曹春曉， 1934年 8月6日立於浙江上虞．1956年畢業於上海交通大學。現在北京航空材料研究院從事材料科學與工程領域的科研工作。研究員，中國科學院院士，博士生導師，國家級有突出貢獻專家。先後獲省部級以上科效成果14項，其中國家科技進步一．二等獎各1項，國家發明三等獎2項。在國內外發表論著百餘篇。
董世紅（以下簡稱董）：曹老，非常感謝您能接受我們的採訪，這次來是想向您請教有關航空材料在飛機上應用的一些問題。首先想問一下，材料的好壞對飛機會產生哪些影響？飛機對材料有什麼具體要求？
曹春曉（以下簡稱曹）：有人說，飛機性能的好壞，一半取決於設計，另一半取決於材料。暫不論說法是否完全正確，但材料的優劣對飛機的飛行速度、高度、航程。機動性、隱身性、服役壽命、安全可靠性、可維修性…，等性能確實起着無可置疑的重大影響。換言之，現代和未來飛機在高速化、機動化、隱形化、智能化、微型化、無人化、電子化……等方面的發展都．離不開航空材料的相應發展。飛機對結構材料的性能要求是多方面的，首先是“比強度”，即強度與密度之比，同時綜合考慮其他性能，例如“比剛度”、斷裂韌度、疲勞強度、耐熱性、耐蝕性等。對於功能材料，主要是要求良好的功能特性，例如隱形性能。當然，如能提供某些結構／功能一體化的材料，飛機設計師們會更歡迎的。
董：從早期飛機到現代飛機，飛機材料經過了哪幾代變化？
曹：剛發明飛機時，是用木質和布料製造飛機的。隨着飛行速度的不斷增快，水布結構已無法承受顯著增大的載荷，因而很快進入了金屬結構時代，前期以鋁合金和鋼為主，後期由於鈦合金的興起而形成鋁合金、鈦合金和鋼三分天下的局面“比強度”高於上述金屬材料的纖維增強樹脂基複合材料問世後，飛機開始進入了金屬／複合材料混合結構的時代。
董：噴氣式飛機出現後，飛機材料主要採用鋁合金，但現在這種趨勢好像發生了變化。
曹：鋁合金在早期戰鬥機上確實占有相當大的份額，一般在70％以上，其次是鋼，約占20％。不過就目前來看。鋁合金和鋼在先進戰鬥機上的用量已經逐漸縮小，而鈦合金和樹脂基複合材料的用量則不斷爬升，就拿美國即將服役的F-22飛機來說，鈦合金的用量已躍居首位（41 ％），樹脂基複合材料的用量也迅速上升坐上了第二把交椅．（24％），而鋁合金和鋼的用量卻分別降至第三位（15％）和第四位（5%）.再如美國正在研製的JSF飛機，波音公司的X－32方案和格克希德·馬丁公司的X－35方案都將廣泛地：大量地採用鈦合金。X－35的複合材料計劃用量大致與F－22相當，而X－32上複合材料的計劃用量竟高達40％左右。我這兒有張表，它清楚地反映了各種材料在飛機上用量的變化情況。
董：為什麼鋁合金和鋼在飛機上的用量會逐漸減少？
曹：這主要是因為鋁合金和鋼在不少情況下已不能滿足先進飛機在減輕結構重量和提高飛行速度（相應地提高零部件工作溫度）等方面的新實求，而鈦合金和複合材料仿優良性能恰恰適應了先進飛機發展的客觀需要。自然就產生了對以往選材格局的極大衝擊。鈦合金的強度和使用溫度上限與鋼相近，密度卻只有鋼的57％左右，以鈦代鋼的減重效果顯而易見。鋁合金的密度雖小，但由於強度顯著低於鈦合金，其“比強度”仍不及鈦合金，尤其當零部件工作溫度較高時，使用溫度上限較低的鋁合金更不得不讓位給鈦合金。當零部件的工作溫度較低時，鋁合金又遇到了比鈦合金更強勁的競爭對手——複合材料，原本屬於它的“領地”又往往被“比強度”更優越的複合材料所“侵占”。鋁合金和鋼在飛機上的用量就是在上述情況下逐漸縮小的。好在鋁合金和鋼的成本要比鈦合金和複合材料低得多，只要能滿足預定飛機性能指標，設計師們還是會儘量選用一些鋁合金和鋼的，因此即使在先進的軍用飛機上仍有鋁合金和鋼的立足之地。
董：減輕重量一直是飛機設計師考慮的主要問題，由於鋁鋰合金在減輕重量方面能起到較大作用，前些時候它的發展很快，該材料在飛機上的應用情況您能否談一談？
曹：鋁鋰合金在俄羅斯已獲得廣泛應用，例如蘇一27SK飛機上的鋁鋰合金用量已達3％。然而它在歐美的應用道路上卻一波三折。美國的 F－22、YF－23、C－17、 B－ 777、 MD－ 11等軍用、民用飛機原來都打算採用鋁鋰合金，但後來都相繼放棄了。於是人們又把希望寄托在歐洲的EF2000戰鬥機上，該機的鋁鋰合金用量竟高達40%，可是好景不長，1999年8月報道，該機又改用鋁合金了。那麼問題究竟何在呢？較多的報道認為成本高是重要原因，實際上更重要的原因可能是歐美在技術上還不夠成熟，正在等待F－16試飛結論。技術上存在的問題有綜合力學性能和工藝性能不夠理想、各向異性等。
董：複合材料種類繁多，目前在飛機上應用較多的有哪些.
