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這兩種材料在陸路、海洋以及飛行器上的競爭非常激烈，特別是后者，該領域受減重和燃油效率的推動大。一段時間以來，復合材料漸漸滲入航空金屬的領地，起初的規模較小，現在已經達到這樣的程度：新型飛機的50%是塑料做的。它們的首要優點在于其減重能力，但是它們的其他特點，比如抗腐蝕和抗疲勞性能也同樣吸引人。

但是，金屬也進行了還擊。以龐巴迪公司的案例為例，該公司的C系列客機進行了大膽的嘗試，削弱了波音和空客雙頭壟斷飛機制造的統治地位，他們采用了一種徹底的節油設計。龐巴迪決定設計一種全復合材料機翼，他們起初也為其機身設計考慮采用碳纖維復合材料，就像波音與空客公司一樣，他們分別在其新一代B787夢幻客機和A350WB客機上開發了與增強塑料機架一致的復合材料機身。這家加拿大飛機制造商對機翼制造所做的決定相對簡單，因為他們通過灌注成型大型部件，還包括完成縱梁和加強筋，減輕了重量，因為單一的實體比較堅固。

然而，采用碳纖維增強復合材料機身的理由就不那么明確了，該公司為直到飛機尾部的所有部件都選用了鋁鋰合金，這種金屬組合減輕的重量與碳纖維相當。機身上用于零部件組裝的空間變小，對于高頻短程飛機，潛在的運營商們對于其處于較低位置的碳纖維機身部分的維護問題表示擔憂，這種飛機很可能要比這兩大壟斷巨頭的長途寬體飛機承受更多來自地面車輛的損害（這是因為會在地面裝載時發生貨物車輛等的撞擊）。

新型金屬，例如用于C系列飛機機身的肯聯鋁業（Constellium）旗下的Airware鋁-鋰合金是碳纖維復合材料的一個強大的競爭對手。Airware也被空客指定用于A350的翼肋、座椅導軌，以及其他零部件上，A350的結構中約有16噸金屬材料。肯聯鋁業的航空和運輸業務總裁Christophe Villemin指出，Airware能夠很好地適應現有的金屬制造技術、供應鏈和裝配方法，使之擁有高生產率。它比傳統鋁材輕5%，同時又具有優秀的防腐蝕能力和機械性能。盡管合金中有鋰的存在，但合金本身不是并不是反應性的，盡管鋰在這方面是出了名的。此外，金屬能在其航空服役期結束后回收再利用，而碳纖維復合材料只能拼盡全力來實現這一點。

除此之外，新的生產技術也提高了對金屬的呼聲。目前波音公司有一個計劃，就是嘗試實現金屬機身面板上緊固件（鉚釘）安裝的自動化，該工藝目前需要技術熟練的技工結對進行工作。自動化操作的成功能夠加速工藝過程，消除工人技術的變化因素，并在長期的生產運行中節約金錢。積層制造技術（3D打印）是另一個潛在的變革者，該項技術早在支架生產、燃料噴嘴，以及類似尺寸的零部件生產中得到應用，但是它將可能適應于大型零部件的生產。（這項技術目前也應用于塑料領域。）

盡管Airware，也許還有其他新型金屬，擁有著強大的競爭力，尤其是當它們與改進的制造技術相結合時。但是，在減少零部件數量方面，復合材料仍然能夠取勝，只要采用適當的加工方法，塑料仍然可以提供更低的重量和更少的生產成本。盡管如此，因為金屬材料擁有完善的設計規范和應用史，許多設計團隊依然刻意避開塑料，而沉迷于金屬帶來的熟悉感和親切感。他們只是注意到波音公司在介紹其夢幻飛機時講述了與復合材料相關的難題，在A350飛機上，同樣的難題還可能以相似的方式繼續折磨空客公司。（這些問題曾在《增強塑料》雜志往期的文章中報道過。）

