在航空领域有一句话，相当精辟。叫一代材料，一代飞机。人类航空史的一百多年，飞机发展的快慢，很大程度上，就看材料是不是给力。

你想，飞机这个机器是要上天的，被空气托起来。所以对飞机材料的直接要求，就是一个字，轻。只有够轻，它才能离地，这一点和你熟悉的汽车有很大区别。设计汽车，虽然也要考虑减重，但是它对重量的追求远比不上飞机，更不会有什么“为每一克质量而奋斗”、甚至“飞机减重一公斤就奖励一公斤黄金”这种吓人的口号。

除了轻，还有一个非直接的要求，就是要结实。不然那机翼被空气一托，还没能离地呢，就变形了，岂不是很尴尬？这两个要求，用科学化的语言来表述，就是两个指标。一个是密度，一个是强度。密度指的是单位体积下材料的质量，强度是材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。

这个永久变形，是啥意思？变形就变形呗，为啥还说永久变形？因为变形啊，它也分情况。就像你拉一个弹簧，劲儿别太大，一松手，弹簧还会缩回去，和原来一模一样。这个变形，是可逆的，你可以叫它弹性变形（elasticdeformation）。但是如果你大喊一声，大力出奇迹，用劲儿过大，这弹簧可能就再也回不去了。这个变形，就是塑性变形（Plasticdeformation），也就是咱提到的永久变形，回不去了。

材料发生永久变形，无论是被拉的还是被压的，就是被搞废了，用不了了。所以说，兄弟们，凡事咱得有个度啊，千万可别纵欲，把自己搞废了。材料的强度，你就可以理解为，我把这个材料搞废，需要用多大的力。对于造飞机的材料，人们总是希望它密度越小越好，强度越大越好。但是尴尬的是，密度小和强度大，又往往是个矛盾。于是为了衡量材料是不是够轻，是不是够强，又发明一个单位，叫比强度。也就是强度和密度的比值，很显然，比强度越大，就说明这个材料可能更适合造飞机。

好，基础知识介绍完了。下面咱看看这行业一百多年的发展，是如何体现一代飞机，一代材料这个口号的。一架飞机非常复杂，总的来说可以分为机体、发动机、机载设备和座舱。其中最讲究的，是飞机的机体和发动机，毕竟要受力，要承受高温。机载设备和座舱，跟你小汽车里面用的就没啥大区别了。所以咱后面说的，主要也是飞机机体和发动机的材料。

最早的飞机，莱特兄弟在年放飞的飞行者一号，你猜它机体的主要材料是啥？是木材。47%的重量都是木的，其次是35%的钢和18%的布。木材这种材料，密度很小，尤其像莱特兄弟砍来的北美云杉木，虽然强度不是特别高，但是扛不住人密度小啊，所以比强度也很大，如果单位是牛米每千克，它比强度可以到，很高的。用木材做飞机机身的骨架，外面包上亚麻布，形成飞机的气动外形，开起来很爽。而关键的受力部位，比如起落架，用的是强度很大，密度也很大的钢。这是机体，飞行者一号的发动机，为了减重，材料也从原来的铸铁换成了铸铝的。这个发动机，也是人类第一种铸铝的发动机。

但是呢，后来飞机越飞越快，机动性越来越高，木材它比强度大的优点就掩盖不了它强度低的缺点了，再加上容易着火、容易腐蚀、容易有蛀虫、容易吸水，设计师就开始移情别恋了。年，德国人威尔姆吃惊的发现，如果在纯铝里面加点铜，再加一点锰和镁，然后热处理一下，这原本很软的铝，一下子就支棱起来了，密度不咋变，但是强度可以增加七八倍。这个铝，就是大名鼎鼎的杜拉铝，又叫硬铝，也是人类发明的第一种铝合金。之所以叫杜拉铝，是因为当年生产这个铝合金的公司，叫杜拉金属公司。和海参炒面，厨师叫海参，有异曲同工之妙。

