航空材料的复合化和多功能化，一直以来都是全球航空业关注的重点研究方向。新材料可应用于飞机的整个构型，使飞机各部分零部件减轻重量，增加延展性并提高使用寿命，以达到飞机整体减重并提高运行效率及经济性。目前，多国已成功为发动机燃气发生器、发动机短舱、机翼、驾驶舱前驱玻璃等部件研制出新型材料并已成功应用。未来，航空业材料领域的企业还是以聚合物复合材料为首要发展方向，并尝试与国际合作突破层状功能高梯度材料的研制。本文以航空材料研制进展为背景，重点对航空材料应用于民机的发展现状及预先研究方向进行探讨。

1 航空新材料研发背景

航空航天材料是飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料，是航空航天工程技术发展的决定性因素之一，也是航空航天科学中富有开拓性的一个分支。早在2012年，全俄航空材料研究所（VIAM）就与各研究机构和工业企业对国内外材料及技术发展现状进行了分析及预测，并对国产化发动机在短期内和未来20年内的主要任务进行了分析。根据分析预测的结果，相关机构联合制定了《2030年前材料和技术发展战略》[1]。该战略制定了18个主要材料和技术发展方向：

（1）“智能化”结构；

（2）基础研究、材料鉴定、无损检测；

（3）对材料的结构和性能进行建模的计算机方法；

（4）智能的自适应材料和涂料；

（5）形状记忆材料；

（6）层状金属聚合物、双金属混合材料；

（7）金属间化合物材料；

（8）轻巧的高强度耐腐蚀可焊合金和钢，包括高断裂韧性；

（9）单晶高强度超级合金、天然复合材料；

（10）使用高效节能的增材制造技术制造零件、半成品和结构件；

（11）磁性材料；

（12）金属及多金属复合材料；

（13）聚合物复合材料；

（14）高温陶瓷、隔热陶瓷材料；

（15）纳米结构的无定型材料和涂料；

（16）超轻泡沫材料；

（17）全面防腐保护、加强耐磨热防护涂料；

（18）为确保材料的腐蚀、老化及生物损坏，以及结构和复杂技术系统的防护安全环境测试。

其中，大约80%的材料是将用于研发发动机制造的材料，其目标是通过使用新一代的耐热材料和涂料来制造20∶1推力重量比的发动机，并降低20%的寿命周期成本。在发展民机事业中，技术上一个是“端到端”的数字化技术，另一个是其他重要技术。其中，新材料技术为首要发展目标。目前，在各方积极的配合之下，新材料的研发稳步推进。

2 航空新材料研发现状

2.1 新材料在航空发动机制造领域的应用

2.1.1发动机燃气发生器及短舱研制应用

在燃气涡轮发动机研发和应用新一代材料方面第五代飞机发动机PD-14的研制项目[2]。PD-14发动机的创新之处在于，该发动机工作模式的主要参数发生了质的变化，包括涵道比增加了两倍、涡轮前的气体温度增加了100K、压气机的总压比减少了20%，以及减少了12%燃料消耗，这大大提高了发动机效率，并符合碳排放标准。

在PD-14发动机的燃气发生器和短舱的设计中，通过使用VIAM开发的20种新一代材料和50多种优化过的系列材料，实现了所有设计目标。其中，高压涡轮机使用了镍基高温合金；转子叶片使用了单晶铗钌合金；涡轮导向器使用了金属间化合物，该化合物具有高寿命复杂耐热的隔热涂层；涡轮机轴和吊架零件使用了高强度钢；压气机轮盘和高压涡轮使用了耐热镍和钛合金；通过增材制造技术为燃烧室旋流器研制了EP648-PS合金；为了保护PD-14发动机风扇叶片的衔接处，开发了抗微动注浆涂层；VIAM还为PD-14发动机短舱的零件和组件研制出新一代碳素玻璃钢聚合材料等。此外，VIAM、UEC-Aviadvigatel和UEC-Perm Motors共同制定了在叶片上镀多层隔热涂层的完整工艺周期，该转子叶片由现代无碳耐热铗钌合金制成。为保护冷却叶片的内腔，VIAM采用超前灌浆气体循环渗铝两阶段技术，以形成对铝和其他合金元素流的扩散屏障，并通过高能真空离子等离子技术获得新型隔热涂层耐热合金，还通过电子射线喷涂方法获得了镀热防护陶瓷层的复杂技术[3]。

2.1.2 发动机风扇叶片研制应用

UEC在研制高推力发动机计划的框架下，要实现PD-35发动机的设计参数，将需要研发大约18项关键技术，而关键技术之一便是由复合材料制成的风扇叶片[4]。从实心钛叶片到空心钛叶片的过渡使叶片重量减轻了30%，而使用复合材料制造叶片可将使叶片重量再减轻30%，见 图1。UEC-Aviadvigatel作 为PD-35发动机风扇叶片主要的研发企业，已于2020年完成了关于预浸技术开发的大量工作。为了使PD-35发动机在燃油效率方面满足要求，并安装于宽体CR929飞机以及双发版本的Il-96-400M飞机上，其使用聚合物复合材料制造1250mm宽弦风扇叶片是设计PD-35发动机的必要条件。宽弦风扇叶片的制造技术属于最先进的研究领域，如果PD-35发动机不使用该风扇叶片，就不具备国际竞争性。因此，为了降低研发风险，UEC-Aviadvigatel决定同时使用两个技术研发聚合物复合材料宽弦风扇叶片。一是预浸技术，先将预浸料层铺在复合材料模具中，然后在热压器中进行聚合；二是3D编织技术，形成3D编织增强结构，然后在模具中进行加压浸渍并聚合。这两项新技术已为PD-14发动机制造了750mm的风扇叶片，并将在PD-14发动机上进行测试。该企业计划在2021年对两种方法制造的产品进行测试比较。根据设计经验，UEC计划于2021年发布PD-35发动机全尺寸风扇叶片的工作设计文档。目前，设备、模具、专用切削工具等生产技术已开始进行准备，将于2022年交付第一批风扇叶片样品（见图1）。

图1 复合材料风扇叶片

2.2 新材料在其他零部件研制领域的应用

2.2.1 机翼研制应用

MC-21飞机的机翼、平尾、垂尾主体结构使用复合材料，是复合材料使用比例最高的单通道飞机（见图2）。

图2 MC-21飞机材料应用分布

基于碳纤维的聚合物复合材料，大大提高了该飞机的动力，重量减轻30%，同时还保持了较高的结构强度，增加了飞机的可靠性和安全性。该材料密度低、高比强度，比模量高、耐传导性低、热膨胀系数断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀，是所有已知材料中耐高温性最好的材料，碳纤维与其他纤维参数对比，见表1。

表1 碳纤维与其他纤维参数对比