何為飛機(jī)材料
　　飛機(jī)材料的范圍較廣，分為機(jī)體材料（包括結(jié)構(gòu)材料和非結(jié)構(gòu)材料）、發(fā)動(dòng)機(jī)材料和涂料。而其中最主要的是機(jī)體結(jié)構(gòu)材料和發(fā)動(dòng)機(jī)材料。一般來(lái)說(shuō)，非結(jié)構(gòu)材料包括：透明材料，艙內(nèi)設(shè)施和裝飾材料，液壓、空調(diào)等系統(tǒng)用的附件和管道材料，天線罩和電磁材料，輪胎材料等。非結(jié)構(gòu)材料用量少，但品種非常多，包含玻璃、塑料、紡織品、橡膠、鋁合金、鎂合金、銅合金和不銹鋼等。
　　結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有盡量高的比強(qiáng)度和比剛度，以減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量。結(jié)構(gòu)重量的減輕，可以提高飛行性能，提高經(jīng)濟(jì)效益或作戰(zhàn)效能。同時(shí)，結(jié)構(gòu)材料還應(yīng)具有良好的可加工性，便于制成所需的零件，而這又涉及工藝問(wèn)題。
　　木結(jié)構(gòu)飛機(jī)在上世紀(jì)30年代之前，一直很流行。就連波音公司的創(chuàng)始人威廉·波音，原本也是西雅圖市的一個(gè)木材商。據(jù)維基百科介紹，萊特兄弟研制的第一架有動(dòng)力的飛機(jī)——“飛行者1號(hào)”——使用的主要材料就是云杉木。在其使用的材料中，木材占47%，鋼占35%，布占18%。其螺旋槳也是木制的，而且整架飛機(jī)都沒(méi)有設(shè)計(jì)座位。
　　在航空制造發(fā)展的百余年歷史中，飛機(jī)材料的更新?lián)Q代呈現(xiàn)出高速更迭與變換的狀態(tài)。縱觀人類航空發(fā)展史，材料和飛機(jī)一直是在相互推動(dòng)下不斷得以發(fā)展和改進(jìn)的。

　　木布結(jié)構(gòu)的時(shí)代
　　上世紀(jì)初，世界上第一架載人飛機(jī)上天。發(fā)明者萊特兄弟使用的材料以木材為主，占比達(dá)47%，其次是鋼（占35%）和布（占18%）。當(dāng)然，這架飛機(jī)的飛行時(shí)度只有16公里。早期的飛機(jī)只帶著勇敢的探索者飛離地面。那時(shí)，設(shè)計(jì)師就是駕駛員。因?yàn)楹?jiǎn)陋的機(jī)體結(jié)構(gòu)很不可靠，普通人不敢冒險(xiǎn)從事飛行。
　　早期飛機(jī)用木條、木三夾板做大梁和骨架，用亞麻布做機(jī)翼的翼面，這就是所謂的飛機(jī)木布結(jié)構(gòu)。而在木桿與層板之間，通常用螺栓相拼接。機(jī)翼則蒙上涂抹過(guò)清漆的亞麻布，其間以縫紉方式與翼肋構(gòu)架相連接，而清漆可以保證翼面的堅(jiān)挺度、應(yīng)有的幾何形狀和強(qiáng)度。這樣的材料結(jié)構(gòu)一直沿用到第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束，只是飛機(jī)的氣動(dòng)外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)更趨合理和完善。
　　自上世紀(jì)20年代起，人們?cè)O(shè)計(jì)出半硬殼式機(jī)身和具備翼型空間的機(jī)翼，飛機(jī)性能大幅提高，對(duì)飛機(jī)材料也提出了新的要求。在局部受力處，比如發(fā)動(dòng)機(jī)架和整流罩等部位更多采用了金屬零件，但翼面、舵面和后機(jī)身仍部分采用布質(zhì)蒙皮，這就是所謂的飛機(jī)半金屬結(jié)構(gòu)。

　　金屬材料興起
　　1906年，德國(guó)冶金學(xué)家發(fā)明了可以時(shí)效強(qiáng)化的硬鋁，又稱杜拉鋁，使后來(lái)制造全金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)成為可能。上世紀(jì)20年代，有極個(gè)別飛機(jī)開(kāi)始試用強(qiáng)度更高的硬鋁合金，硬鋁合金替代了原先制作飛機(jī)骨架和翼肋的木條，也少量替代了承力較大的布質(zhì)機(jī)翼蒙皮。但當(dāng)時(shí)飛機(jī)上的非承力部件，依然采用低成本的木布結(jié)構(gòu)。
