1903年,美国莱特兄弟发明了世界上第一架飞机,所用原料是木材和帆布．飞行速度每小时只有16 公里,和骑自行车的速度差不多．1911年,铝合金研制成功,很快取代了木材和帆布,到第一次世界大战期间,全金属结构的飞机已很普遍了．从木布结构过渡到金属结构,使飞机的性能和速度获得一个飞跃．例如到1939年螺旋桨飞机创造的最高时速已达755 公里,仅36年的时间,飞行速度提高了47 倍．声音在空气中的传播速度为1200 公里／小时,有些人试图用螺旋桨飞机超过音速,但都没有成功．失败和挫折使人们把音速看成是飞机速度无法逾越的障碍,简称“音障”．后来找到了失败的原因: 原来空气是有压缩性的,螺旋桨飞机在高速飞行时,由于压缩空气的影响,机翼或其它部位的表面会出现“激波”,造成升力下降,阻力增加,阻碍了飞行速度进一步提高．于是人们寻求新的动力,造出了喷气式飞机．但是,初期的喷气式飞机仍然没有超过音速,因为喷气发动机的进口温度很高,需要耐高温的合金材料,而英国研制出的镍基合金只能承受700℃,使发动机推力和飞行速度受到影响．到了50年代,高温合金有了进一步发展,已经能够制造耐800℃以上的高温合金,再加上采用了后掠角更大的机翼和其它减少阻力的措施,终于研制出一种飞行速度超过音速的喷气式飞机,突破了以前不可逾越的“音障”．这里,喷气发动机立了一大功,而耐高温合金材料则起了关键性的作用。

可是,在提高飞行速度的征途上,又出现了新的问题．这就是飞机以超音速飞行时,其表面因受到空气强烈摩擦而发热,使温度急剧升高．这种现象叫做空气动力加热．飞机的速度越快,温度也愈高．以飞机在同温层边界飞行(那里的温度是-56℃)为例,当飞行速度等于音速时,飞机的表面温度为-18℃；两倍音速时,温度为98℃；当达到三倍音速时,飞机表面温度会升至300℃．从铝合金的耐热性来讲,当飞机速度达到两倍音速时,铝的强度会显著降低；三倍音速时,就会发生空中解体．通常认为,飞机速度应在二到三倍音速范围内,这种空气动力加热又是一堵新的障壁,称为“热障”．它对飞机的结构、飞行员工作环境和各种设备均带来不利影响,甚至危害．因此,要制造表面耐温超过180℃,即飞行速度为音速2.5 倍的飞机,需要用钛合金(可承受550℃温度)代替铝合金．飞机是一种更新非常快的产品,它不断追求的目标是安全、迅速、舒适和经济．80年代制造成功的新一代中短程飞机波音757 和波音767,能满足低油耗和低噪音的要求,与60年代的波音727 比较,燃油消耗降低了35％。

近十年来,由于石油价格连续上涨,使民用飞机的燃油费用由1973年占航线直接使用费用的18％,上升到1982年的50％,从而迫使各飞机公司积极从飞机的减重入手,采用新的替换材料。

波音757 是一种窄机身短程旅客机,载客190 人；波音767 是一种半宽机身中程旅客机,载客250 人．新飞机的机身和机翼上,大量使用了改进的铝合金和复合材料．水平尾翼和垂直尾翼由于采用聚芳酚胺(凯芙拉)纤维和碳纤维复合材料,使重量比用铝减少了20－40％．波音767 飞机上有24个零部件共使用了三吨碳纤维与凯芙拉—49 混纤复合材料,比早期采用的玻璃纤维—环氧复合材料还要轻．波音767 还是第一种使用铝合金主起落架梁的民用飞机,而波音757 飞机由于空间的限制,选用了钛合金主起落架．此外,两种飞机都增加了超高强度钢的品种和用量。

这样一来,一架波音767 飞机由于采用复合材料减重450 公斤,采用超高强度钢减重900 公斤,采用改进铝合金减重363 公斤,三项总计共1.7 吨．据统计,飞机结构如减轻一公斤,每年可节省燃料2900 公斤,可见其经济效益有多大．波音公司已在90年代的波音旅客机上,进一步扩大使用了复合材料．据称,除发动机和起落架外,大部分结构材料都能采用碳纤维和聚芳酚胺纤维,那么这架乘坐250 人的飞机可减轻重量六吨!