曹：目前在飛機上應用的主要有樹脂基複合材料。碳纖維複合材料等。樹脂基複合材料可分為“熱固性”與“熱塑性”兩大類。由於熱塑性複合材料具有工作溫度高、韌性好和可重複成形等優點，故美國F-22飛機早期設想主要採用熱塑性複合材料，而生產型F－22上卻完全相反，熱塑性複合材料只有1%的用量，熱固性複合材料用量卻高達23％，這是因為熱塑性複合材料的成本較高、預浸料硬挺和缺乏粘性而難以鋪貼成工件等。“環氧”和“雙馬來酷亞胺”都屬於熱固性樹脂，通常“環氧”應用較多，而F－22的全部蒙皮以及大量的肋、梁及水平安定面等都選用了“雙馬來”，“環氧”則只用於一些工作溫度較低的進氣道和框架等。
董：複合材料主要分布在飛機的哪些部位?
曹：主要用於雷達罩、進氣道、機翼（含整體油箱等）、襟翼、副翼、垂尾、平尾、減速板及機身蒙皮等。例如美國的F－22機身蒙皮全都是高強度、耐高溫的樹脂基複合材料，法國的“陣風”機翼大部分部件和機身的一半都採用了碳纖維複合材料。
董：美國擁有大量的隱形飛機，像F－l17A、B－IB、B－2、F－22等，它們的隱形效果除採用外形設計（如B－2採用翼身融合、圓滑過渡的外形； F— 117A採用多面體外形）外，再就是取決於其隱形材料，您能否就隱形材料詳細談談？
曹：1991年的海灣戰爭中美國的隱形戰鬥機F－117A出動1000多架次而無一受損，在國際上引起了極大的反響。目前世界各國都很重視對隱形飛機的研究。隱形材料堪稱隱形飛機的一大 法寶。隱形材料可分為塗敷型和結構型兩種，前者指塗料、膠膜一類的材料，後者指功能與結構一體化的纖維增強樹脂基複合材料。F－117A只少量採用了複合材料，基本上是金屬半硬殼式結構，因此機身。機翼和尾翼均塗覆了鐵氧體吸波材料，而F－22的機身和機翼蒙皮基本上都由複合材料製成，只需要在一些金屬蒙皮上塗覆吸波材料，該塗料大概含磷基鐵。聯合攻擊戰鬥機JSF為了適應海上環境，有可能採用不含談基鐵塗料，以防止鹽霧腐蝕。JSF還將同時採用有機聚合物膠膜以減少污染、降低成本和改善可維護性。
董：據說俄羅斯的l.44飛機採用了等離子體隱形技術，訪問這種隱形技術會不會對隱形材料的發展帶來危機？
曹：俄羅斯的一些飛機設計師的思路確實與美國不同，他們認為美國採用的“外形設計+隱形材料”的隱形方案將影響飛機的機動性和戰鬥力，於是另闢溪徑，開發了等離子體隱形技術，即在飛機的某些部位裝上一些等離子發生器，在飛行過程中釋放等離子流，在飛機周圍形成等離子層，將飛機屏蔽起來，使雷達無法發現。現在的問題是尚不清楚這～技術的成熟程度和實際效果，預計在未來相當長的一段時間裡人們不會放鬆對隱形材料的研究開發。
董：今後飛機上還會採用哪些新材料？
曹：智能結構是今後飛機發展的一大趨勢、因此智能材料成為當前研究的新熱點。飛機上採用的智能結構是由各種智能材料製成的傳感元件、處理元件和驅動元件組成的，而這三個組成部分相當於人的神經、大腦和肌肉、美國先進研究計劃局與格魯曼公司簽訂了一個合向，發展和驗證智能自適應機翼以提高飛機效率。例如對強擊機而言，智能自適應機翼可使它從航母上起飛的有效載荷提高20％。格魯曼公司的設計方案是將光導纖維埋入樹脂基複合材料製成機翼，這些光導纖維能像神經那樣感知機翼上因氣動條件變化而引起的壓力變化，根據光傳輸信號進行處理後發出指令，通過驅動元件驅動機翼前緣和後線自行彎曲。驅動可通過電流讓電陶瓷變形來實現，也可通過磁場讓磁致伸縮材料變形來實現。或通過加熱讓形狀記憶合金髮生位移來實現，例如有一種形狀記憶合金驅動器可產生9噸推力和150毫米位移。