从一开始，新材料的研发、创造都来自想象：如果把金属看作水泥，把碳纤维管看作钢筋，把“钢筋”加进去试试会怎样？

新材料制备完成，测试显示，金属的强度提高了，重量也轻了。更强、更轻是材料研究人员的共同目标，同样的，航空材料也有志于此。

得知金属也疲劳，北、上、广、深的“加班狗们”会不会心头荡起一阵惺惺相惜？强硬如金属尚且如此，虽然算不上什么新知，但也从某一种角度提醒着我们：革命尚未成功，我辈仍须强韧性、减疲劳，来日方长。

其实，金属疲劳并不复杂。我们小时候都体验过：反复弯折一个金属薄片，没一会儿工夫就能将其折断。我们使用的材料都是不完美的，包括金属，在长期服役中，有缺陷的部位就会应力集中，逐渐出现裂纹或者突然发生断裂，这个过程就是金属疲劳了。

从第一次工业革命开始，金属被用于效率更高的机器中，工厂里的马达代替了工人。没多久，在隆隆马达声中，人们慢慢地感受到了金属疲劳的危害：重要的金属部件发生脱落、突然断裂，造成不少事故。

在显微镜的观察下，金属疲劳的原因一目了然。金属内部由很多晶体结构，它们并不是完美的均匀状态。当受到持续外力，且力的传递并不均匀导致某些地方出现受力相对集中的状态时，经过一段时间，应力持续集中的地方就会出现十分微小的裂纹，再过一段时间，微小的裂纹变大，金属中能够传递应力的部分变少，剩余部分不能承担传递的力时，金属就断裂了。

现在，在清华大学航空航天学院的结构完整性实验室内，可以测出金属在不断受力的情况下发生疲劳的曲线规律，还能记录疲劳出现、发生断裂的时间。通过这条疲劳曲线，可以预测金属的疲劳寿命；同时，缺陷也是可以加以利用的，比如做成需要在一定时间发生断裂的工具。

飞机上的金属

我们乘坐的飞机是经过百余年的进化才成为现在的模样。

早期的飞机是木结构的，由张线加固。1909年，路易斯·布莱里奥就是驾驶着这样一架飞机飞越英吉利海峡的。现在看来，它的结构简单极了，但机身精选木料，有上百个金属连接件，工艺绝不粗糙。1919年，容克斯设计的全金属F13超越了时代，与他最早设计的全金属外壳——J.1“锡驴”（Blechesel）相比，F13造型简洁，更具现代感，而当时的主流飞机还是木质机身、帆布蒙皮的。容克斯的设计划直接启发了上世纪30年代金属客机的诞生。后来，为了加快飞机的飞行速度，喷气式发动机应运而生，它先突破了“音障”，完成了航空科技上的一次飞跃，但马上又遇到了“热障”问题。当飞机以超声速飞行时，飞机表面和空气摩擦产生大量的热，飞机蒙皮温度急剧升高；当温度超过250°C时，铝合金就会出现疲劳。上世纪40年代末，耐高温的钛合金出现了，航空技术实现了又一次飞跃——突破“热障”。

综观航空史，每一次航空材料的重大突破，都会促进航空技术飞跃式的发展，而航空材料以其基础地位，与航空发动机、信息技术并列为三大航空关键技术之一。

现在的飞机材料以金属材料、聚合物、无机非金属材料和复合材料为主。飞机在高空飞行时，不同的飞机部件处在不同的温度环境中：有发动机燃气形成的高温环境，有在同温层以亚音速飞行时-50°C的飞机表面温度。飞机在地面时，极地严冬的机场机坪温度会降至-40°C以下，创造或选择合适的材料，并朝着更强、更轻的方向进化，如AreMet100超高强度钢制成的起落架，钛合金为主的航空发动机主材，机体结构钢材，才能让飞机整体性能相协调。

进入21世纪，航空新材料和先进工艺的发展很快。运输飞机既要安全，又要最大限度地节能环保、控制成本。能做到这些，就是现代制造工业的顶峰了。

为金属“赋能”

