材料在每个行业都很重要。但是，它们对航空航天制造商至关重要。如果公司为特定的应用程序选择了错误的材料，可能会产生灾难性的后果。

商用和军用飞机要经受各种各样的恶劣条件，如大气力量、极端温度和紫外线。当涉及到航天器时，材料变得更加复杂和具有挑战性。

航空航天工程师面临着许多独特的挑战。例如，飞机每次起飞和降落都经历20到-40摄氏度的温度变化，压力和湿度差异巨大。材料必须能承受机身内部的水冷凝和冻结。它们还需要经受雷击和电磁干扰。

一个世纪以前，第一代航空工程师忙于开发金属机身和机翼，以取代脆弱的木质机身和覆盖织物的机翼。随着飞机爬升得更高更快，铝最终成为了首选材料。

今天，铝仍然广泛应用于航空航天领域，但先进的碳纤维复合材料和高温合金现在吸引了工程师的注意力，他们竞相提高效率，优化性能和减轻重量。

说起来容易做起来难

更换较重的材料说起来容易做起来难。这就要求开发密度低、强度高的可行替代品。许多航空航天工程师正在努力寻找新的生产工艺和组装技术，以以低成本有效地连接不同的材料。

诺斯罗普·格鲁曼航空航天系统公司的技术研究员乔治·“尼克”·布伦说:“航空航天工业使用的材料极其复杂，因为制造商在开发新飞机的同时，必须经常支持旧项目。”

布伦解释说:“例如，在国防领域，公司通常会进行依赖于传统材料的飞机改装和更新。“与此同时，制造商也在不断开发新项目，需要尖端产品。

布伦说:“一旦材料合格，通常就不会改变。”因此，老旧的军用飞机，如F-18，使用的是铝、复合材料和钛的混合材料。但是，在最新的飞机设计中，复合材料日益成为主导材料。这种最近的趋势使工程师能够在不需要大量紧固件的情况下生产机身，而由于与钻孔、填充和沉孔相关的问题，这是一个很大的成本因素。”

当用紧固件连接传统材料时，有更多的孔需要钻和填充。通过将复合材料结构粘合在一起，航空航天工程师消除了这些令人头疼的问题。

布伦指出:“紧固件会产生许多与公差和堆叠有关的问题。”“它们还会造成损失时间的伤害和缺陷。

“然而，复合材料也有局限性，”布伦警告说。“例如，所有热点，如发动机-机身接口或发动机排气点，必须是金属的。由于存在高强度的应力，机翼连接点仍然含有大量金属。”

随着航空工业继续开发新型飞机，从高超音速导弹到电池驱动的城市空中机动车辆，轻质材料将最终决定它们的成败。

“飞行系统变得越来越高速，甚至进入超音速系统，这是音速的五倍，”佛罗里达州立大学高性能材料研究所主任Richard Liang说。“当你有这么高的速度时，表面会有更多的热量。因此，我们需要一个更好的热保护系统。

“航天世界越来越依赖碳纤维增强聚合物复合材料来建造卫星、火箭和喷气飞机的结构，”梁解释说。“但是，这些材料的寿命受到它们处理热量的方式的限制。”

先进材料

梁和他的同事们一直在试验使用碳纳米管来开发一种新型的隔热罩，以保护高超音速飞机。

梁指出:“现有的隔热层往往比它们所保护的基座要厚。”“(我们的新设计)可以让工程师建造一个非常薄的防护罩，就像一种皮肤，保护飞机并帮助支撑它的结构。”

“将石墨烯和相关材料集成到纤维增强复合材料中，在改善重量和强度方面有很大潜力，[它可以]帮助克服限制这些[材料]在飞机上应用的瓶颈，”石墨烯旗舰公司的副主任文森佐·巴勒莫(Vincenzo Palermo)说。这是一个与空客等制造商合作的欧洲组织。

石墨烯集成复合材料是通过在分层纤维复合材料中引入厚度为十亿分之一米的薄石墨烯薄片，作为纳米添加剂来改善材料的机械性能。

“石墨烯的高纵横比、高柔韧性和机械强度使其能够增强这些复合材料中的薄弱环节的强度，比如在两种不同成分之间的界面，”Palermo解释说。“它可调节的表面化学性质也意味着，与碳纤维和聚合物基质的相互作用可以根据需要进行调整。”

