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航空新材料

航空新材料的前沿发展趋势，包括先进合金材料、形状记忆合金、高性能复合材料、热塑性复合材料、先进智能材料、结构一体化材料以及增材制造技术。随着这些技术的不断成熟，它们有望在未来航空工业中扮演更加关键的角色，开启飞行的新纪元。

01先进新型合金材料

在传统航空用铝合金基础上，通过成分与工艺改性，开发具有优势性能的先进新型合金材料可有效实现飞机结构减重。

具有代表性的陶铝新材料是以铝合金材料为基体，通过原位生成纳米陶瓷颗粒强化相复合而成，以实现铝合金基体的塑性、韧性与强化相的高强度、高模量的优化组合，满足材料在复杂应用场合下的需求。目前，陶铝新材料在航空、航天和汽车工业有着广泛的应用前景。

铝镁钪合金以其优异的可焊接与耐腐蚀性性能成为另一种极具竞争力的商用飞机潜在应用材料。相较6XXX系铝合金，铝镁钪合金具有更高的静力、疲劳与损伤断裂性能、优异的焊接性能和更好的耐腐蚀性能。目前德国莱茵铝业AA5024、AA5028等中高强度铝镁钪合金已列入空客材料采购目录。空客研发的Scalmalloy高强度铝镁钪合金已经用于增材制造，在2016年，空客用该材料3D打印了机舱隔断，帮助空客A320客机实现了瘦身。

此外，飞机大尺寸主承力结构对高强度钛合金和损伤容限型钛合金具有强烈的需求，以Ti-1023为代表的针对损伤容限设计需求的高强高韧钛合金具有比强度高、断裂韧性好、淬透性好、锻造温度低、耐疲劳性能好，抗应力腐蚀性能强等特点，可应用于起落架等主承力结构代替Ti-6Al-4V，可实现减重20%的收益，对提高结构效率，降低油耗量、成本等具有重要作用和积极意义，其已在空客A320、波音777等飞机获得应用。

02形状记忆合金

形状记忆合金（SMA）是一类智能金属材料，具有感应和驱动一体化特性，即“材料即器件”。

形状记忆合金具有形状记忆效应和超弹性两大特性，该特性使其可以很好地应用在航空工业领域。在温度或电流作用下形状记忆合金可发生自驱动效应，无需马达、电机等复杂驱动器件。以形状记忆合金材料制备的智能驱动装置，由于重量轻、变形连续协调、相对变形量较大、无噪声、易于控制等特点而成为新型折叠翼梢、变体机翼、防除冰前缘、降噪短舱等智能结构的热门方案。其具有以下特点：驱动条件简单；输出力和输出位移较大，能满足一些需要大变形和高输出力的需求；空间需求小，设计与布置灵活；静强度高，不容易损坏；无污染和噪声等。

形状记忆合金在未来民机上具备较大的应用潜力，波音、空客针对SMA作动器、闩锁类机构已经进行了专利布局。变形机翼方面，SMA也存在一定的应用价值，其中南京航空航天大学的学者在缩比验证机上研制了基于栅格结构的变高度翼梢小翼以及采用SMA弹簧驱动的变倾斜角翼梢小翼。

民用飞机活动面结构是实现飞机飞行操控、增升的重要结构。目前，该类结构的作动主要通过不同形式的作动器实现，如液压作动器、电液作动器等，这些传统形式的作动器相对重量较大。面对未来民用飞机更经济、更环保的迫切要求，飞机减重需要从各方面综合考虑。在飞机活动面结构作动器方面，有研究表明，SMA作动器相对于传统作动器可实现减重50%以上。NASA和波音公司共同合作开展的“SAW（Spanwise Adaptive Wing）”项目针对SMA作动器，从材料、工艺、结构到缩比平台验证和全尺寸平台验证，将SMA作动装置在飞机上的应用进行了技术可行性论证。

03高性能/耐温复合材料

复合材料不论是纤维还是基体都有繁多的种类，由它们组合而成的复合材料种类更多。航空复合材料需要拥有比一般复合材料更好、更稳定的性能。碳纤维树脂基复合材料比强度和比模量高，材料性能的可剪裁性好，成型工艺具有多选择性，以及良好的耐疲劳性能和抗腐蚀性能等，已在航空领域广泛应用。目前，碳纤维复合材料的运用已成为衡量民机先进性的重要标志之一。除此以外，以陶瓷基复合材料为代表的耐温复合材料等也成为民机实现结构轻量化的潜在途径。

