鋁合金的比強度和比剛度與鋼相似，但由于其密度較低，在同樣的強度水平下可提供截面更厚的材料，在受壓時的抗屈曲能力更佳，因此鋁合金成了經典的飛機結構材料。
　　歐美國家航空鋁合金的發(fā)展已經歷了第一代靜強度鋁合金、第二代耐腐蝕鋁合金和第三代高純鋁合金。
　　20世紀80年代末至90 年代中期，精密熱處理技術及合金成分精確控制等關鍵技術取得突破，第四代耐損傷鋁合金2524-T3和7150-T77研制成功，這是航空鋁合金研究跨時代的進步。傳統(tǒng)鋁合金因此完成了向高性能鋁合金的里程碑式大發(fā)展。
　　在第四代鋁合金技術發(fā)展的同時，鋁鋰合金也被運用在先進的特大型民用飛機上。空客A380選用鋁鋰合金制造地板梁，空客A350選用鋁鋰合金制造機身蒙皮和地板結構等，其用量預計高達總結構重量的23%。
　　第四代鋁合金技術研制成功之后，國際上正在進行低成本鋁合金的研制開發(fā)工作。2003年美鋁公司提出了“20-20計劃”：20年內使飛機的制造成本降低20%，同時實現(xiàn)減重20%。
　　國內航空鋁合金的發(fā)展已走過幾個發(fā)展階段?？偟膩碚f，我國鋁合金的研制主要瞄準國際先進水平，但關鍵技術的突破以及品種、規(guī)格的系列化發(fā)展和工程應用水平距離國外還有較大差距，亟待建立第三、四代鋁合金的完善材料體系。
　　鈦合金
　　鋁合金所能承受的溫度載荷有限，20世紀70年代，航空材料進入鈦合金時代。由于鈦合金成形及切削加工非常困難、與某些化學品接觸時性能會發(fā)生變化等特點，各飛機制造公司為鈦合金材料的研制付出巨大努力。
　　1.飛機結構鈦合金材料
　　鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好和耐高溫等一系列優(yōu)點，能夠進行各種方式的零件成形、焊接和機械加工，因而在先進飛機及發(fā)動機上獲得了廣泛應用。當今，鈦合金用量占飛機結構重量的百分比已成為衡量飛機用材先進程度的重要標志之一。鈦合金占F-22戰(zhàn)斗機機體結構重量的39%。鈦合金在國外民用飛機上的用量也隨飛機設計和性能水平的提高而不斷增加。
　　高損傷容限性能是新一代戰(zhàn)斗機(包括高推比發(fā)動機)長壽命、高機動性、低成本和損傷容限設計需要的重要材料性能指標。美國率先把破損安全設計概念和損傷容限設計準則成功應用在先進戰(zhàn)斗機上，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機大量采用損傷容限型鈦合金及其大型整體構件，以滿足高減重和長壽命的設計需求。
　　Ti-6Al-4V ELI在美國C-17軍用運輸機上的特大型鍛件上得到重要應用，高強度鈦合金Ti-6-22-22S也在C-17飛機上的水平尾翼接頭(轉軸)等關鍵部位上得到應用。這兩種鈦合金的使用，使大型運輸機的壽命高達60000 飛行小時以上。在歐洲，空客A380是首架全鈦掛架的飛機，未來的A350也將采用全鈦掛架。
　　2.航空發(fā)動機用高溫鈦合金
　　高溫鈦合金主要用于制造航空發(fā)動機壓氣機葉片、盤和機匣等零件，這些零件要求材料在高溫工作條件下(300~600℃)具有較高的比強度、高溫蠕變抗力、疲勞強度、持久強度和組織穩(wěn)定性。隨著航空發(fā)動機推重比的提高，高壓壓氣機出口溫度升高導致高溫鈦合金葉片和盤的工作溫度不斷升高。經過幾十年的發(fā)展，固溶強化型的高溫鈦合金最高工作溫度由350℃提高到了600℃。
　　我國在航空發(fā)動機上使用的工作溫度在400℃以下的高溫鈦合金主要有 TC4和TC6，應用于發(fā)動機工作溫度較低的風扇葉片和壓氣機第1、2級葉片。500℃左右工作的高溫鈦合金有TC11、TA15和TA7合金，其中 TC11是我國目前航空發(fā)動機上用量最大的鈦合金。
　　單純采用固溶強化的鈦合金難以滿足600℃以上溫度環(huán)境對蠕變抗力和強度的要求。有序強化的鈦-鋁系金屬間化合物因其高比強度、比剛度、高蠕變抗力、優(yōu)異的抗氧化和阻燃性能，而成為600℃以上溫度非常有使用潛力的候選材料，其中 Ti3Al基合金長期工作溫度在650℃左右，而TiAl基合金工作溫度可達760℃~800℃。