纤维、聚合物基体和石墨烯层共同作用来分散机械应力，从而产生一种强度更高的材料。

EWI的应用工程师Michael Eff表示:“无论目标是实现更轻的重量、增加疲劳寿命还是提高耐热性，材料的进步对于提高飞机性能至关重要。”“然而，新材料带来了大量的新挑战。”

Eff表示，在过去5年里，航空材料领域最大的发展是粉末合金的广泛使用，以及碳纤维复合材料与钛等金属的结合。

Eff表示，如今越来越多的航空航天制造商开始关注陶瓷基复合材料(cmc)和金属基复合材料(MMCs)。“与传统合金相比，cmc提供了更高的温度选择，”他解释道。mmc可以在不牺牲性能的情况下节省重量。”

cmc是理想的喷气发动机应用。它们是由陶瓷基体包围的涂层陶瓷纤维制成的。它们坚韧、轻便，能够承受比金属合金更高的300至400华氏度的温度。

EWI材料工程技术主管Alber Sadek表示:“CMC的广泛应用的一个关键问题是开发廉价、用户友好的连接方法，将大型组件组装成更复杂的结构。”“[这要求]接头的性能与母材相当，包括良好的机械强度、抗氧化和耐腐蚀性能、良好的抗热震性能和密封性。

Sadek补充道:“在许多使用CMC的高温应用中，需要将其与其他材料(如金属)连接在一起。“钎焊是许多陶瓷-金属接头系统的一种高效连接技术。然而，CMC和金属之间的热膨胀系数的差异需要专门的方法来适应由连接引入的机械应力。”

Sadek说，除了钎焊，其他CMC连接方法包括扩散连接、反应形成、微波连接、电子束连接和选择性区域激光沉积。

“材料性能的不匹配和冶金不相容使得加入cmc和mmc变得困难，”Eff警告说。“碳纤维很难连接到任何材料上，因为对这种材料没有太多经验。将mmc与传统铝合金相结合是很困难的，因为熔合技术无法提供所需的力学性能。”

美国空军研究实验室材料和制造部门首席科学家蒂莫西·邦宁博士补充说:“界面一直是任何材料系统或复合材料概念的致命弱点。”“正在探索新的(制造和设计)工具。

Bunning说:“我们也在探索无损评估工具，以验证不同材料的结构性能，如聚合物基体、陶瓷基体和金属-陶瓷复合材料。”“自动化、大数据和高效计算工具的融合，使我们能够通过智能、高效、计算的方式，而不是历史经验测试方法，探索包含许多元素的系统。”

Bunning预测道:“材料发现和设计的方法正变得数字化，并且随着不同的实验技术、建模方法和数据库被整合到未来的材料云中，材料发现和设计的方法将呈指数级加速发展。”

镁是另一种吸引航空航天工程师的轻质材料。这种结构金属的密度是铝的三分之二，钢的四分之一。镁也非常善于分散热量，比碳纤维复合材料更容易回收。

“镁广泛用于民用和军用直升机的变速箱、尾桨变速箱和一些军用战斗机的辅助变速箱，在这些地方，减轻重量是很重要的，以增加操作距离，”Alan Pendry说。伯明翰城市大学高级系统工程副教授，工程中心轻量化实验室主任．“它也被用于许多小型商业客机的前风扇框铸造，如巴西航空工业公司的ERJ145。”

一种可以从镁中受益的应用是客机座椅，这种材料可以大大减轻重量。

彭德里解释说:“如果飞机上每个座位的伸展器和腿的重量都能减少15%到18%，那么节省的燃料将是相当可观的。”“2013年，德国航空航天设计中心(German Aerospace Design Center)与国际镁协会(International magnesium association)联合对一架波音(Boeing)飞机的内部镁门部件进行了生命周期评估，结果显示，仅飞行10次后，总二氧化碳排放量就得到了降低。对于一架通常使用寿命为30年的飞机来说，(这一节省可能是巨大的)。”

彭德里表示，航空航天工程师也在研究尖端电动飞机中使用镁组件的情况。通过使用这种材料，电池支架和其他关键部件可以被设计成轻量化和控制热量扩散。不幸的是，镁仍然很贵。

彭德里指出:“成本一直是商业客机广泛使用镁的一个限制因素。”“除非有显著的吸收，否则这种情况将持续下去。(但是)就像任何铸造或机械零件一样，规模经济有助于改善每个零件的成本。

彭德里补充说:“历史上也有一种看法，认为镁很容易燃烧。“由于散热特性，对于更大的表面积来说，这是不正确的。(事实上)美国联邦航空管理局同意改变对客舱镁座椅部件的规定，因为镁座椅部件的安全性与铝合金座椅相当。