熟悉程度依然是材料選擇過程中的重要因素。比如，這種情況在商飛C919支線飛機上就顯而易見，該機型現在處于設計改進階段。據報道，商飛有兩套作業流程，其一基于鋁-鋰合金，另一條則以復合材料為基礎。這家飛機制造企業認為，假如復合材料存在過大的項目風險，就可以轉而選用金屬構件。輕型飛機制造商塞斯納（Cessna）同樣避免跟隨其某些競爭對手走復合材料路線，而是選用了久經驗證的金屬材料解決方案。然而近來，為母公司德事隆集團（Textron）的Scorpion輕型戰斗機所投入的工作，令這家公司更多地接觸了復合材料。這家公司已經開發了一種專利的熱壓罐技術，根據這家公司的首席執行官Scott Ernest所說，這項技術能夠幫助“明確”復合材料的生產成本，并提高產量。未來，塞斯納可能因此而更加傾向于選用復合材料。

業界的謹慎態度是能夠理解的，尤其是有證據證明，在某些情況下對復合材料的選用可能是過于草率的。一個有說服力的實例是大客機空客A380超巨型飛機的飛機機翼。在金屬主機翼研發期間，為了應對減重目標帶來的挑戰，決定將內部結構中的幾根翼肋制成復合材料制件，這樣，每片機翼就能節約大約300千克的重量。這些翼肋通過螺栓聯接的鋁制支架連接到金屬機翼蒙皮上。

不幸的是，其中的一些支架在服役期間發生了開裂，后可能已經完全失效了。這歸因于制造工藝，以及因不斷暴露在巡航高度的寒冷環境下造成的金屬與復合材料之間的熱應力問題。由于當時對材料界面性能的了解不夠徹底，導致在設計階段對整體效果給予的考慮不夠充分。

空客公司認定，佳的長期補救方法是替換那些帶有鋁制支架的復合材料翼肋面板，采用全金屬-金屬界面。為此制定了一個新的鋁材牌號，結合了所需的強度、重量和抗疲勞等其他特性。從今年晚些時候起，這項修復工作將成為所有已交付的A380客機生產標準的一部分，與此同時，對現有飛機也著手進行了修改。這個挫折對復合材料來說是一個打擊，對空客公司來說亦是如此。

另一場金屬的勝利則由波音公司決定從復合材料轉而投向金屬材料開始，這項決定針對其為B737 Max研發的新款發動機艙零部件，這款機型是無所不在的B737飛機的主機換裝升級版。在新型的高燃油效率CFM Leap B發動機上，其推力反相器內殼將采用鈦金屬，而不是用于其舊款CFM 56發動機上的復合材料。波音公司表示，比起使用復合材料內襯，這款金屬內襯更輕，也能讓機艙變得更小。

不只是斗爭

但也并非全部都是斗爭。例如，一片采用復合材料制作蒙皮并包覆在金屬骨架上的機翼，這就像是一種合作，每種材料都被用在其特有的材料特性能夠發揮其佳優勢的地方。龐巴迪的C系列機型采用復合材料機翼和金屬機身的方案也是如此。從這個角度看問題，你也可以在一些案例中發現，以混雜材料的形式獲得的融合，比互相比鄰使用，但本質上仍分離的情況更加密切。某些輕于空氣的車輛集中體現了這一點。著名的齊柏林公司（Zeppelin）將碳纖維與鋁材相結合，應用于其新一代飛船的內部框架。類似地，加利福尼亞的Aeros公司說，對于其革命性的Aeroscraft飛船，其要求嚴格的內部桁架結構將采用碳纖維/金屬混雜材料。

在直升機生產領域，正在制造能夠利用兩種材料各自特性的防撞結構。有時候，設計者們喜歡辯稱復合材料缺乏鋁材一樣的延展性，因而在碰撞中的防護性更差。相反地，F1賽車的比賽現場卻表明，通過設計，即使在時速200英里的沖擊力下，復合材料也能保護駕駛者。

的確，有些專家建議，未來的航空結構可以與這些金屬混雜材料相結合，例如金屬-碳纖維夾層結構，或者結構中的某些纖維氈是金屬材質的復合材料。盡管提供了“純凈的”復合材料所缺乏的保護能力，這些高度整合的材料組合也會遇到關于雷擊的問題。