　　超高強度鋼
　　超高強度鋼作為起落架材料應用在飛機上。第二代飛機采用的起落架材料是30CrMnSiNi2A鋼，抗拉強度為1700MPa，這種起落架的壽命較短，約2000飛行小時。

 
　　第三代戰(zhàn)機設計要起落架求壽命超過5000飛行小時，同時由于機載設備增多，飛機結構重量系數(shù)下降，對起落架選材和制造技術提出更高要求。美國和我國的第三代戰(zhàn)機均采用300M鋼(抗拉強度1950MPa)起落架制造技術。
　　應該指出的是，材料應用技術水平的提高也在推動起落架壽命的進一步延長和適應性的擴大。如空客A380飛機起落架采用了超大型整體鍛件鍛造技術、新型氣氛保護熱處理技術和高速火焰噴涂技術，使得起落架壽命滿足設計要求。由此，新材料和制造技術的進步確保了飛機的更新?lián)Q代。
　　飛機在耐腐蝕環(huán)境中的長壽命設計對材料提出了更高要求，AerMet100鋼較300M鋼而言，強度級別相當，而耐一般腐蝕性能和耐應力腐蝕性能明顯優(yōu)于300M鋼，與之相配套的起落架制造技術已應用于F/A-18E/F、F-22、F-35等先進飛機上。更高強度的Aermet310鋼斷裂韌性較低，正在研究中。損傷容限超高強度鋼AF1410的裂紋擴展速率極慢，用作B-1飛機機翼作動筒接頭，比Ti-6Al-4V減重10.6%，加工性能提高60%，成本降低 30.3%。俄羅斯米格－1.42上高強度不銹鋼用量高達30%。PH13-8Mo是唯一的高強度馬氏體沉淀硬化不銹鋼，廣泛用作耐蝕構件。國內探索超高強度不銹鋼取得初步效果。
　　國外還發(fā)展了超高強度齒輪(軸承)鋼，如CSS-42L、GearmetC69等，并在發(fā)動機、直升機和宇航中試用。國內發(fā)動機、直升機傳動材料技術十分落后，北京航空材料研究院已自主研究開發(fā)了一種超高強度軸承齒輪鋼。
　　復合材料
　　在飛機、發(fā)動機結構材料家族中，復合材料是一位新成員。材料科學的發(fā)展造就了高強度、高模量、低比重的碳纖維，從而掀開了先進復合材料時代的序幕。日本于 1959年首先發(fā)明了聚丙烯腈(PAN)基碳纖維，并于20世紀60年代初將其投入工業(yè)化生產；70年代中期以碳纖維為增強相的先進復合材料誕生。航空用的復合材料種類不少，其中的絕對主力就是樹脂基碳纖維復合材料。因為碳纖維是目前已知的比強度、比剛度最好的材料。它比鋁還要輕，比鋼還要硬，其比重是鐵的四分之一，比強度是鐵的十倍；而且化學組成非常穩(wěn)定，還具有高抗腐蝕性，適用于航空和航天飛行器。
　　碳纖維增強復合材料通常以環(huán)氧樹脂基復合材料為代表。對航空結構而言，這種復合材料的壓縮強度(Compression Strength)和韌性(沖擊后壓縮強度，簡稱 CAI/Compression After Impact strength)已成為代別的主要指標，目前已發(fā)展到第三代，并已廣泛進入軍民機產品。
　　在航空復合材料應用的進程中，軍機、民機、直升機、無人機各自走過相似的發(fā)展道路。軍機上復合材料的應用大致可分為三個階段。
　　第一階段，復合材料主要用于艙門、口蓋、整流罩以及襟副翼、方向舵等操縱面上，受力較小，制件尺寸較小，大約于20世紀70年代初即已實現(xiàn)；
　　第二階段，復合材料開始應用于垂尾、平尾等受力較大、尺寸較大的尾翼級部件，其中，美國F-14戰(zhàn)斗機在1971年把硼纖維增強的環(huán)氧樹脂復合材料成功應用在平尾上，被稱為復合材料史上的一個里程碑。自20世紀70年代初至今，國外軍機尾翼級的部件均已用復合材料制造。
　　第三階段，復合材料進入機翼、機身等受力大、尺寸大的主要承力結構中。其中，美國原麥道飛機公司于1976年率先研制了F/A-18的復合材料機翼，把復合材料的用量提高到了13%，成為復合材料史上的又一個重要里程碑。此后，國外軍機群起仿效，幾乎都采用了復合材料機翼。目前世界軍機上復合材料用量約占全機結構重量的 20%～50%不等。