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2014年3月，东丽公司利用传统的PAN溶液纺丝技术，精细控制碳化过程，采用先进的纳米技术，在纳米尺度上改善碳纤维的微结构，使其强度和模量都得到大幅提升，从而研制成功T1100G级别的高性能碳纤维，其模量提升至324GPa、强度提升至7.0GPa。日、美相关企业和机构都明确表示高性能碳纤维的应用目标是航空航天高端市场，旨在替代目前正在广泛使用的碳纤维产品，提高飞机结构部件强度、刚度等综合性能，减薄结构厚度、减轻重量，提高飞行速度，大幅提升机动性能。

全球最大的一级航空结构制造商Spirit Aerosystems公司基于T1100推出创新型复合材料机身壁板，并预计该壁板能够降低未来复合材料机身30%的生产成本。2022年，Overair公司宣布与东丽复合材料美国公司合作，使用新一代T1100/3960高性能材料建造“蝴蝶”电动垂直起降飞行器的主要机身部件。随着航空飞行器技术快速发展，更加严酷的极端环境对飞机材料提出了更高的要求，对低温绝热、耐高温材料及抗辐射等极端环境材料的发展与应用提出迫切需要。对高超音速飞机而言，无论是飞机表面还是内部动力装置都产生了越来越明显的高温问题，对材料的耐高温性能提出了更高的要求。高温/热防护材料方面包括先进高温合金和陶瓷基复合材料、超高温陶瓷、高温隔热材料、耐火材料以及热防护涂层技术等。

04热塑性复合材料

纤维增强热塑性复合材料是指以碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等材料增强的热塑性树脂的复合材料。

与热固性复合材料相比，连续碳纤维增强热塑性复合材料具有出色的冲击后压缩性能、高断裂韧性、可循环利用、存储成本较低、工艺周期短等优点，可用于使用环境较为苛刻、承载能力要求较高的场合。并且，由于热塑性复合材料结构件之间可焊接成型，无需钻铆，可大大降低结构的重量和制造成本、提高结构效率。目前，航空用热塑性复合材料体系包括CF/PPS、CF/PEEK、CF/PEKK等，分别用于功能性结构件和主/次承力结构件。此外，尼龙、PI 等热塑性材料体系也有应用。

世界各主要国家均极为重视对热塑性复合材料的研究。近年来，在欧盟以及空客、福克航宇等航空制造企业的强力推动下，热塑性复合材料在民机上频频崭露头角，在一些部件上成为热固性复合材料的有力竞争对手。最具代表性的应用有空客A340和A380飞机上使用的热塑性复合材料机翼前缘和龙骨梁结构。前缘的蒙皮与肋的连结，采用了先进的热塑性焊接技术。同时，空客在A350飞机上应用了PEEK先进复合材料的机身连接角片，其数量多达3000多个。可负担的航空主结构热塑性材料组织（TAPAC）于2011年研制出可用于平行尾翼等结构的热塑性复合材料扭力盒段以及带有加筋结构的热塑性复合材料机身壁板等典型结构件。

2024年，弗劳恩霍夫制造工艺与应用材料研究所（IFAM）宣布，其与合作伙伴联合完成了长8米、直径4米的热塑性复合材料机身演示验证件，是目前世界上最大的碳纤维增强热塑性复合材料机身部件。该项目中使用的材料和制造技术可在高速生产过程中减轻约10%的结构重量，并降低10%的成本。

05先进智能材料

智能材料和结构将传感器、驱动器、控制元件与机体结构融为一体，不仅具有承受载荷、传递运动的能力，而且具有检测（应力、应变、损伤、温度、压力等)、变形（改变结构外形和位置以获得最佳气动特性）、改变结构特性（结构应力应变分布、结构阻尼、固有频率、周围电磁场分布）等功能。智能材料的诞生使结构不但具备承载功能，还具备感知（自检测能力）、判断决策（自处理能力）甚至执行功能（自愈合和自适应能力）。

目前，碳纳米管、石墨烯等纳米材料因其良好的热学、电学和光学性能成为智能材料领域研究的热点。此外，形状记忆合金、压电材料及电流变体材料等智能材料也因其良好的监测反馈集成性而逐渐得到广泛应用。智能复合材料的损伤敏感性随近年国内外大量研究而迅速提升，其在损伤监测中的应用已成为研究热点。

民机智能复合材料的实现将依托三种方式：

一是将石墨烯或碳纳米管粉体分散于基体材料中，通过在复合材料变形过程中纳米材料的结构电阻的变化实现基体材料监测；

二是将纳米材料通过特定方式形成导电薄膜状网络结构，通过材料变形过程中导电网络结构电学性能的变化实现监测；

三是将纳米材料涂覆于其他纤维材料表面，提高纤维材料的导电性，通过变形过程中导电纤维电阻的变化来监测结构变形。这种材料从微观结构感知到宏观参数反应实现了自感知、自检测、自适应的目的。

