役的 F18 战斗机上，使用的复合材料增加到 1169 磅，占结构重量的 13％；而后来的垂直起降战斗机 V—88 上，机翼和前机身的主要受力构件都由复合材料制成，占结构总重量的 26％，而 F—117 战斗机的机体结构几乎全部由复合材料制成。

使用复合材料来制造飞机对减轻飞机重量的效果是明显的，F—15 减重仅 2％；F—18 减重 8％；Ar—88 减重达到 15％。由于飞机自身重量减轻，耗油量减少，飞行距离更远，作战范围更大，机动性更强。所以，由于使用了碳纤维，战斗机轻装上阵，威力更大了。

一名 Fll7 飞机驾驶员撰文描述了他驾驶飞机的体会。他写道，他驾驶F117 飞机在天空游弋，简直是神不知鬼不觉，他甚至可以看见地面的雷达站，而雷达站却对他毫无觉察。

F117 是专门设计制造的“隐形”战斗机，而 B—2 则是能够隐形的大型轰炸机。这种飞机的外型非常奇特，像一只巨大的蝙蝠，而且呈流线性。这种外型是经过计算特地制造成这种模样以逃避雷达“千里眼”的侦察。我们知道，雷达向天空发射电磁波，这种电磁波波长为 1～100 毫米，属微波波段。当电磁波碰到飞机时，就被反射回去，雷达的天线接收到这些反射回去的电波，就会在荧光屏上描出亮点，雷达对这个亮点定位计算，就知道飞机出现的方向和距离。隐形飞机的奇特外形使它反射回去的电波极少，少到雷达不能觉察。同时，经过处理的碳纤维能够吸收电磁波。B—2 和 F117 是用碳纤维增强复合材料做成骨架和外面的蒙皮的，没有金属表面，也没有金属铆钉反射雷达波。当雷达发射的微波照射到隐身飞机时，通过碳纤维的电磁波被吸收，而通过碳纤维间的热塑性树脂的电磁波也被树脂吸收，没有电磁波回去“报信”，自然雷达站的荧光屏上见不到飞机的身影了。

用作军用飞机复合材料的增强纤维主要是碳纤素，此外还有少量芳纶（开伏勒）纤维，用作基体的塑料有环氧树脂和热塑性树脂，也有少量聚酰亚胺树脂等。

飞机发动机主要由金属制成，而且在飞行时喷出大量灼热气体，也发射出大量红外线，如果红外线被敌方探测到，飞机也会现出原形，因此，在飞机发动机喷口外面设置了许多栅条来屏蔽雷达波，还要采取措施屏蔽红外线，把飞机的红外线发射减到最小，这也是飞机能隐身的重要因素。

飞机隐形是一项综合性技术，复合材料的应用，既减轻了飞机自身重量，又帮助了飞机隐身，真是一举两得。

军用飞机重视飞机的先进性、战斗力、威慑力等军事方面的因素，有时能承受很高的成本和造价。民用飞机一般用于商业性飞行，更重视成本和效益。先进材料如果不能带来经济利益就不会有人采用。安全性更是航空公司首先要考虑的问题，一旦出现事故就会给公司造成巨大经济损失，大型民航客机上往往乘坐二三百甚至三四百人，更不能存在丝毫隐患。铝合金经过多年使用，加工技术已经成熟，加工所需要的工艺设备、生产线已经专门化，如果采用新材料，就不能利用现有生产线，必须重新建立生产线，增加设备投资。在这样严格的条件限制之下，复合材料还是部分取代了铝合金，在民航机上占有一席之地，成为铝合金的有力竞争者。

美国和日本联合研制了全复合材料飞机 Artek—400，是一种 6～9 座客货两用飞机。构成复合材料的纤维有玻璃纤维、碳纤维和芳族尼龙纤维，玻璃纤维和碳纤维占 21％，79％是杜邦公司生产的芳族尼龙开伏勒，作为基体的树脂是道化学公司生产的环氧树脂。由于全部使用复合材料代替铝合金，机身重量只有 2.5 吨，比铝合金飞机轻一半。飞机在 1984 年 9 月试飞，起飞

时飞机在跑道上滑行 380 米就升空了，比通常的金属飞机缩短了一半。飞机

时速达到 780 公里，最大航程 4200 公里，耗油量是同类飞机的一半。

美国研制了一架全复合材料的小型飞机旅游者号（Voyager），组成复合材料的增强纤维 90％以上是碳纤维。飞机的结构重量只有 453 公斤。由于飞机重量轻，节省油料，同时自重轻也能装载更多的油料（达三吨多），这架飞机不加油、不着陆连续飞行 9 天，飞行距离 40252 公里，创下了飞机在大气层连续飞行时间最长、飞行距离最远的纪录。