　　當(dāng)時(shí)，蘇聯(lián)等國(guó)也曾有設(shè)計(jì)師嘗試用“取之不盡”的鋼材來(lái)制造飛機(jī)，甚至是小客機(jī)。鋼的比重大于鋁，所以對(duì)于“為節(jié)約每一克結(jié)構(gòu)重量而奮斗”的飛機(jī)設(shè)計(jì)師而言，這肯定不是個(gè)好主意。重金屬不屬于航空器，它的使用將嚴(yán)重削弱飛機(jī)的飛行性能或使用效能。最終，怪異的“鋼鐵飛機(jī)”被拋棄也是意料之中的事情。
　　1925年以后，許多國(guó)家逐漸用鋼管代替木材做機(jī)身骨架，用鋁板做蒙皮，制造出全金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)。全金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)加大了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善了氣動(dòng)外形，提高了飛機(jī)性能。到上世紀(jì)40年代，全金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)的時(shí)速已經(jīng)超過(guò)600公里。
　　然而，將硬鋁板材做到極端的也大有人在。作為當(dāng)時(shí)的航空先進(jìn)國(guó)，德國(guó)和美國(guó)在上世紀(jì)30年代后期都嘗試使用一種被壓成細(xì)波紋狀的薄鋁板做飛機(jī)表面的蒙皮。這樣的形狀可以額外加大其縱向強(qiáng)度。世界上第一架“為客機(jī)而設(shè)計(jì)的客機(jī)”容克F13和其他一系列容克、?？恕⒏Ｌ仄放频目蜋C(jī)或運(yùn)輸機(jī)都成功采用過(guò)這種外部材料。需要特別指出的是，直到目前，硬鋁仍然是全球飛機(jī)的主要用材。
　　到上世紀(jì)40年代初期，不少國(guó)家由于戰(zhàn)爭(zhēng)原因，有色金屬特別是航空用鋁庫(kù)存量告急，一些工廠又做起“木頭飛機(jī)”的復(fù)古夢(mèng)。作為最成功的例子，英國(guó)皇家空軍的“蚊”式戰(zhàn)斗轟炸機(jī)是當(dāng)時(shí)最負(fù)盛名的機(jī)型。“木頭飛機(jī)”大量使用膠水黏合結(jié)構(gòu)件，不僅堅(jiān)固耐用，作戰(zhàn)效能也不錯(cuò)。
　　進(jìn)入上世紀(jì)50年代以后，人類跨入了超音速時(shí)代。飛機(jī)材料特別注重耐高溫指標(biāo)，人類開(kāi)始尋求全新的高強(qiáng)度耐熱材料。于是，出現(xiàn)了航空專用的既堅(jiān)固又耐熱的鈦合金和不銹鋼。其中，鈦合金的研制成功和應(yīng)用對(duì)解決機(jī)翼蒙皮的熱障問(wèn)題起了重大作用。但需要指出的是，它們特別不易加工，同時(shí)因?yàn)楸戎卮?，通常只用在特殊部位、?nèi)部骨架和起落架支柱等部位。作為特例，這些特殊鋼材也曾大范圍使用在極個(gè)別的特種飛機(jī)上。比如，上世紀(jì)60年代出現(xiàn)了能在3萬(wàn)米高空進(jìn)行3倍音速飛行的全鈦結(jié)構(gòu)間諜飛機(jī)SR-71。

　　復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生
　　隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，自上世紀(jì)70年代起，新一代航空材料——復(fù)合材料——應(yīng)運(yùn)而生。它相當(dāng)于一種摻進(jìn)加強(qiáng)纖維的“塑料”，比如將玻璃絲纖維摻和在環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、剛度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，并具有抗疲勞、減振、耐高溫、可設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)。它可以使飛機(jī)在維持原強(qiáng)度的前提下減輕重量，或在同樣的重量下，強(qiáng)度更高。復(fù)合材料所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益可想而知。最極端的一例是，在上世紀(jì)80年代出現(xiàn)了世界上第一架“全塑料”飛機(jī)AVTEK400。