在飞机制造领域，增强“金属免疫力”是对抗金属疲劳的有效方法。

一方面，在钢铁和有色金属中，加进微乎其微的稀土元素，可以大大提高金属的抗疲劳属性，延长使用寿命；另一方面，减少金属材料中的杂质也能增强“金属免疫力”，延长金属使用寿命。杂质对疲劳性能和应力腐蚀性能影响很大，例如，对于超高强度钢的金属性能，国际上是通过控制硫和磷的杂质含量来保证的。在技术标准中，对于每一种杂质的最高含量，以及所有杂质含量之和都有明确的要求。在金属构件上尽量避免生锈，用辅助工艺提高表面光洁度，以及对产生震动的机械采取防震措施，都能有效防止金属疲劳。在必要的时候，对金属内部结构进行检测，是预防金属疲劳的常用方法。

关于提高金属性能，清华大学材料学院的李文珍教授打了一个比方：就像钢筋混凝土，把混凝土中间加了钢筋，用这种复合材料盖楼就比用混凝土盖得更结实。在北京的CBD可以用这种材料盖600米高的楼，安全性不会有问题。如果往金属里面加东西呢？

在清华大学的材料中心实验室内，在能放大150万倍的场发射透射电子显微镜下，金属是由一个个晶体组成的，晶体越细，金属的性能越强。但是晶体的细是有限度的，到了一定程度，怎么才能进一步提高强度？从一开始，新材料的研发、创造都来自想象：如果把金属看作水泥，把碳纤维管看作钢筋，把它加进去试试会怎样？新材料制备完成，测试显示，金属的强度提高了，重量也变轻了。更强、更轻是材料研究人员的共同目标，同样的，航空材料也有志于此。

现在，清华-富士康纳米科技研究中心的碳纳米管技术世界领先。这种改进传统材料的方法可以衍生出诸多应用：将纳米材料加入铝合金中，既可以提高铝合金的性能，又减轻了重量，在飞机、高速列车上有很大的使用空间；把碳纳米管加入镁合金中，新的复合材料密度大约只有钢的1/4，铝的2/3，是重量最轻的合金。这种合金已经应用于家用吸尘器、除草机等，既轻便，又结实。日本尼康公司曾经找到李文珍教授，提出了将镁合金的质量再降30%的需求。实验室做到了，还制造出了一台尼康单反相机的外壳样本，既有镁合金的硬度，同时轻如塑料，拿在手里感觉非常奇妙。这种镁合金基纳米复合材料是目前重量最轻的金属。将来，如果这种材料应用于尼康相机的外壳和镜头，女摄影师人数将进一步增加，因为单反相机的重量不再是问题。如果应用于显示屏领域，80英寸的电视重量可以减到7公斤，可以随意挂在家中的墙上。

材料的想象空间

历史上，飞机也曾经大量使用镁合金。1934年，德国曾经把镁合金造的零件安装到一架福克Fw-200飞机上，镁合金是最轻的金属，他们用它做了发动机罩、机翼蒙皮和座位框架。这种轻质金属强度高、抗震能力强、可以承受较大载荷的冲击，很快在飞机制造业中大受欢迎，飞机框架、座椅、发动机机匣、齿轮箱上都出现了金属镁合金，但后来又因为阻燃性能的问题淡出航空领域。现在，新的研究方法已经可以开发出更轻、阻燃能力更强的镁合金。航空制造领域目前处在积累用户需求的阶段。人们每天的衣、食、住、行都与身边的材料息息相关。在材料科学的前沿，有电动汽车的新能源材料，有涉及量子的记忆储能材料，有用于心脏起搏器充电的柔性材料，有用5G网络传输8K高清信号的传输材料；同时，还有薄如蝉翼的碳纳米管扬声器，它不再是传统的喇叭，而是可以缝在衣服上、帽子上，或挂在旗子上的柔软的音响装备。

材料是人类文明的基石，航空材料是航空制造领域的基石。空客中国工程技术有限公司的研发部正在与清华材料学院等国内多所高校、多个研究所开展合作，在材料的基础性能等方面开展研发工作。

金属的疲劳性能只是材料的基础性能之一，在飞机的结构设计层面上，在人类可利用材料的研发上，还有太多可供我们想象的空间。

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责任编辑：殷鹏飞