航天线上服务的大型客机的安全至关重要，而且要通过严格的鉴定和审核。复合材料是以前未曾使用过的新材料，缺少作鉴定和审核的标准和依据，欧美一些国家已经开始制定关于复合材料结构的适航鉴定条例。

尽管如此，大型客机上使用的复合材料日益增多。波音公司设计生产的大型客机 B757、B767、B737、B747 都采用了复合材料代替金属制件，如方向舵、升降舵、主起落架舱门等。在比较新的机型上，如 757、767，连一些作机身骨架的肋条以及机翼都用复合材料制成。另一家大公司麦道公司正在进行大型客机的复合材料机翼和机身的预研，目标是把机身减重一半，成本要下降四分之一。

与波音公司旗鼓相当的竞争对手是欧洲空中客车公司，他们在复合材料的使用上也积极行动，大型民航客机 A320 上的垂直尾翼就是用复合材料制成的。

用作波音 757 机翼、机身的复合材料的增强纤维是芳族尼龙纤维，也叫芳纶、开伏勒、开伏那。这是一种高分子化合物，它是由苯环和酰胺键组成的大分子，因为一些带有苯环的化合物具有芳香气味，所以称芳香族、芳族。而主链有酰胺键的聚合物都称为尼龙，所以称为芳族尼龙、芳纶，杜邦公司出售的商品名 Kevlar，所以按读音翻译又有开伏勒、卡伏勒之类许多读音相近的名称。

芳纶的力学性能很好，它的拉伸强度高于不锈钢丝与石墨纤维相同，就是说要拉断同样粗细的丝，不锈钢丝比芳纶容易断。芳纶的抗冲击强度比碳纤维高几倍。芳纶比重只有 1.44，比碳纤维低，只有铝的一半，钢铁的 5.4

分之一，比玻璃纤维差不多轻一半。芳纶还有很高的耐热性，不熔、耐火。用芳纶制成的复合材料强度也很高，因此被用作大型客机的结构材料。

芳纶是尼龙的一种。尼龙是最早的合成纤维，但至今仍是纤维中的佼佼者。三十年代卡洛瑟斯研制成尼龙 66，1940 年出售第一批尼龙袜，弹性高、耐磨、售价很高，只有电影明星才穿得起。锦纶的化学结构是尼龙 6，是尼龙家族的另一成员。以后又陆续出现了尼龙 4、9、12、6、10 等许多品种，大多作工程塑料用，它们结构上相差不大，是同系物。芳香尼龙在结构上以苯环作主链，所以带来了一系列不同性质。

芳纶的分子非常刚硬，在溶液中能形成棒状排列，成为液晶结构。这一点是很不寻常的，因为一般的高分子在溶液中会形成线团状结构。把这种液晶从喷丝头喷出，拉伸形成纤维，称为液晶纺丝。液晶纺丝后成为芳纶。芳纶中尼龙大分子基本上还保持着伸直状态，平行排列，因此芳纶的力学性能好，强度非常高。在锦纶及一般纤维中，高分子链来回折迭形成结晶态，在结晶态之间还夹着非晶态。因此，芳纶纤维的结构也不同于普通纤维结构。环氧树脂是常用的复合材料基体，这是两端带有环氧基的化合物，根据

分子量不同和分子中所含环氧基团数目，以及分子结构的差异而有许多牌号的商品出售。环氧基团在酸、酸酐、氨类以及一些化学试剂作用下容易打开，发生化学反应形成交联的固体大分子，这个过程叫固化。

固化后的环氧树脂的力学性质、耐热性随着所用的固化剂不同而有很大差异，一般地说，在高温下固化的树脂耐热性好。但无论使用什么固化剂，环氧树脂的长期使用温度难以超过 200℃。

更高性能的材料能耐 250℃～350℃高温，在这些情况下，要使用聚酰亚胺树脂作基体。

热固性树脂的缺点是性脆，冲击韧性低，此外，要连接各个部件必须用铆接或粘接，不如焊接方便。此外，由于不溶解和不熔融，大型制品一旦出现不合格，很难修补，也不能回收，就造成浪费，提高了成本。

因此，在一些情况下，可以使用像尼龙、聚酯这类塑料。这类塑料加热到一定温度能够成为粘稠液体，可以流到模子里，冷却后就按模子形状形成制品，所以称为热塑性（这也是塑料这个名称的由来）。实际上，考虑到树脂强度，与纤维复合的能力等因素，对所用的树脂是有严格选择的。例如波音公司把石墨纤维和聚砜复合，代替铝合金做飞机蒙皮。在隐身飞机的复合材料中，是以热塑性树脂作为基体，比热固性树脂有更好的吸收雷达波的能力。