针对该领域的集中研发，有望在材料制备、传感特性等方面进一步突破，以在民机未来型号中发挥重要作用。在复合材料中预置或附加形状记忆合金、压电材料及电流变体材料等智能作动材料，实现对复合材料结构的振动噪声控制、形状控制和基体增强，可以显著提高复合材料的使用效率，满足服役环境对复合材料结构的特殊要求。智能结构与材料科学、信息科学、仿生学和生命科学等诸多前沿学科密切相关，具有巨大的应用前景，并可能引发结构设计、制造、维护和控制等观念的革新。

06结构一体化材料

随着民航环保需求的不断提升，世界各国先后启动了清洁天空项目，通过对新材料、新工艺、新技术的合作研究，减少燃油消耗和碳排放。结构功能一体化复合材料被认为是未来具有较大结构减重潜力的技术手段之一，其实现途径为将民机功能需求集成到现有结构中实现，将承载和功能结构合二为一。

现有的国际先进机型已经实现了特定部位的结构功能一体化，如波音787采用的电热防除冰前缘和空客A350采用的金属条带+ 结构件的雷击防护网络等。相比于传统的气热除冰需铺设大量管路，电热防除冰一体化结构不需额外的结构铺设而节省了重量，且其热效率是气热方法的1.5倍以上；而通过导电材料与结构的功能一体化设计，可以提高结构复合材料的导电能力，实现对机体结构和系统的有效保护。此外，承载储能复合材料结构技术是目前备受关注的研究方向，其特点是使复合材料结构在满足承载功能的同时，具备一定的电存储性能，从而实现飞机重量的有效降低。随着低空经济的发展，目前自重较大的电池动力系统制约了无人机的续航里程以及有效承载能力。以碳纤维为载体的结构储能复合材料有望节约载荷空间，减轻系统重量，提高电池能量密度，因此，成为了国内外高校和研究所的研究热点。

此外，飞机结构除了要承受飞行载荷，还要满足闪电防护、隔音降噪、防冰除冰、防火耐火等需求。传统的功能结构设计往往带来结构重量增加，导致飞行成本上升、经济性下降。石墨烯和碳纳米管等纳米材料、仿生材料、形状记忆合金材料等在光学、电学、力学、声学等方面具有优异的性能，其在航空结构上的应用将实现功能结构一体化设计，实现结构减重增效，具有广阔的前景。例如，石墨烯薄膜与复合材料机翼蒙皮一体化结构，可实现机翼蒙皮防除冰、闪电防护等功能，省去闪电防护铜网、引气防除冰管路等结构重量；波音777-300发动机喷口通过使用SMA材料实现构型变化降低噪声；南京航空航天大学采用SMA弹簧驱动实现变倾斜角翼梢小翼的验证机。纳米技术、仿生技术、新型功能材料的发展为民机结构功能一体化设计提供了可能。综上，结构功能一体化设计与制造有望为解决飞机功能问题提供新方法和新途径，同时也有望提升机体结构的效率、经济性和竞争性。

07增材制造

增材制造（Additive Manufacturing）又称3D打印，是一种集材料工程、机械工程、计算机工程、激光与电子束等多领域多学科交叉融合的成形技术。

它以计算机三维数模为基础，通过软件对数模进行分层，使用粉末或丝材的原材料逐层打印进行构造，实现复杂结构零件的一体化成形、特殊结构零件的个性化定制与设计需求的快速响应。

与传统的制造工艺相比，增材制造可以提升零件设计的灵活性与自由度；实现复杂零件的一体成形，提高零件的整体性能和质量；提升材料利用率，减少材料浪费；便于进行零件原型验证和个性化定制。这些优点使得增材制造在航空航天、汽车、医疗等多个领域得到了广泛的关注与应用。

增材制造的以上优点较好地契合了民用飞机减重降本、快速响应的目标与需求，因而在民机制造领域一直备受关注，波音、空客和中国商飞均已实现了增材制造件的装机应用。随着技术成熟度进一步提高，增材制造在民机产业的应用也将会不断地拓展。

金属增材制造

从所使用材料来分类，增材制造可分为金属增材制造和非金属增材制造。

金属增材制造是以金属粉末/ 丝材为原料，以高能束（激光/ 电子束/ 电弧/等离子束等）作为能量源，来制造高性能金属构件的新型制造技术。根据制造原理，又可将金属增材制造技术分为粉末床熔融（Powder Bed Fusion，PBF）技术和定向能量沉积（Directed Energy Deposition，DED）技术。

粉末床熔融技术于1994年由EOS取得专利。该技术将均匀的粉末层供给至沉积平面上，并引导能量源的能量在指定位置照射粉末使其熔融固化。当一个平面完成后，能量将被引导至下一个平面重复该过程直到零件成形完毕。

