看航空制造業如何為材料“賦能”
2019年03月28日
金屬也疲勞？
看航空制造業如何為材料“賦能”
從一開始，新材料的研發、創造都來自想象：如果把金屬看作水泥，把碳纖維管看作鋼筋，把“鋼筋”加進去試試會怎樣？
新材料制備完成，測試顯示，金屬的強度提高了，重量也輕了。更強、更輕是材料研究人員的共同目標，同樣的，航空材料也有志于此。
得知金屬也疲勞，北、上、廣、深的“加班狗們”會不會心頭蕩起一陣惺惺相惜？強硬如金屬尚且如此，雖然算不上什麽新知，但也從某一種角度提醒著我們：革命尚未成功，我輩仍須強韌性、減疲勞，來日方長。
其實，金屬疲勞並不複雜。我們小時候都體驗過：反複彎折一個金屬薄片，沒一會兒工夫就能將其折斷。我們使用的材料都是不完美的，包括金屬，在長期服役中，有缺陷的部位就會應力集中，逐漸出現裂紋或者突然發生斷裂，這個過程就是金屬疲勞了。
從第一次工業革命開始，金屬被用于效率更高的機器中，工廠裏的馬達代替了工人。沒多久，在隆隆馬達聲中，人們慢慢地感受到了金屬疲勞的危害：重要的金屬部件發生脫落、突然斷裂，造成不少事故。
在顯微鏡的觀察下，金屬疲勞的原因一目了然。金屬內部由很多晶體結構，它們並不是完美的均勻狀態。當受到持續外力，且力的傳遞並不均勻導致某些地方出現受力相對集中的狀態時，經過一段時間，應力持續集中的地方就會出現十分微小的裂紋，再過一段時間，微小的裂紋變大，金屬中能夠傳遞應力的部分變少，剩余部分不能承擔傳遞的力時，金屬就斷裂了。
現在，在清華大學航空航天學院的結構完整性實驗室內，可以測出金屬在不斷受力的情況下發生疲勞的曲線規律，還能記錄疲勞出現、發生斷裂的時間。通過這條疲勞曲線，可以預測金屬的疲勞壽命；同時，缺陷也是可以加以利用的，比如做成需要在一定時間發生斷裂的工具。
飛機上的金屬
我們乘坐的飛機是經過百余年的進化才成為現在的模樣。
早期的飛機是木結構的，由張線加固。1909年，路易斯·布萊裏奧就是駕駛著這樣一架飛機飛越英吉利海峽的。現在看來，它的結構簡單極了，但機身精選木料，有上百個金屬連接件，工藝絕不粗糙。1919年，容克斯設計的全金屬F13超越了時代，與他最早設計的全金屬外殼——J.1“錫驢”（Blechesel）相比，F13造型簡潔，更具現代感，而當時的主流飛機還是木質機身、帆布蒙皮的。容克斯的設計劃直接啓發了上世紀30年代金屬客機的誕生。後來，為了加快飛機的飛行速度，噴氣式發動機應運而生，它先突破了“音障”，完成了航空科技上的一次飛躍，但馬上又遇到了“熱障”問題。當飛機以超聲速飛行時，飛機表面和空氣摩擦産生大量的熱，飛機蒙皮溫度急劇升高；當溫度超過250°C時，鋁合金就會出現疲勞。上世紀40年代末，耐高溫的钛合金出現了，航空技術實現了又一次飛躍——突破“熱障”。
綜觀航空史，每一次航空材料的重大突破，都會促進航空技術飛躍式的發展，而航空材料以其基礎地位，與航空發動機、信息技術並列為三大航空關鍵技術之一。
現在的飛機材料以金屬材料、聚合物、無機非金屬材料和複合材料為主。飛機在高空飛行時，不同的飛機部件處在不同的溫度環境中：有發動機燃氣形成的高溫環境，有在同溫層以亞音速飛行時-50°C的飛機表面溫度。飛機在地面時，極地嚴冬的機場機坪溫度會降至-40°C以下，創造或選擇合適的材料，並朝著更強、更輕的方向進化，如AreMet100超高強度鋼制成的起落架，钛合金為主的航空發動機主材，機體結構鋼材，才能讓飛機整體性能相協調。
進入21世紀，航空新材料和先進工藝的發展很快。運輸飛機既要安全，又要最大限度地節能環保、控制成本。能做到這些，就是現代制造工業的頂峰了。
為金屬“賦能”
在飛機制造領域，增強“金屬免疫力”是對抗金屬疲勞的有效方法。
