【編者按】

8月17日，在2017年暑期院士專(zhuān)家系列科普講壇上，中國(guó)科學(xué)院院士曹春曉做了關(guān)于航空材料的演講。他在演講中講到，我們國(guó)家的軍用殲擊機(jī)的鈦用量也在不斷提升。我們殲8用鈦很少是2%，殲10用鈦4%，殲11用到15%，殲20用到20%，殲31用到25%，也算比較多。我們的運(yùn)20跟美國(guó)的C-17是相近的。美國(guó)的C-17叫環(huán)球霸王和我們的運(yùn)20雅號(hào)叫鯤鵬，用鈦量都是10%左右。其實(shí)兩個(gè)等級(jí)都差不多。

以下是曹春曉院士的演講全文，已經(jīng)本人審訂。

我今天講的題目是“一代材料、一代飛機(jī)”，這二者是辯證的關(guān)系。演講分幾個(gè)部分，除了前言、結(jié)語(yǔ)，中間有三個(gè)部分：鈦合金，復(fù)合材料，鋁合金和鋼。這些是飛機(jī)機(jī)體里主要的結(jié)構(gòu)材料。

“一代材料，一代飛機(jī)”是世界航空發(fā)展史的真實(shí)寫(xiě)照。一百多年來(lái)，材料與飛機(jī)相互依賴(lài)、相互推動(dòng)發(fā)展。航空結(jié)構(gòu)材料通常處于材料領(lǐng)域最前沿，其技術(shù)含量之高、技術(shù)難度之大，無(wú)愧為材料世界的天之驕子。

航空結(jié)構(gòu)材料一百多年來(lái)的宏觀變化一共分五個(gè)階段。第一階段是1903年美國(guó)兄弟發(fā)明了飛機(jī)，到20世紀(jì)10年代，飛機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)主要是木、布結(jié)構(gòu)，飛機(jī)的梁和框是由較好的木頭做的，蒙皮是由布做的。那時(shí)飛機(jī)速度不快，這樣的材料也可以頂?shù)米　?/p>

到了1920年代，飛機(jī)速度快了一點(diǎn)，木、布材料就頂不住了。從此以后，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料主要用鋁合金跟鋼。

接下來(lái)到了上個(gè)世紀(jì)50年代開(kāi)始到60年代，這一時(shí)段有個(gè)特點(diǎn)，就是鈦合金在全世界范圍出現(xiàn)了。1950年代，鈦合金作為工業(yè)新金屬材料出現(xiàn)在大家面前，搞設(shè)計(jì)的人一看，這個(gè)材料很適合用作飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料。然后，鈦合金正式成為航空材料，鋁、鈦、鋼三位一體組成了我們主要的結(jié)構(gòu)材料。

1970年代到21世紀(jì)，出現(xiàn)了復(fù)合材料。人們發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料比強(qiáng)度更高，復(fù)合材料逐漸進(jìn)入飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料里。

從21世紀(jì)初到現(xiàn)在，還是這四種材料，但是各自所占比重有變化。原來(lái)鋁合金為主，現(xiàn)在已經(jīng)以復(fù)合材料為主。

為什么會(huì)有這些變化，因?yàn)楸葟?qiáng)度。對(duì)飛機(jī)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)重量很重要，這是一個(gè)比強(qiáng)度問(wèn)題。比強(qiáng)度定義是單位密度的強(qiáng)度，也就是強(qiáng)度/密度。鈦合金在600度以下的溫度比強(qiáng)度最高，鋁合金跟鋼都不如鈦合金。鈦合金密度是4.51左右，比鋼要低很多。雖然二者強(qiáng)度差不多，但鈦合金比密度低，因此比強(qiáng)度高。鋁合金密度只有2.71，但是強(qiáng)度比鈦合金低很多，因此還是鈦合金比強(qiáng)度更高。當(dāng)溫度達(dá)到200、300度以后，鋁合金強(qiáng)度很快就降低了，溫度稍微高一點(diǎn)的地方，就必須要用鈦合金。

因此，鈦合金用量不斷創(chuàng)新高。大飛機(jī)的專(zhuān)項(xiàng)是兩大內(nèi)容，一是大運(yùn)，一是大客，軍用運(yùn)輸機(jī)也是大飛機(jī)專(zhuān)項(xiàng)的重要內(nèi)容。這兩個(gè)飛機(jī)鈦合金含量差不多，都是9%到10%。C919的鈦合金用量甚至和777相當(dāng)，已經(jīng)是比較先進(jìn)了。但是和波音787、A350相比我們的鈦合金用量還是有差距，他們用到14%到15%�，F(xiàn)在俄羅斯跟我們同時(shí)進(jìn)行MS21的研制，創(chuàng)造了鈦合金含量的記錄。為什么俄羅斯用了那么多?可能因?yàn)殁伜辖鹗撬�的�?qiáng)項(xiàng)，生產(chǎn)量也大，水平也可以，所以MS21鈦合金用量占比是25%，這是資料介紹的。很可能它創(chuàng)造了當(dāng)前最高的記錄，它剛剛首飛，比我們晚一點(diǎn)。