　　自玻璃纖維與有機(jī)樹(shù)脂復(fù)合的第一代復(fù)合材料“玻璃鋼”問(wèn)世以來(lái)，陶瓷纖維和硼纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料相繼研制成功，性能不斷得到改進(jìn)，使復(fù)合材料領(lǐng)域呈現(xiàn)出一派生機(jī)。然而，在大多數(shù)場(chǎng)合，復(fù)合材料依然無(wú)法完全替代傳統(tǒng)的鋁系金屬材料，大多還是只用在非主要承力部件上，如舵面蒙皮、設(shè)備口蓋、小飛機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼蒙皮等。
　　此外，飛機(jī)的機(jī)載雷達(dá)一般采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料做成頭錐，將它罩住以便能透過(guò)電磁波。駕駛艙的座艙蓋和風(fēng)擋玻璃則采用丙烯酸酯透明塑料（有機(jī)玻璃），而飛機(jī)主起落架必須采用沖擊韌性好的超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。
　　隨著航空技術(shù)的進(jìn)步，新一代復(fù)合材料問(wèn)世，其中的佼佼者就是碳纖維復(fù)合材料。它的特點(diǎn)有：高強(qiáng)度（是鋼鐵的5倍），出色的耐熱性（可以耐受2000攝氏度以上的高溫），出色的抗熱沖擊性，低熱膨脹系數(shù)，熱容量?。ü?jié)能），比重小（是鋼的1/5），優(yōu)秀的抗腐蝕與輻射性能。上世紀(jì)70年代以后，有越來(lái)越多的飛機(jī)采用以硼纖維或碳纖維增強(qiáng)的新型復(fù)合材料。鋁、鈦、鋼和復(fù)合材料，已成為現(xiàn)代飛機(jī)的基本結(jié)構(gòu)材料。
　　進(jìn)入21世紀(jì)，先進(jìn)飛機(jī)已經(jīng)越來(lái)越青睞碳纖維復(fù)合材料，甚至將其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重中所占的比例作為衡量一個(gè)國(guó)家飛機(jī)制造技術(shù)的硬指標(biāo)，并向用于機(jī)翼甚至前機(jī)身等主承力部件的方向發(fā)展。
　　航空技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)航空材料的發(fā)展起著積極的推動(dòng)作用。與此同時(shí)，材料科學(xué)與工程發(fā)展、新型材料的出現(xiàn)、制造工藝與理化測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，又為航空新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造提供了重要的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)，從而對(duì)航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著有效的推動(dòng)作用。
　　從材料學(xué)的角度看，波音787飛機(jī)是制造業(yè)歷史上一次革命性的跨越。波音787飛機(jī)在機(jī)身和主要結(jié)構(gòu)上大面積使用了復(fù)合材料，不僅減輕了飛機(jī)重量，還減輕了航空公司的維修負(fù)擔(dān)。波音公司的數(shù)據(jù)顯示，復(fù)合材料占到波音787飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的50%（體積的80%），鋁占20%，鈦占15%，鋼占10%，其他材料占5%。