一方面，在鋼鐵和有色金屬中，加進微乎其微的稀土元素，可以大大提高金屬的抗疲勞屬性，延長使用壽命；另一方面，減少金屬材料中的雜質也能增強“金屬免疫力”，延長金屬使用壽命。雜質對疲勞性能和應力腐蝕性能影響很大，例如，對于超高強度鋼的金屬性能，國際上是通過控制硫和磷的雜質含量來保證的。在技術標准中，對于每一種雜質的最高含量，以及所有雜質含量之和都有明確的要求。在金屬構件上盡量避免生鏽，用輔助工藝提高表面光潔度，以及對産生震動的機械采取防震措施，都能有效防止金屬疲勞。在必要的時候，對金屬內部結構進行檢測，是預防金屬疲勞的常用方法。
關于提高金屬性能，清華大學材料學院的李文珍教授打了一個比方：就像鋼筋混凝土，把混凝土中間加了鋼筋，用這種複合材料蓋樓就比用混凝土蓋得更結實。在北京的CBD可以用這種材料蓋600米高的樓，安全性不會有問題。如果往金屬裏面加東西呢？
在清華大學的材料中心實驗室內，在能放大150萬倍的場發射透射電子顯微鏡下，金屬是由一個個晶體組成的，晶體越細，金屬的性能越強。但是晶體的細是有限度的，到了一定程度，怎麽才能進一步提高強度？從一開始，新材料的研發、創造都來自想象：如果把金屬看作水泥，把碳纖維管看作鋼筋，把它加進去試試會怎樣？新材料制備完成，測試顯示，金屬的強度提高了，重量也變輕了。更強、更輕是材料研究人員的共同目標，同樣的，航空材料也有志于此。
現在，清華-富士康納米科技研究中心的碳納米管技術世界領先。這種改進傳統材料的方法可以衍生出諸多應用：將納米材料加入鋁合金中，既可以提高鋁合金的性能，又減輕了重量，在飛機、高速列車上有很大的使用空間；把碳納米管加入鎂合金中，新的複合材料密度大約只有鋼的1/4，鋁的2/3，是重量最輕的合金。這種合金已經應用于家用吸塵器、除草機等，既輕便，又結實。日本尼康公司曾經找到李文珍教授，提出了將鎂合金的質量再降30%的需求。實驗室做到了，還制造出了一臺尼康單反相機的外殼樣本，既有鎂合金的硬度，同時輕如塑料，拿在手裏感覺非常奇妙。這種鎂合金基納米複合材料是目前重量最輕的金屬。將來，如果這種材料應用于尼康相機的外殼和鏡頭，女攝影師人數將進一步增加，因為單反相機的重量不再是問題。如果應用于顯示屏領域，80英寸的電視重量可以減到7公斤，可以隨意挂在家中的牆上。
材料的想象空間
曆史上，飛機也曾經大量使用鎂合金。1934年，德國曾經把鎂合金造的零件安裝到一架福克Fw-200飛機上，鎂合金是最輕的金屬，他們用它做了發動機罩、機翼蒙皮和座位框架。這種輕質金屬強度高、抗震能力強、可以承受較大載荷的沖擊，很快在飛機制造業中大受歡迎，飛機框架、座椅、發動機機匣、齒輪箱上都出現了金屬鎂合金，但後來又因為阻燃性能的問題淡出航空領域。現在，新的研究方法已經可以開發出更輕、阻燃能力更強的鎂合金。航空制造領域目前處在積累用戶需求的階段。人們每天的衣、食、住、行都與身邊的材料息息相關。在材料科學的前沿，有電動汽車的新能源材料，有涉及量子的記憶儲能材料，有用于心髒起搏器充電的柔性材料，有用5G網絡傳輸8K高清信號的傳輸材料；同時，還有薄如蟬翼的碳納米管揚聲器，它不再是傳統的喇叭，而是可以縫在衣服上、帽子上，或挂在旗子上的柔軟的音響裝備。
材料是人類文明的基石，航空材料是航空制造領域的基石。空客中國工程技術有限公司的研發部正在與清華材料學院等國內多所高校、多個研究所開展合作，在材料的基礎性能等方面開展研發工作。
金屬的疲勞性能只是材料的基礎性能之一，在飛機的結構設計層面上，在人類可利用材料的研發上，還有太多可供我們想象的空間。（《中國民航報》、中國民航網 記者劉蔚）
新聞來源：中國民航網