軍用飛機(jī)鈦合金用的更多，鈦合金主要缺點(diǎn)是貴。民用飛機(jī)更多考慮經(jīng)濟(jì)性，就不一定會(huì)用很多。鈦合金材料是是用在刀口上的。因?yàn)橐�保證打仗要的空中優(yōu)勢(shì)，所以在軍用飛機(jī)上用的更多一些。最高的記錄是F22，這個(gè)飛機(jī)用了41%的鈦，復(fù)合材料24%，鋁合金只有15%，原來(lái)都是鋁合金為主，現(xiàn)在是鈦合金為主了。F35也不少，有27%的鈦。美國(guó)的轟炸機(jī)用鈦也很厲害，B1轟炸機(jī)是21%，B2轟炸機(jī)用到26%。那么大的轟炸機(jī)用到了26%的鈦。

歷史上鈦量用的最多還是SR-71，高空偵查機(jī)。它的鈦用量是93%，這個(gè)叫黑鳥(niǎo)，因?yàn)樗�涂了黑顏色的材料。它的飛行速度達(dá)音速3倍，飛行高度有時(shí)候是30000米，有的時(shí)候24000米，反正是飛得很高很快。它與空氣摩擦，機(jī)體表面溫度很高，必須要用鈦合金，它93%是用的都是鈦合金，所以它號(hào)稱(chēng)是鈦飛機(jī)。

我們國(guó)家的民用飛機(jī)還是在不斷前進(jìn)的。比如說(shuō)ARJ21用了4.8%，到C919已經(jīng)用到9.3%。

我們國(guó)家的軍用殲擊機(jī)的鈦用量也在不斷提升。我們殲8用鈦很少是2%，殲10用鈦4%，殲11用到15%，殲20用到20%，殲31用到25%，也算比較多。我們的運(yùn)20跟美國(guó)的C-17是相近的。美國(guó)的C-17叫環(huán)球霸王和我們的運(yùn)20雅號(hào)叫鯤鵬，用鈦量都是10%左右。其實(shí)兩個(gè)等級(jí)都差不多。

航空母艦上的戰(zhàn)機(jī)，我們用的鈦相當(dāng)多。美國(guó)最先進(jìn)的艦載機(jī)F-18E/F的用鈦量是15%，我們艦載機(jī)殲15飛鯊的鈦合金用量達(dá)20%。

鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的典型零件是起落架和轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架可以轉(zhuǎn)彎，6個(gè)輪子上面有一個(gè)橫梁，橫梁要承受很大的力量，所以這根梁很重要。很多飛機(jī)的這個(gè)部件都用鈦合金，美國(guó)的波音777用是鈦合金10-2-3，它鍛造出來(lái)的模鍛件很大，45000噸液壓機(jī)就鍛出來(lái)這么一個(gè)鍛件。飛機(jī)更大以后，起落架零件也更大。有的是在法國(guó)65000噸的液壓機(jī)上鍛出來(lái)的。還有更大的比如A380，這根梁更大，它的鍛件重量是3210千克，就是3噸多的重量。這個(gè)鍛件靠65000噸液壓機(jī)就不行了，他們不得不委托俄羅斯，用俄羅斯75000噸的液壓機(jī)鍛這根橫梁。航空需要大鍛件，我們以后搞更大的飛機(jī)，比如929，也許我們的鍛件也會(huì)越來(lái)越大。四川德陽(yáng)二重近期自主研制了8萬(wàn)噸的模鍛液壓機(jī)，這是世界上最大的模鍛液壓機(jī)。

波音787的起落架上面的零件都是美國(guó)用更好更強(qiáng)的鈦合金制造的。我們國(guó)家航空用的鈦合金零件也很多，比如我們殲20就用了不少鈦合金鍛件。

下面講一下復(fù)合材料，復(fù)合材料稱(chēng)雄的時(shí)代撲面而來(lái)，來(lái)勢(shì)洶洶。這幾年復(fù)合材料發(fā)展非�？�，復(fù)合材料越來(lái)越多，A380有25%，這是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，然后到了波音787有50%用復(fù)合材料。波音787用的復(fù)合材料多了以后，油耗減少，然后航空公司都要787，這促進(jìn)了A350設(shè)計(jì)的重大修改，A350XWB的復(fù)合材料用量提高至53%，比美國(guó)的波音787用的還多，這說(shuō)明了復(fù)合材料在飛機(jī)上越用越多的趨勢(shì)。不少其他各種各樣飛機(jī)的復(fù)合材料用量都躍居首位。