未來的飛行器的概念很可能會更多地依靠金屬混雜材料。空客公司在“歐洲突破性層流翼驗證機”（Breakthrough Laminar Aircraft Demonstrator in Europe，簡稱BLADE）項目上的工作涉及了以另一種用復合材料/金屬材料制造的產品取代空客A340飛機的外翼。通過使用復合材料，這種產品可能實現一個沒有瑕疵的光滑表面，通過增強層流流動（光滑無漩渦），它能減少25%甚至更多的阻力。表面光滑的機翼蒙皮的內部需要堅硬的金屬內部結構來支撐。為了在減少油耗方面謀求下一個突破性的進展，實現更大的層流將成為設計者的主要焦點。

這些案例說明材料間的結合越來越緊密。GKN Aerospace（GKNA）公司是領先的飛機制造轉包商，它作為Bell公司與Lockheed-Martin公司合作的新型Valor第三代傾轉旋翼機指定的零部件供應商，扮演了中間人的角色。GKNA公司將新的金屬和復合材料技術相結合，用來生產這架飛機的關鍵V型尾翼及其關聯組件。它能利用其在混雜材料以及接近混雜材料的結構生產方面的經驗，例如，發動機艙和飛行操縱面板。

對于高的受壓區域，另一種材料發揮了作用——那就是鈦。這種金屬一直用于需要鋼材的強度，但要求重量減半的應用場合。其中的一個案例是翼根，此處所受壓力特別高，若采用鋁材為解決方案則太重。鈦金屬與碳纖維復合材料在此處的應用中奪得了首要位置，這種競爭更擴大到了中央翼盒，但是，由于制造商更愿意使用組合型材料，我們將很可能在這些關鍵區域看到所有的三種航空用主要材料——復合材料、鋁合金和鈦金屬。

一個有關金屬與復合材料親密合作的突出案例是纖維增強金屬層壓板。在A380飛機上，上半機身壁板（頂板）由玻纖增強環氧樹脂鋁層壓板（GLARE）制成，這是一種真正的混雜材料，將玻纖增強層與鋁箔層交替鋪層而成。結果結合了兩種材料的佳品質。于是，GLARE混雜材料就結合了出色的損傷極限，以及防火、耐腐蝕和抗疲勞特性，還在被以金屬對待的同時減輕了重量。

不只是航空工業

盡管航空是吸引人注意的領域，但復合材料和金屬真的可以互為補充，這遠非它們唯一的應用領域。另一項應用在于船舶工業：以法國的拉斐特（LaFayette）級護衛艦為例。其上層建筑為輕質合金和玻纖增強復合材料，減少了頂部重量，這是自不斷減少船只大型部件重量以來一個穩步增長的目標。木材也被引入到混合材料之中，由于拉斐特是一種隱性巡防艦，所以它能夠吸收而不是反射雷達信號，這是非常重要的，而木材具有這種特性。類似地，Ingalls Industries公司為美國海軍所制造的朱姆沃爾特（Zumwalt）級驅逐艦的金屬船體上有一個900噸重的碳纖維復合材料甲板室。

高性能帆船的特點是擁有碳纖維復合材料船體和甲板，但是設計者們喜歡在艙底（地板）下方采用一些不易彎曲的金屬內框架來承受桅桿和索具的負載。避免了受高張力牽引的索具通過支索牽條安裝在船體上的趨勢，由于復合材料在壓力下會隨時間發生蠕變，這將使復合材料船體殼漸漸受牽拉而變形。將船體框架與索具相結合，能夠形成一個不易彎曲的高強度結構。然而要注意，桅桿依然是復合材料需要征服的一個制件。

軌道車輛也需要較低的重心，以及特定的小重量，使之保持在軌道上。然而，為了節約燃料，減少一些重量是可取的。因此，復合材料在車輛的內部非常重要，而在車身上的作用較小，僅低限度地使用在底盤和機械零件上，占車身材料的比重小。高速列車的車身成為復合材料前端和駕駛室越來越完美的結合，它需要復雜的空氣動力學曲線，其余結構則采用金屬材料。

