大家好！今天非常高兴到绵阳来跟大家面对面的交流，今天我交流的题目是《一代材料，一代飞机》。除了前言后语，中间还有三个主要内容跟大家作个介绍。今天因为时间关系，我就快一点。
前言。一代材料，一代飞机，是航空发展史的真实写照。100多年来，材料跟飞机之间一直在相互依赖、相互促进这种辩证关系下面一起不断发展。航空结构材料通常处于材料领域的最前沿，其技术含量之高和技术难度之大，表明它无愧于高技术领域的一员，无愧于材料世界的天之骄子。现在给大家介绍一下航空结构材料的百年宏观变化。今天我只讲飞机机体的材料，第一阶段是木布结构，是用木头和布来做的材料。第二阶段是铝跟钢，是金属材料来做，因为飞机速度快了以后，木头和布是根本顶不住的。第三个阶段是上世纪50年代开始，那个时候由于超音速飞机出现，搞设计的人正在发愁，怎么样比强度更高的，能够节省结构重量的那些材料，选来选去，这个时候发现了钛合金，刚刚也是50年代成为一个工业性的金属，发现它强度高密度低等好处，然后就试了一试，试了以后非常合适，所以钛合金开始进入飞机的结构材料里面了。第四个阶段又发现复合材料，复合材料出现，它的比强度更高，因此出现了四种材料，但是那个阶段复合材料还不是首位，不是用得最多的，最多的还是铝合金之类的。这一阶段是第四阶段，而最后一个阶段也是我们21世纪初到现在这段时间，复合材料逐渐的变成首席材料了。因此同样还是四种材料，但是复合材料用得最多了。大家看一看钛合金，主要是比强度，钛合金比强度在600度以下，600度以上钛合金比强度下降显著而不如镍基高温合金，但600度以下其比强度高于铝合金和结构钢。
第二个大部分讲一讲钛合金用量不断创新高。这个是我讲的主要内容之一吧。我统计下来画了这张图，大飞机包括两个，一个是客机，一个是运输机，这两个在不同的国家不同的年代，到2020年，有一个统计，大家看得很清楚，这里面纵坐标是钛合金的用量，是指整个飞机结构总量里面钛合金占了多少百分比，大家看到随着年代的前移，钛合金用量越来越多。比如A380，这个钛合金用量是8%，A350XWB是14%，787是15%，那是最高的。也就是当前投入航线里面的飞机，具体用钛用得最多的是波音787，大飞机不是还包括军用运输机吗，C17它的钛合金用量是10.3%。这个是大飞机里面国外的情况。我们中国的情况呢，我们的民航小飞机是4.8%的钛，到C919，又上升到7.3到9.3%，根据情况可能还有一点变化，反正8%左右还是有的。所以这个是已经跟美国的777相当，美国的777也是比较先进的一个大客机，但是我们C919还没有美国最新的787那么多，但是我们以后还会不断的提升。大飞机里面还有一个大运，我们国家叫什么，运20，它的钛合金用量跟美国的C17是相当，也是10%左右，所以我们在那么大一个飞机里面用了10%的钛合金已经是不错了。为什么说还不错呢？因为钛合金相对比较贵，所以它不能到处都用，尽量用在刀刃上。所以这个飞机能够用到10%已经相当的钛合金数量了。这是大型飞机的情况。
那么其它军用飞机的情况呢，大家可以看到从美国的歼击机和轰炸机情况来看，可以看到它的趋势也很明显，原来比较少，慢慢就增加了，增加最多的是什么？F22，达到了最高峰了。你可以看到那边，F22是41%，整个结构总量里面占到了41%。F35也差不多27%。B1轰炸机是比较大的，是21%，B2达到了26%，那个B2轰炸机用的钛合金更多一些。为什么军用飞机F22钛合金坐上了第一把交椅，那是因为军用飞机最主要是打仗的时候要空中优势，要打得过人家，所以它要灵活，要速度，要高度，所以这样的话用钛贵一点也认了，所以可以多用一点，贵一点就贵一点，这个在军用飞机用得更多。其实历史上用量最大的飞机也不是F22，历史上曾经有个SR71，是一个高空高速的侦察机，外号叫黑鸟，因为它涂的一层黑色的隐身涂料。它的用量达到了93%的钛合金，可以号称全钛飞机，因为要飞得很高啊，马赫数要到3，马赫数3了以后，空气摩擦产生大量的热，飞机表面温度显著提高，飞机上面温度高了以后，铝合金根本没办法用了，所以必须用钛合金，因此用了更多。铝合金只能用到两三百度，钛合金可以到600度，飞行高度3万米，所以这样的飞机要更轻一点，飞得更高一点，所以这个是用了更多的钛。我们国家军用歼击机怎么样啊？我们的歼击机大家可以看到，从这里的歼8，我们歼8是2%的钛，比较少，歼10的时候高一点，也不够高，4%，歼11呢，我们15%了，歼20呢，20%了，歼31呢，我们是25%了。就是说我们国家的钛合金是越用越多。