我們國(guó)家復(fù)合材料在殲擊機(jī)用的還可以，但還是需要不斷再發(fā)展。我們殲20用到了29%。軍用運(yùn)輸機(jī)Y20目前是8%，商用飛機(jī)ARJ21為1%，我們C919打算用到12%，今后還要不斷改進(jìn)。

為什么機(jī)體的材料結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)以復(fù)合材料為首選的新格局?一個(gè)是價(jià)格便宜了，而性能越來(lái)越好。它能夠減輕結(jié)構(gòu)重量，是因?yàn)楸葟?qiáng)度高，而且容易使結(jié)構(gòu)整體化。飛機(jī)上零件很多，設(shè)計(jì)者希望零件越少越好，比如鉚釘?shù)�，這樣就大量節(jié)省出結(jié)構(gòu)重量。復(fù)合材料特別容易整體化，幾十個(gè)小零件變成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)件，就解決問(wèn)題了。

舉個(gè)例子，波音787機(jī)身有幾段，每一大段就是一個(gè)零件。這樣的大零件組裝起來(lái)很快，幾段一拼，機(jī)身就出來(lái)了，這是復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)。F35進(jìn)氣道彎彎曲曲的也是弄了復(fù)合材料，節(jié)省了很多重量。復(fù)合材料成本越來(lái)越低，是因?yàn)樗�采取的是新工藝。原�?lái)人工鋪，現(xiàn)在自動(dòng)鋪，再加上其他新工藝，成本就降低了。

即便如此，鋁合金跟鋼仍有不可或缺的地位。不能說(shuō)用了鈦合金和復(fù)合材料，它們就不用了，至少在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里面離不開(kāi)鋁合金和鋼。鋁合金跟鋼比較便宜，有些地方能用它就用它，這個(gè)暫時(shí)還是不會(huì)消失的。

在原有鋁合金的基礎(chǔ)上，不斷有新的合金推出來(lái)，上個(gè)世紀(jì)，美國(guó)推出來(lái)三大法寶，7150、7055、2524。美國(guó)用這三大法寶后，建立了航空鋁合金在全球的優(yōu)勢(shì)。鋁鋰合金的發(fā)展也提高了鋁合金的競(jìng)爭(zhēng)力，鋁鋰合金比普通的鋁合金輕，比強(qiáng)度要高，因?yàn)殇囀呛茌p的，比水還輕，加2%的鋰進(jìn)去以后，比強(qiáng)度也提高了不少。

7085是21世紀(jì)問(wèn)世的最新法寶，也是美國(guó)發(fā)明的。這個(gè)法寶可以做特大的鍛件，原來(lái)鋁合金不能太厚，最多是120毫米厚，而7085可以做到250毫米厚。因此，有一些大鍛件就用了它。比如說(shuō)A380，機(jī)翼一個(gè)模鍛件那么大，這是世界上投影面積最大的航空鍛件，就是7085做的。

超高強(qiáng)度鋼現(xiàn)在大量用的是300M鋼，C919用的起落架就用的300M鋼，300M鋼之后又發(fā)展了A100鋼，A100鋼的強(qiáng)度更高，但是它的成本也高一點(diǎn)。所以現(xiàn)在民用飛機(jī)，一般還得用300M鋼。但是軍用飛機(jī)，比如F22等已開(kāi)始用A100鋼，貴一點(diǎn)就貴一點(diǎn)。我們的C919起落架就用的是300M鋼，所以鋼還有它自己的定位。

我的生命已度過(guò)了83個(gè)春秋了，在航空領(lǐng)域和材料領(lǐng)域也已經(jīng)奔波了61年。我這一生最大的感悟是什么呢?材料世界真的很精彩，航空世界真的很精彩，科技世界真的很精彩。

當(dāng)然，這個(gè)世界也有不少事讓我們很無(wú)奈，不少難題真的很棘手，但這不能阻止我們?nèi)プ非笫澜绲木�彩。任何人如果不能為這個(gè)世界奉獻(xiàn)什么的話，就沒(méi)有精彩人生可言了。

衷心祝愿航空與材料相伴而行共同前進(jìn)，衷心祝愿?jìng)ゴ笞鎳?guó)早日從航空大國(guó)和材料大國(guó)發(fā)展成為航空強(qiáng)國(guó)和材料強(qiáng)國(guó)。

（本次講壇由上海市新聞出版社，上海市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主辦，上海市科普作家協(xié)會(huì)，上�？茀f(xié)大講壇管理辦公室和新華網(wǎng)科普中國(guó)科技前沿大師談承辦。）