这个杜拉铝，强度是木材的六七倍，但是比强度反而比木材低，都不到，现在你知道那个北美云杉木的比强度有多厉害了吧。俗话说，战争是人类科技最有效的催化剂，第一次世界大战的爆发，很有力地推动了这个杜拉铝在飞机上的应用。毕竟，在战场上，你飞机是不是够灵活，能不能多装点子弹，那可是生与死的区别。但是这时杜拉铝取代的，主要还是一部分钢。非受力部位，还是用的木材，外面的蒙皮，依然还是布。

一战结束后，德国人更进一步，研制了全世界第一架全金属客机，荣克斯F13，彻底把木材和布从飞机上拆了下来。飞机变成了铝和钢的结合，起落架、机翼的主梁、一些螺栓，还是钢的。但是机身其他地方，就都是铝合金了。在这之后的几十年，在飞机上占统治地位的材料，就是铝了。到年代，全金属飞机的飞行速度就可以飞到公里了，比一战飞机的一二百公里，快了好几倍。

飞机上用的铝合金，也分好多种，之前咱们也讲过铝合金的各种牌号，很复杂。总结一句话，就是铝合金和铝合金的差距，比人和狗的差距都大。

铝合金轻不轻？轻！铝合金硬不硬？硬！但是，铝合金有个致命的缺点，就是熔点太低了，只有多度。这一点，各种不同硬度的铝合金还是很统一的，加热到度，各路好汉，都能化成水了。其实在飞机的大部分地方，是搞不到度的，但是有一个地方，堪称人间炼狱。我想你也能猜到，就是飞机的发动机。尤其是现在的涡轮发动机，那里面一两千度，铝合金压根不敢靠近，瞅一眼就浑身发抖，然后软了。

发动机温度高，这咱都知道。那除了发动机，是不是就意味着铝合金可以横着走了呢？也不是。这就要说到铝合金另一个致命的缺点了，就是强度会随着温度升高而急剧下降。温度升高到度，还远没有到它的熔点呢，这铝合金强度就能下降一半，基本就废了。

在飞机上，你说达到五六百度不容易，但是升到一两百度，那可是很随意的。尤其是军机，那速度飞起来，就飞机表面和空气的摩擦，都能摩到多度。那咋办呢？钢的太重，铝的太软。这就要请出另一种大名鼎鼎的材料了，以金属钛为基础的钛合金。

钛这个金属可真是好东西啊，钛合金密度比铝合金大点，但是扛不住强度比铝合金高的多，所以比强度，就是铝合金的好几倍了。熔点呢，是1多度，比铝高了度。而且在四五百度的温度下，依然很坚挺。还有耐腐蚀，什么海上的盐雾，不知道从哪来的盐酸硫酸，根本不怕。另外，低温性能也很好，零下二百度也不会变脆；生物兼容性也好，做个人工关节啥的，好使！不过这个耐低温和生物兼容性跟飞机没啥大关系。总之啊，钛合金真是个好宝贝，除了贵，没啥大的缺点。不过，还是那句话，嫌它贵，那是你的缺点，不是钛合金的缺点。

硬要说钛合金哪点不好，还真有一个，就是钛这个金属啊，它导热系数不好，也就是导热能力差，差不多只有铝合金的十六分之一。你一听，会问了，这不是给钛泼脏水吗？导热不好也能算缺点？我之所以用它，是冲着它强度高、耐高温并且密度不大，这导热不好，说不定还是好事啊！导热不好，就代表保温性能好啊，比如我用钛合金做个飞机蒙皮，还能防止机身摩擦产生的热量传递到机身里面，连保温层都省了，多好。

没错，很有道理。但是啊，制造业，你总是离不开车铣刨磨钳这些加工工艺。你想，你加工钛合金，无论是车还是铣，那刀头在钛合金上面滋啦滋啦磨起来，会发热。由于钛合金导热性能太差，加工产生的热量就不能及时导走，就会导致加工的地方热量积累，温度升高，甚至可以升高到大几百度上千度。这么高的温度，先不说对钛合金有啥坏处，这加工的刀头它也受不了。一个刀头可不便宜，你说你开着车床，动不动就报废一个，老板他不骂娘吗？完了还说你这车床开的不好，要扣你钱。钛合金难加工的这个特点，导致它的使用成本更高了。

