聽曹春曉院士講軍用飛機中的材料
8月17日，在2017年暑期院士專家系列科普講壇上，中國科學院院士曹春曉做了關于航空材料的演講。他在演講中講到，我們國家的軍用殲擊機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20跟美國的C-17是相近的。美國的C-17叫環球霸王和我們的運20雅號叫鯤鵬，用鈦量都是10%左右。其實兩個等級都差不多。
以下是曹春曉院士的演講全文，已經本人審訂。
我今天講的題目是“一代材料、一代飛機”，這二者是辯證的關系。演講分幾個部分，除了前言、結語，中間有三個部分：鈦合金，復合材料，鋁合金和鋼。這些是飛機機體里主要的結構材料。
“一代材料，一代飛機”是世界航空發展史的真實寫照。一百多年來，材料與飛機相互依賴、相互推動發展。航空結構材料通常處于材料領域最前沿，其技術含量之高、技術難度之大，無愧為材料世界的天之驕子。
航空結構材料一百多年來的宏觀變化一共分五個階段。第一階段是1903年美國兄弟發明了飛機，到20世紀10年代，飛機機體的結構主要是木、布結構，飛機的梁和框是由較好的木頭做的，蒙皮是由布做的。那時飛機速度不快，這樣的材料也可以頂得住。
到了1920年代，飛機速度快了一點，木、布材料就頂不住了。從此以后，飛機的結構材料主要用鋁合金跟鋼。
接下來到了上個世紀50年代開始到60年代，這一時段有個特點，就是鈦合金在全世界范圍出現了。1950年代，鈦合金作為工業新金屬材料出現在大家面前，搞設計的人一看，這個材料很適合用作飛機的結構材料。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構材料。
1970年代到21世紀，出現了復合材料。人們發現復合材料比強度更高，復合材料逐漸進入飛機結構材料里。
從21世紀初到現在，還是這四種材料，但是各自所占比重有變化。原來鋁合金為主，現在已經以復合材料為主。
為什么會有這些變化，因為比強度。對飛機來說，結構重量很重要，這是一個比強度問題。比強度定義是單位密度的強度，也就是強度/密度。鈦合金在600度以下的溫度比強度最高，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。雖然二者強度差不多，但鈦合金比密度低，因此比強度高。鋁合金密度只有2.71，但是強度比鈦合金低很多，因此還是鈦合金比強度更高。當溫度達到200、300度以后，鋁合金強度很快就降低了，溫度稍微高一點的地方，就必須要用鈦合金。
因此，鈦合金用量不斷創新高。大飛機的專項是兩大內容，一是大運，一是大客，軍用運輸機也是大飛機專項的重要內容。這兩個飛機鈦合金含量差不多，都是9%到10%。C919的鈦合金用量甚至和777相當，已經是比較先進了。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%。現在俄羅斯跟我們同時進行MS21的研制，創造了鈦合金含量的記錄。為什么俄羅斯用了那么多？可能因為鈦合金是它的強項，生產量也大，水平也可以，所以MS21鈦合金用量占比是25%，這是資料介紹的。很可能它創造了當前最高的記錄，它剛剛首飛，比我們晚一點。
軍用飛機鈦合金用的更多，鈦合金主要缺點是貴。民用飛機更多考慮經濟性，就不一定會用很多。鈦合金材料是是用在刀口上的。因為要保證打仗要的空中優勢，所以在軍用飛機上用的更多一些。最高的記錄是F22，這個飛機用了41%的鈦，復合材料24%，鋁合金只有15%，原來都是鋁合金為主，現在是鈦合金為主了。F35也不少，有27%的鈦。美國的轟炸機用鈦也很厲害，B1轟炸機是21%，B2轟炸機用到26%。那么大的轟炸機用到了26%的鈦。
歷史上鈦量用的最多還是SR-71，高空偵查機。它的鈦用量是93%，這個叫黑鳥，因為它涂了黑顏色的材料。它的飛行速度達音速3倍，飛行高度有時候是30000米，有的時候24000米，反正是飛得很高很快。它與空氣摩擦，機體表面溫度很高，必須要用鈦合金，它93%是用的都是鈦合金，所以它號稱是鈦飛機。
我們國家的民用飛機還是在不斷前進的。比如說ARJ21用了4.8%，到C919已經用到9.3%。
我們國家的軍用殲擊機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20跟美國的C-17是相近的。美國的C-17叫環球霸王和我們的運20雅號叫鯤鵬，用鈦量都是10%左右。其實兩個等級都差不多。
航空母艦上的戰機，我們用的鈦相當多。美國最先進的艦載機F-18E/F的用鈦量是15%，我們艦載機殲15飛鯊的鈦合金用量達20%。