格魯曼公司已決定以縮比為1／6的F／A－18飛機自適應機翼模型進行開發研究，還打算應用於無人機上。智能材料壓電陶瓷製成的傳感器和驅動器可解決機翼和尾翼的顫振問題，例如F／A－JSE／F（美國海軍計劃未來10年內採購548架）垂尾的振動試驗表明，振動減少了80％。智能材料還將在其他領域發揮它的聰明才智，例如美國正在製造一種小型智能炸彈，可使一架重型轟炸機同時精確攻擊數百個獨立目標，還準備給這種炸彈裝上智能引信，巧妙地做到‘不見目標不拉弦”。新的智能材料正在不斷開發出來，例如美國開發成功一種磁致形狀記憶合金、比熱致形狀記憶合金的性能更好人如美國一家公司發展了一種改進型磁致伸縮金屬材料（由俄、鎬、鐵線錢的合金）， 比以往的磁致伸縮材料的伸長大40倍，可直接把電能轉換為機械能《即做驅動器），也可把機械能輟換為電能（即做傳感器）。總之，智一能材料雖然尚處於早期開發階段，但正孕育着新的突破和大的發展。
董：發動機號稱“飛機的心臟”，那麼發動機在選用材料上是不是更為嚴格？
曹：對，在某種意義上說，發動機比飛機的科技含量更高，世界上有許多國家都能自行設計自己需要的飛機，卻設計不出相應的高性能發動機。發動機在選材上最初也是以鋼和鋁合金為主，如 20世紀50年代初，鋼和鋁合金在噴氣發
動機上的結構重量百分比分別高達80％、17％，但隨着鎳合金和鈦合金的迅猛發展，鋁合金和鋼的用量顯著降低，從20世紀60年代至今，鋼的結構重量百分比已降至20％以下，而從70年代開始，在噴氣發動機上已不再選用鋁合金。目前噴氣發動機在選材上是冷端以鈦合金為主，熱端以鎳合金為主，同時適量選用一些鋼。
董：噴氣發動機選用鋼材作材料會不會加重其重量？
曹：與鈦合金相比，用鋼製造一些發動機零件是會增加結構重量的，未來的高推重比發動機將進一步減少鋼的用量，但由於鋼的成本顯著低於鈦合金，也不會像鈦合金那樣在一定條件下可能發生燃燒，因此在結構重量指標允許的情況下，設計師們還會或多或少地選用一些鋼製造零件的。
董：在未來的先進發動機中，哪些新型材料將獲得應用或擴大用量？
曹：主要有樹脂基複合材料、金屬基複合材料、陶瓷基複合材料和金屬間化合物等。樹脂基複合材料因其綜合性能（特別是耐熱性能）不斷提高，故從20世紀90年代初開始逐漸“進駐”發動機，當前已初露鋒芒，未來的用量將不斷擴大 。F119發動機正在執行用樹脂基複合材料取代鈦合金製造風扇送氣機區的計劃，可節省結構重量6．7公斤，並正在考慮用樹脂基複合材料風扇葉片取代現在的鈦合金空心風扇葉片，以期減輕結構重量30％。金屬基複合材料因其誘人的高比強度而已研究多年，但直到最近才有極少量的應用，世界上第一個在航空上應用的鈦基複合材料（屬於金屬基複合材料）零件就是F119發動機矢量噴管驅動器活塞。目前鈦基複合材料的價格仍很昂貴，今後其用量的拓展將主要取決於成本的降低程度。陶瓷基複合材料因其很高的使用溫度（140℃甚至更高）和很低的密度（2－4g／cm3），頗受發動機設計師和材料工作者的重視，是未來高推重比（l5－20）發動機渦輪及燃燒系統的首選材料，目前在使用可靠性方面還有些擔心，因此只限用於少量非關鍵受力部件，如用於Fll9發動機矢量噴管的內壁板等。金屬間化合物是世界各國廣泛研究的材料科學前沿命題，近期已把熱點集中於密度很小（3．7－3.9g／cm3）和長期使用溫度較高（700－ 850C）的鈦鋁基合金，它將取代部分鎳基合金而顯著減輕發動機結構重量，具有良好的潛在應用前景。目前，鈦鋁基合金製成的第6級壓氣機轉子葉片正在Fll9發動機上進行驗證試驗。
董；非常感謝曹老給我們講解了這麼多有關飛機選用材料的問題。下次我們到北京來一定會再拜訪您。