　　民機既強調安全性也強調經濟性，同樣對結構減重有迫切需求。以美國為例，復合材料在大型民機上的應用，大致走過了四個階段，體現(xiàn)了循序漸進的原則。
　　第一階段，復合材料主要應用在受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構件，該階段于上世紀70年代中期實現(xiàn)。
　　第二階段，受力較小的部件如升降舵、方向舵、襟副翼等開始應用復合材料制造，該階段約于80年代中期結束。我國ARJ21新支線飛機的復合材料技術水平大致在這個階段。
　　第三階段，復合材料應用在受力較大的部件，主要是垂尾、平尾等，如波音公司B777的復合材料垂尾、平尾。波音777共用復合材料9.9噸，占結構總重的11%。
　　第四階段，復合材料應用于飛機最主要受力部件機翼、機身等，如波音公司的B787“夢想”飛機，代表了飛機結構復合材料化的發(fā)展趨勢。波音787飛機共使用復合材料50%，超過了鋁、鈦、鋼金屬材料的總和，主要應用在機翼、機身、垂尾、平尾、機身地板梁、后承壓框等部位，是第一個采用復合材料機翼和機身的大型商用客機。
　　直升機包括軍用、民用和輕型直升機三類，先進復合材料在各種直升機上的用量均很大。如V-22可垂直起落，傾轉旋翼后又能高速巡航，該機結構的50%由復合材料制成，包括機身、機翼、尾翼、旋轉機構等，共用復合材料3000多千克。美國武裝直升機“科曼奇”(RAH- 66)共使用復合材料50%，歐洲最新的“虎”式武裝直升機復合材料用量高達80%，接近全復合材料結構。我國與法國、新加坡合作研制的輕型直升機 EC120的機身、垂尾、水平安定面、尾翼、前艙等結構均由復合材料制成。
　　無人機包括無人作戰(zhàn)機、無人偵察機和各種小型、微型、超微型無人機。軍用無人機具有的低成本、輕結構、高機動、大過載、高隱身、長航程的技術特點，決定了其對減重的迫切需求，因此復合材料用量都很大，鮮明地體現(xiàn)了飛機結構復合材料化的趨勢。美國波音公司X-45系列飛機復合材料用量達90%以上，諾斯羅普·格魯門公司的X-47系列飛機基本上為全復合材料飛機。
　　航空發(fā)動機應用復合材料可以大幅度提高其推重比，因此先進復合材料已成為未來發(fā)動機關鍵材料之一。發(fā)動機除使用樹脂基復合材料外，因溫度要求的關系，還會用到金屬基、陶瓷基、碳/碳等復合材料。
　　結語
　　如引言所述，飛機材料的發(fā)展已經進入第五階段，總趨勢是復合材料和鈦合金的用量不斷增多，創(chuàng)歷史新高。美國C-17大型軍用運輸機的鈦用量占全機材料重量的 10.3%(鈦零件總重6.8噸)，復合材料用量達8.1%；空客A380的復合材料用量22%，鈦合金用量10%；波音787復合材料用量50%，鈦用量15%；空客A350的復合材料用量52%，鈦合金用量9%。航空材料品種雖然沒有發(fā)生大變化，但材料的性能、品質，特別是與前幾階段在飛機上的應用比例相比，卻發(fā)生了極大的變化。在這些數(shù)據(jù)的背后，更多的是材料科學技術的跨越式發(fā)展和創(chuàng)新與進步。
　　我國航空材料工業(yè)從跟蹤仿制開始，已經走過了50年的發(fā)展歷程，經歷了好幾個發(fā)展階段和材料代別，但相對于國際航空材料技術的先進水平，我國航空材料技術還有相當大的差距。為此，國家提出“探索一代、預研一代、研制一代、生產一代”的劃代發(fā)展思想，航空材料科學技術作為這“四個一代”發(fā)展的技術引領者和技術推動者，應該更加強化創(chuàng)新，超前部署，厚積薄發(fā)。中航工業(yè)北京航空材料研究院是國內唯一面向航空，從事航空先進材料應用基礎研究、材料研制與應用技術研究和工程化研究的綜合性科研機構，志在“引領航空材料技術，打造高新材料產業(yè)”，成為航空材料的“領跑者”?？梢韵嘈?，隨著國民經濟的進一步發(fā)展，我國航空材料科學技術一定會迎來一個蓬勃發(fā)展的春天。