定向能量沉积技术最早于1995年由美国Sandia国家试验室开发成功。该工艺通过将金属粉末或丝材输送至基板，并聚焦激光束、电子束或电弧等能量源于粉末床上，从而形成多个小型熔池并连续沉积材料，最终实现一体成形。根据所选能量源的不同，DED 技术也可分为激光金属沉积、电子束增材制造、电弧增材制造等多种技术。

非金属增材制造

与金属增材制造技术类似，非金属增材制造技术将非金属材料丝材或粉末原材料进行逐层打印并最终成形。民机产业常用的两种非金属增材制造技术为熔融沉积成形和选区激光烧结。非金属增材制造件常用于功能性内饰件与功能性次承力件。

熔融沉积成形（Fused Deposition Modelling，FDM） 技术于20世纪80年代由美国Stratasys公司的创始人Scott Crump博士发明，该技术通过将热熔性丝材加热熔化，将熔化的丝材沿切片软件确定的路径从喷头处按一定速度挤出。挤出的丝材在平台上凝固后，喷头将会抬升并进行下一层的成形。

FDM技术不涉及激光、高温高压等环境，技术较为简单，设备体积较小，操作简单，打印成本与维护成本也相对低廉，原材料在整个成形过程中不涉及化学变化，零件的翘曲与变形较小，可选择ULTEM9085、聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PA）等多种常用工程塑料作为原材料进行打印。但它也有一些较为明显的缺点：表面粗糙度较高；成形过程中需要支撑结构进行支撑，打印完成后支撑去除较为复杂且会在表面留下痕迹；由于打印工艺的限制，FDM技术制造的零件在垂直成形方向的强度明显弱于其他打印方向，各向异性问题显著。尽管具有较多缺点，但FDM技术成熟度高、操作简单、价格低廉，现已广泛应用于飞机非金属内饰件的制造。

选区激光烧结（Selected Laser Sintering，SLS）技术由Carl Deckard博士于1989年发明，该技术通过激光器，将平铺在平台上的材料粉末分层烧结成形。当一层截面烧结完成后，新的粉末将会平整地铺在已烧结的截面上并烧结下一层。当所有截面烧结完成后，通过清除多余粉末得到完整成形的零件。通过SLS技术制造的零件具有更好的性能与更小的各向异性，在民机制造领域具有较高的应用价值。

钛合金增材制造

钛合金增材制造件已在多个型号上实现装机应用。2016年，空客使用Ti-6Al-4V增材制造对A350XWB连接架进行了设计优化并实现装机，这也是金属增材制造件第一次在型号上实现装机应用，该零件如图所示。空客采用钛合金增材制造技术对该零件进行结构优化，成功将零件重量减少30%以上，大大缩短了交付周期并降低了制造成本。

铝合金增材制造

空客A350XWB型号垂直尾翼支架使用AlSi10Mg进行增材制造，将30个零件集成设计为1个零件，减重高达30%，并将制造周期从70天成功缩短至19个小时，大大缩短了制造周期。

空客A320轻量化仿生机舱隔离结构，采用空客子公司APWORKS 研发的第二代Al-Mg-Sc合金Scalmalloy®️ 进行选区激光熔融（SLM），减重45%，成本降低75%，实现了型号减重降本的设计需求。

树脂基复合材料的增材制造

对于增材制造，最为常用的复合材料为纤维增强的树脂基复合材料。纤维增强的树脂基复合材料由短切的或连续的纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体，采用一定的成形工艺复合而成，已广泛应用于航空航天、汽车制造等领域，具有高比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成形以及特殊电磁性能等特点。纤维增强复合材料在航空航天领域的大量应用不但减轻了结构重量，而且通过结构和功能的一体化设计可提高装备的性能和质量。

目前常用的增材制造复合材料通常以PEEK、PEKK 和尼龙等材料为基体，使用碳纤维或玻璃纤维对基材进行增强并提高材料的各项性能。2019年，美国最大碳纤维制造商生产的基于碳纤维与PEKK的HexPEKK-100材料完成认证，并使用选区激光烧结（SLS）技术为波音777X 制造管路件等零部件，其重量相比原有的铝合金件减轻了约50%。下图展示了部分波音777X的复合材料管路件。

增材制造的挑战

在民机产业，包括波音、空客与中国商飞在内的多家公司都在积极推动增材制造在民机产业的应用，并在多个型号上实现增材制造件的装机应用。民机产业对于材料的性能与可靠性有着极高的要求，适用于传统制造技术的材料未必同样适用于增材制造技术。因此，开发出适合增材制造技术的高性能材料并建立严格完整的质量控制与认证体系尤为关键。

文章来源：国家新材料产业资源共享公众号，侵删