在減重需求上，公路運輸是僅次于航空工業的應用。汽車是這樣地普遍，即使車輛僅僅略微提高了燃油效率，整體上都能對的能源經濟和環境帶來顯著影響。在該領域，復合材料的應用甚至多于航空領域，復合材料一方面被看作入侵者，另一方面被看作救助者。也是在這一領域，復合材料和金屬看起來就像會達成和解，兩者都能貢獻其特殊的優勢。

復合材料不僅減輕了車身重量，也解放了設計者，他們能夠采用新的造型或者復雜的輪廓，這些無法通過鋼材來實現——就像在小批量汽車產品中所見，比如賽車和超級跑車。在量產車上的廣泛采用仍然受成本、生產周期、材料界面問題、損傷修復、報廢處理，以及與現有工藝不相容，比如A級車身表面處理等問題的影響而受到阻礙。其他的一些障礙還包括在現有設施上的高額投資、相對缺乏復合材料設計標準，以及對現有設計和制造技術親切的熟悉感。然而，隨著材料和工藝的改良，以及更多的零部件整合，生產成本和周期時間正在逐漸減少，而且復合材料的應用經驗也在漸漸累積，盡管看起來尚未達到臨界點。

也許，在某種意義上，這種情況不會發生。但有跡象表明，混雜結構中的金屬和復合材料將成為一個綜合體，而不會大規模地轉向復合材料。正如一位來自一家主要汽車設計中心的專家所指出的：“出現了一種新的建造風格，它采用全新的材料組合。”他補充說，這些材料將包括金屬、高分子復合材料、納米材料等。

頂級汽車市場正在指明方向。蘭博基尼Aventador跑車的碳纖維單體殼艙室是其一大特點，這輛超級跑車還在其輕質抗扭底盤上結合了碳纖維和鋁材兩種材料。該公司在其Aventura和Gallardo生產模型上使用了相似的復合材料。由于采用了碳纖維復合材料車身和超成型的鋁質窗框和車門，以及具有鎂材增強橫梁的金屬框架，克萊斯勒的SRT Viper超級跑車比他在2010年的舊款汽車減輕了32%的重量。英國熱門的汽車之一，麥克拉倫P1擁有一個碳纖維增強單體殼，輕質的碳纖維車身面板和鋁質前后車架。阿斯頓馬丁新款的Vanquish模型車擁有一個具有金屬框架的簡潔的CFRP車身。

混合動力車和電動車目前的銷售量較小，但是被認為是未來的汽車，它們將依賴于復合材料來減少車身重量，但仍然需要一些金屬承載結構。例如，來自法拉利、麥克拉倫和寶馬公司的混合動力車有效地結合了不同材料的材料特性。可以肯定的是，法拉利為其混合動力車設計了一款復合材料底盤，這輛汽車的主要材料是碳纖維，但是使用了4種不同類型碳纖維的手糊層壓、熱壓罐固化結構非常昂貴，排除了高級汽車行業以外的類似解決方案。

有趣的是，寶馬的新款i3電動車進行了量化設計，是一款更具代表性的面向公眾的汽車。寶馬采用了碳纖維車身，用來補償很大的電池重量。這家德國汽車制造商認為，碳纖維帶來的減重方面的好處，消除了材料更高的成本，這足以證明其使用價值。而金屬仍應用于混合材料之中。

考慮到增強塑料的使用，汽車材料的變化特別多種多樣，包括在聚酯、環氧樹脂、尼龍、酚醛和熱塑性塑料中采用玻璃纖維、碳纖維、巴沙輕木及合成纖維。材料形式從片狀模塑料到塊狀模塑料，從纖維編織布和單向布到預浸料，變化多端。材料的演變將決定哪些將主宰道路運輸未來的混合材料解決方案。

材料領域激動人心的進步——從新型合金、金屬的超級成型和粉末技術，到新的化學反應、工藝，以及塑料納米管，將會繼續培養兩大陣營間的競爭性。積層制造技術以及至今仍然未知的技術研發，將為雙方提供支持。但是總的說來，似乎未來的運輸系統，既不會由金屬主宰，也不會由復合材料主宰，雙方將在優化的混雜結構中進行聯合協作。