钛合金虽然贵，但是总有不差钱的主儿。美国人年放飞的SR-71黑鸟，由于飞行速度可以到3倍音速，这空气摩擦产生的热量很猛啊！最终，这飞机的机身结构，钛合金的重量到了惊人的93%，这玩意简直就是个钛疙瘩。另外，还有我们之前讲加拿大的航空工业，他们的行业巅峰，也是收棺之作，年首飞的CF-箭式战斗机，也用了很多钛合金。这个时间，比美国人还要早好几年。

但是，咱常说一句话，能用钱解决的事，通常都不叫事。对有些国家，钛合金不见得能搞的出来，搞的出来，产能也不见得够，有钱也买不到。比如苏联的米格25，这是一个高速截击机，主要拦截目标，就是美国的黑鸟侦察机。黑鸟都飞到三倍音速了，那你拦截它，速度肯定也要够快，速度快，就必须解决气动摩擦发热的问题。美国人用的是钛合金，但是毛子哥当时加工制造钛合金的工艺还不成熟，产量不行。最后没办法，米格25的机身结构，大部分都是同样耐高温，但是更重的不锈钢。所以江湖上对米格25一直有个外号，叫飞行的不锈钢。

据BBC的一篇文章，美国人造黑鸟用的钛合金，原料还来自苏联。提炼钛金属的矿石，叫金红石，主要成分是二氧化钛。当时，美国人就缺这种矿石，但是苏联人很多，就偷摸从苏联搞了一些，造了黑鸟这个简直像外星科技的飞机。当然，这个事，是不是真的我就不知道了，毕竟BBC也不是骗我们一次两次了。

其实，苏联这个米格25之所以成为飞行的不锈钢，一块铁疙瘩，而不是钛疙瘩，除了加工工艺，我觉的还有个很重要的原因。就是米格25的产量，实在太大了。最后生产了多架啊，而黑鸟呢，只有32架，连零头都不到。这么大的产量，如果用钛合金，那可要老命了，即使是物产丰富的苏联，可能最后也会呻吟一声：我真的，一滴都没了。

一直到今天，钛合金依然是飞机上的常客，尤其是发动机。但是从重量占比上来看，远称不上主流。温度不是很高的地方，用不到它，便宜的铝合金就够用。温度很高的地方，钛合金也受不了。应对极端高温，还有一种材料，叫高温合金。这听名字就能知道，高温合金，耐高温的合金。比如著名的镍基高温合金，八百一千度的高温，问题不大。你一块钱的硬币，锃光瓦亮的，那表面就用了金属镍。

镍基合金确实很耐高温，但是缺点嘛，就是太重，密度跟不锈钢差不多了。现在的飞机发动机，里面高温合金的重量都能占到发动机总重量的50%，像燃烧室、叶片以及涡轮盘，都是高温合金的。有必要强调一下，高温合金这么扛烧了，但是面对发动机里面的极端高温，也吓的直哆嗦。所以在发动机温度特别高的地方，都会有专门的冷却孔，从压气机引一股气通过去，形成一层空气保护膜，来防止金属被烧坏。比如涡轮叶片，你看外面就有很多冷却用的孔，里面结构也复杂着呢，可不好加工。

好，到这，百年来，人类造飞机用的金属材料，基本就这些了，铁、铝、钛、镍，其中铝，牢牢占大头，比如空客的A，铝合金的重量占比，就达到了60%多。虽然铝合金已经很轻了，但是人类在给飞机减重这件事上，追求是无止境的。而且这个追求，成果是很明显的。这跟你的减肥可不一样，很多人天天喊着减肥减肥，结果都是越减越肥。