“与其他材料相比，镁部件的成本目前是一个问题，但利用率越高，价格就越低，”彭德里说。“我们需要教育航天工程师关于镁的安全性，并教他们如何使用镁而不是其他材料设计零件。我们还需要找到金属铸造中使用的昂贵工具的替代品，特别是适合一些更小众市场的短周期和小批量的工具。”

复合的挑战

在过去的20年里，碳纤维复合材料已经改变了航空航天制造业。这种轻质材料现在被广泛应用，包括机身、机翼、舱壁、头顶储物箱和其他部件。

布伦称:“复合材料将继续存在下去。”“在未来的15到20年里，我看不到任何新材料出现。事实上，我们才刚刚开始意识到纤维的好处。

布伦解释说:“例如，航空航天工程师一直在研究如何定位纤维，以实现柔性控制表面，最终取代传统的襟翼。”“而不是机械的线性激活的控制表面，纤维使他们能够进行机翼弯曲的实验。”

然而，复合材料仍然给航空航天工程师带来许多独特的挑战。

布伦指出:“我们可以对铝和钛进行时效测试，但没有办法对复合材料进行时效测试，因为它们的失败率往往很快。”此外，尽管胶粘接被广泛用于连接复合材料，但工程师在组装不同材料时仍然默认使用紧固件。

布伦说:“此外，结合机翼无法应对高空的极端大气和温度。”“航空航天工程师一直在寻找能够承受更高温度的复合材料。材料的性能一直在改善，但并没有突飞猛进。”

航空航天制造商在制造制造部件的模具时也面临许多棘手的问题。

布伦哀叹道:“当你铺好一个复合材料零件时，厚度可能会有±5%的变化。”“当你试图交配没有间隙或台阶的气流表面时，这会带来很大的挑战。事实上，这就是使用铝的最大好处;你总是会得到光滑的表面和公差。

布伦说:“但是，最近在复合材料的可变性方面取得了一些突破，这些突破带来了希望。”“例如，范德比尔特大学(Vanderbilt University)的工程师们正在研究一些有趣的方法来保持一致性。”

最近另一项改进复合材料制造的创新是Ascent Aerospace公司的HyVarC(混合InVar和复合材料模具)工艺。它是一种成本效益高、重量轻、交货时间短的过程，用于生产原型和开发应用的叠层工具。

Ascent Aerospace公司市场经理Marisa Bennett表示:“HyVarC结合了薄Invar备份结构和贴合的高温复合材料工作表面。该工具比传统的Invar涂层模具轻50%，交付时间短20%，同时保持同样卓越的真空完整性和尺寸精度。

Bennett表示:“HyVarC工具可以降低成本和交付时间，并提高工具的灵活性。“成本和交货时间一直是工具市场的关键驱动因素，但我们看到的最大客户影响之一是灵活性和可重构性。

Bennett解释说:“飞机开发周期的一个主要因素是模具交付时间和表面变化对模具的影响。”“对于一些项目来说，订购一个全新的工具要么太贵，要么花费太多时间，这可能会在很多方面阻碍整个过程。”

在一半的厚度的传统模具，薄因瓦备份结构需要更少的时间焊接和制造。它既是主模具又是可交付的模具，省去了创建第二个复合备份结构的时间和成本。与全invar或全复合工具相比，提前交货时间至少可减少20%。

Bennett补充道:“经过加工的复合材料工作表面比网络模具复合材料模具提供了更好的尺寸精度，而Invar结构提供了真空完整性和耐久性。”“在HyVarC模具上制造的零件被装入英瓦尔面板，这提供了独立于复合材料表面的真空可靠性，不会因老化或热循环而退化。

Bennett说:“我们发现客户对HyVarC工具的使用稳步增加，自该产品上市以来，已经制造并交付了40多个工具。”“我们的商店制作了各种形状和尺寸，从小型、复杂的整流罩和访问面板到大型机翼外壳和机身组件。

“HyVarC工具现在能够拥有一个完整的生产工具系统的任何功能，”Bennett说。“这包括边缘棒，钻孔功能和整体真空，以简化零件制造。

Bennett说:“更重要的是，我们已经开发了一种双马来酰亚胺复合材料工作表面，它非常适合更高温度(425华氏度或更高)的作业。”这种表面比标准的环氧树脂更坚固，将HyVarC解决方案应用到生产和开发项目中。”