鈦合金在飛機結構上應用的典型零件是起落架和轉向架。轉向架可以轉彎，6個輪子上面有一個橫梁，橫梁要承受很大的力量，所以這根梁很重要。很多飛機的這個部件都用鈦合金，美國的波音777用是鈦合金10-2-3，它鍛造出來的模鍛件很大，45000噸液壓機就鍛出來這么一個鍛件。飛機更大以后，起落架零件也更大。有的是在法國65000噸的液壓機上鍛出來的。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。這個鍛件靠65000噸液壓機就不行了，他們不得不委托俄羅斯，用俄羅斯75000噸的液壓機鍛這根橫梁。航空需要大鍛件，我們以后搞更大的飛機，比如929，也許我們的鍛件也會越來越大。四川德陽二重近期自主研制了8萬噸的模鍛液壓機，這是世界上最大的模鍛液壓機。
波音787的起落架上面的零件都是美國用更好更強的鈦合金制造的。我們國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。
下面講一下復合材料，復合材料稱雄的時代撲面而來，來勢洶洶。這幾年復合材料發展非常快，復合材料越來越多，A380有25%，這是一個轉折點，然后到了波音787有50%用復合材料。波音787用的復合材料多了以后，油耗減少，然后航空公司都要787，這促進了A350設計的重大修改，A350XWB的復合材料用量提高至53％，比美國的波音787用的還多，這說明了復合材料在飛機上越用越多的趨勢。不少其他各種各樣飛機的復合材料用量都躍居首位。
我們國家復合材料在殲擊機用的還可以，但還是需要不斷再發展。我們殲20用到了29%。軍用運輸機Y20目前是8%，商用飛機ARJ21為1%，我們C919打算用到12%，今后還要不斷改進。
為什么機體的材料結構會出現以復合材料為首選的新格局？一個是價格便宜了，而性能越來越好。它能夠減輕結構重量，是因為比強度高，而且容易使結構整體化。飛機上零件很多，設計者希望零件越少越好，比如鉚釘等，這樣就大量節省出結構重量。復合材料特別容易整體化，幾十個小零件變成一個整體結構件，就解決問題了。
舉個例子，波音787機身有幾段，每一大段就是一個零件。這樣的大零件組裝起來很快，幾段一拼，機身就出來了，這是復合材料的優點。F35進氣道彎彎曲曲的也是弄了復合材料，節省了很多重量。復合材料成本越來越低，是因為它采取的是新工藝。原來人工鋪，現在自動鋪，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。不能說用了鈦合金和復合材料，它們就不用了，至少在相當長時間里面離不開鋁合金和鋼。鋁合金跟鋼比較便宜，有些地方能用它就用它，這個暫時還是不會消失的。
在原有鋁合金的基礎上，不斷有新的合金推出來，上個世紀，美國推出來三大法寶，7150、7055、2524。美國用這三大法寶后，建立了航空鋁合金在全球的優勢。鋁鋰合金的發展也提高了鋁合金的競爭力，鋁鋰合金比普通的鋁合金輕，比強度要高，因為鋰是很輕的，比水還輕，加2%的鋰進去以后，比強度也提高了不少。
7085是21世紀問世的最新法寶，也是美國發明的。這個法寶可以做特大的鍛件，原來鋁合金不能太厚，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A380，機翼一個模鍛件那么大，這是世界上投影面積最大的航空鍛件，就是7085做的。
超高強度鋼現在大量用的是300M鋼，C919用的起落架就用的300M鋼，300M鋼之后又發展了A100鋼，A100鋼的強度更高，但是它的成本也高一點。所以現在民用飛機，一般還得用300M鋼。但是軍用飛機，比如F22等已開始用A100鋼，貴一點就貴一點。我們的C919起落架就用的是300M鋼，所以鋼還有它自己的定位。
我的生命已度過了83個春秋了，在航空領域和材料領域也已經奔波了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。
當然，這個世界也有不少事讓我們很無奈，不少難題真的很棘手，但這不能阻止我們去追求世界的精彩。任何人如果不能為這個世界奉獻什么的話，就沒有精彩人生可言了。
衷心祝愿航空與材料相伴而行共同前進，衷心祝愿偉大祖國早日從航空大國和材料大國發展成為航空強國和材料強國。
（本次講壇由上海市新聞出版社，上海市科學技術協會主辦，上海市科普作家協會，上海科協大講壇管理辦公室和新華網科普中國科技前沿大師談承辦。）
標題為材料牛編輯重擬。
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