军用航母上的飞机我们国家是歼15，歼15我们钛合金用量是20%，跟美国的舰载机最先进的是F18E／F，F18E／F它的钛合金用量是15%，我们歼15还要比它多用了一点。在航空母舰上的歼击机，应该多用一点钛，为什么呢？钛合金抗海水腐蚀性最好。铝合金和钢，不锈钢也不行。所以只有用钛合金在海水上面，接触海水的话，是顶呱呱的。这个时间关系不再说了。你看这个起落架的零件，在美国的777上用的，美国最大的液压机是45000吨，就45000吨上面压出来一个钛合金的大锻件，A380飞机更大，因此它的起落架更大，美国的45000吨液压机不行的，那么就在法国的65000吨上面的液压机上模锻出来这么一个模锻件，钛合金的。A380还有更大的起落架的零件，这个零件很大，重量是3210千克，它的长度是4米多长，所以这个呢，法国的65000也不行了，只有委托俄罗斯的75000吨，当时最大的液压机是俄罗斯的，有两台75000的，380就委托俄罗斯的75000锻出来特别大的钛合金的锻件来。787也有很大的起落架零件，这是更新的高强钛合金。我们国家在钛合金锻件也很多，比如歼20，这些都是钛合金典型的用的锻件，也就是说在飞机上，钛合金还是越来越多了。
下面讲一讲复合材料称雄的时代扑面而来。这个也有一个统计，主要是国外的统计，你可以看到复合材料越来越多，上面就是复合材料的件，到了787，已经到了50%，结构总量的50%是用复合材料，350本来是用了比较少一点，由于用的少了以后，消耗油就多，毕竟重了，所以没有787消耗油那么少，所以各航空公司大多预订了波音787。350一看不行了以后，马上就重新设计。复合材料用量提高至53％，也就是说，A350XWB这么一个型号用得更多。这里显示了复合材料用的比较多的几个典型的代表，各种各样的飞机都用得比较多，复合材料在这些飞机上都坐上了第一把交椅，也就是说用得最多的是复合材料。大家可以看到，直升机跟无人战机这个里面，用得更多，80%、90%这么一个水平，而我们现在通航，这里要搞通航，通航实际上有无人机、直升机，都在通航里面，所以这个通航里面复合材料更多一些。这个787用了50%以后，表面一看基本上都是复合材料。
你看除了这个红的，红的是什么？红的是铝合金，红的就一点点，还有黄的，下面黄的是金属，铝、钢等等。其他的三种颜色，这三种颜色全部是复合材料，是不同的复合材料，所以你一看，表面基本上都是复合材料，这就是趋势。我们国家的情况怎么样？我们国家的复合材料用量也不断提高。我们第三代歼击机是6%到9%，我们新型的歼击机歼20达到29%，已经首席了，铝合金是28%占第二位。复合材料占第一位了。运20目前是8%，商用飞机C919目前是12%，当然我们看来还要努力，因为主要目前我们起步得比较晚。因为时间关系就不想多说了。为什么用得越来越多呢？因为比强度高啊，现在价格越来越便宜啊，另外有新的工艺能够降低成本，所以导致复合材料越用越多。它的最大优点，可以做很大的本来要很多零件的，现在一个零件，这么大一个机身段，原来大家看看波音787，机身减少了多少呢，整体结构减少了1500个零件和4到5万个连接件，极大的减轻了结构重量，装配成本也大大的降下来了。这就是不同的自动化的情况，它带来的好处，所以自动化是以后的发展方向。复合材料一定要用。
最后讲讲铝合金和钢仍具有不可或缺的地位。这个比较简单的说一下。20世纪美国人推出了三个法宝，7150、7055跟2524，这三个是称为美国20世纪后期靠它来建立航空铝合金优势的三大法宝。当然21世纪出来一个7085，这是美国的最新法宝，这样还继续保持了它的优势。当然铝合金的发展也提高了铝合金的竞争力，因为铝合金必须要不断提高才行，不然生存就不行了。7085的出现，最新法宝，本来只能生产比较薄的锻件，厚的锻件不行，不能超过120毫米，现在可以生产厚250毫米的大锻件，7085就是强度很高，熔铸和热处理特性比较好。这样的大锻件是最大的一个大锻件，这是A380一个翅膀上面的大梁，这个大梁就是7085，目前最大的一个锻件。超高强度钢发展到现在，用得最多的还是很早以前就搞出来的300M钢，虽然其后又研制成功强度更高、韧性更好、抗蚀性更好的A100和S53超高强度钢，但由于300M钢已成熟应用和比较便宜，因此国内外民用客机迄今仍沿用了300M钢，我国的C919的起落架也选用了300M钢。然而，A100钢现在已被F22、F35等军用飞机用来制造起落架，适当贵一点就贵一点嘛。
最后就是后语了，我就念一下。我的生命已经度过了83个春秋，在航空领域和材料领域也已经奔波了61年，这一生最大的感悟是什么呢？我的最大感悟是材料世界真的很精彩，航空世界真的很精彩。整个科技世界真的很精彩。当然，这个世界也有不少事，让我们真的很无奈。有不少难题让我们真的很棘手，但这不能阻止我们去追求世界的精彩，任何人如果不能为这个世界的精彩贡献什么的话，就没有什么精彩人生可言了。衷心祝愿航空与材料相伴而行，共同前进，衷心祝愿伟大祖国早日从航空大国和材料大国发展成为航空强国和材料强国。
谢谢大家。
【曹春晓 中国科学院院士、国家大型飞机重大专项专家咨询委员会委员、材料科学家】
（本文内容根据“2017中国（绵阳）通用航空产业发展高峰论坛”嘉宾发言整理而成。）
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