继续给飞机减重，人们盯上了铝合金，这个造飞机的主要材料。取代铝合金的，是一种非金属材料，碳纤维复合材料。碳纤维一层一层铺起来，中间用胶粘一下，您猜怎么着，又轻强度又高。强度可以到铝合金的五六倍，但是密度只有铝合金的一半，哎呀，夫复何求啊！而且，不容易生锈，不像金属那样容易金属疲劳，贼好用。空客的A上，复合材料占比，只有20%。但是到波音，复合材料的重量占比就达到50%了，彻底把铝合金踩在了脚下。未来，复合材料肯定还会一步步取代更多的金属材料，包括钢、钛。

复合材料多，飞机更轻更省油那是必然的。但是省油这一点，乘客是感受不到的。不过，有些变化，乘客的感觉是很直接的。比如很多人说波音舒服，飞机里面的空气没那么干，也不会感觉空气压耳朵。这一切，很大程度上就归功于复合材料。相比铝合金，复合材料不怕水腐蚀，也不怕机舱的频繁充气放气导致材料老化，工程师设计飞机，胆子就更大了嘛，做出来的飞机肯定更得劲。

那有人问了，这复合材料难道真就这么完美吗？没错，复合材料也有缺点。其中最主要的，就是这玩意坏了，不好检测。比如飞机在天上飞，咣一下被鸟撞了。如果是铝合金，直接就是个大坑，你是不是以为撞个坑不好？非也，有个坑，落地之后你一眼就能看出来它受伤了，该修修该补补，别带病上天。

但是复合材料它不行，嘴硬的很，每次离开都装作轻松的样子。如果被撞一下，有可能它表面啥变化都没有，但是实际上已经有内伤了，很难看出来。而且即使看出来了，也不好修，维修成本挺高的。另外还有一个，就是复合材料它不是金属，它不导电。就有可能造成飞机上局部的电荷聚集，产生高压电，很危险。所以飞机上用的复合材料，都会在里面铺上一层铜丝，来把这个非金属材料变成导电的。

总结一下，这一百多年，造飞机的材料，用的很多。但是主流的，到现在，就三类。从刚开始的木材，到一战后的铝合金，再到如今的非金属复合材料。很多人有误会，以为飞机是铁的，其实不然，钢铁在飞机上面，从来没能成为主流，铁疙瘩毕竟还是特定时期的极少数。你现在出门坐的飞机，大部分都还是以铝合金为主。其实我有个好奇，为啥汽车没有用铝合金的？我搜了一下，有人说很简单，就是太贵了，我也不知道真假。如果读者有造车的，欢迎给我科普一下。

除了这些主流材料，还有一些非主流的，甚至可以说冷门的材料，几乎成为飞机专用。比如我的母校，西北工业大学张立同院士研究的陶瓷复合材料，还获得过国家科技发明一等奖。西工大的陶瓷基复合材料工程中心，就在西安的阎良。从这看，陶瓷复合材料用在哪，就显而易见了吧。

最后不知道有没有小伙在边哭边打字，说马老师你净扯淡，你说一代材料，一代飞机。听你这意思，材料很重要，但是我就是学材料的，大家都说生化环材，四大天坑，而且这个生化环材，还是有先后顺序的，材料还在天坑的底部。咋回事？其实不瞒你说，我也很好奇。我也不知道材料专业为啥找工作这么难，待遇这么低。我想，是不是这个行业节奏太慢了？你看那一百年，飞机上的材料才更新了三代，机会相当有限。就跟传统机械一样，你辛辛苦苦搞个扳手出来，非常好用，也非常耐用，结果人家买回去，爷爷传给孙子，扳手还能用，你这不是断自己的路嘛。做的东西更新太慢，不好赚钱。

另外我想着，是不是还有个原因，就是在整个材料行业的产业链上，咱们中国的国际分工太低端了？赚钱的部分不在我们这，留给我们的就只剩高耗能高污染。就跟苹果手机一样，手机是赚钱，但是组装手机并不赚钱。这一点，如果你在国外，而且恰好干的又是材料行业，欢迎来分享一下，你那边的材料专业是不是天坑。