引言

“一代材料、一代飞机。”复合材料、新型轻质合金等新材料，以及增材制造、整体化制造等新工艺的涌现，为商用飞机安全性、经济性、舒适性和环保性的发展提供了更多的途径。其中，以碳纤维复合材料和先进合金为代表的先进材料，以其高比强度和比刚度、可设计性强、抗疲劳和耐腐蚀等优异的性能特点成为提升商用飞机竞争力的一大选择。此外，与之相结合的先进功能和智能材料的应用也为解决民机问题提供了新的途径。

当前，美欧等国家和地区已将复合材料和新型轻质合金等新材料用于实际型号应用，如波音787和空客A350XWB上复合材料用量均达到或超过50%。在此基础上，为了充分发掘新材料应用潜力，提升民机性能和环保水平，空客提出了“未来之翼”，波音提出了“环保验证机”等预先研究计划和项目，对先进金属材料及可回收金属材料、低成本和快速制造复合材料、环保功能性涂层材料等开展了应用验证。而NASA和欧盟等通过一系列研究计划，也对未来民机热塑性材料、智能化材料和功能化材料应用的低成本化和多功能化趋势进行了研究。由此可见，新型先进材料在商用飞机应用领域研究工作的开展将直接影响新一代飞机的发展。

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-6Al4V，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。

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。

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。

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 Aerosystem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。高超音速飞机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。