航空发动机的改进是从两个方面进行的,一是更多地使用比重小的钛合金和复合材料,以减轻自重；二是更多地使用工作温度高的新型高温合金,以加大推力和提高热效率．1982年波音767 飞机的发动机上开始使用单晶涡轮叶片．单晶合金的强度、疲劳寿命、耐腐蚀性和抗氧化性都比普通合金高,使整个热效应提高30％。

至于高超音速的航天飞机,其表面温度可达到1000℃以上,这时任何合金都无能为力了,只有采用特种复合陶瓷材料才行。

1981年4月12 日,美国“哥伦比亚”号航天飞机发射成功,引起了世界的瞩目．航天飞机机身长37.2 米,翼展23.8 米,重量为68.8 吨,大大超过了1969年登月的“阿波罗”飞船．它的主发动机使用液氢和液氧作燃料,加上外部燃料箱和两台固体燃料助飞火箭,发射时的全长达56 米,实际重量2020 吨。

航天飞机同时具有火箭和飞机两方面的特性,是一项极为复杂的综合技术成果,涉及空气动力学、气动加热、设计、制造、试验和计算机控制等技术．据美国宇航局称,航天飞机的关键技术有两项: 重返大气层的热防护和长寿命火箭发动机．机身防热材料要求重复使用100 次,火箭发动机要求连续飞行55 次无大修．对于习惯于一次使用观念的火箭设计师,无疑是一次相当苛刻的要求。

航天飞机在空间执行考察任务后,由120 公里轨道再入大气层时,表面最高温度可达1500℃．根据不同部位的工作条件,航天飞机使用四种防热材料: 头锥和机翼前缘受气动摩擦最大,温度最高,超过1260℃,使用表面涂硅的碳—碳复合材料．这是一种以热分解石墨纤维布作为增强剂、碳化树脂为基体的复合材料；机身和机翼下表面需耐热650－1260℃,由两万四千多片高温陶瓷瓦组成；机身侧面和机翼上表面耐热370－650℃,由七千多片低温陶瓷瓦组成；货舱门、尾段、机身等部分温度不超过398℃,防热较为容易,采用聚芳酰胺纤维制造的毡瓦,是一种柔性重复使用材料。

可以看出,航天飞机的热防护系统主要是由防热陶瓷瓦组成,防护面积占全机面积的70％,几乎可以说全身披挂陶瓷盔甲．高温陶瓷瓦和低温陶瓷瓦的尺寸分别是15×15×1.3－8.9 厘米和20×20×0.5－2.5 厘米,都是由直径1.5 微米、纯度99.7％的氧化硅短纤维加入胶状氧化硅热压制成。

陶瓷瓦的特点是重量轻(密度0.14 克／厘米3),耐热性和隔热性好．缺点是具有一定的脆性,并且根据不同的位置来变化形状和厚度,所以粘贴技术相当复杂,全靠人工来一片片粘贴．美国第一架航天飞机“哥伦比亚号”原订1979年11月上天,可是后来多次延期,都是因为防热陶瓷瓦出的毛病．原来临发射前在地面试车时,贴在航天飞机机体上的陶瓷瓦在538－649℃已大片剥落．官员们大吃一惊,紧急召集了一个五人专家小组商讨对策．经过扫描电子显微镜观察后发现,这些剥落的陶瓷瓦中的纤维分布不均匀,导致了传热不良、局部过热．后来在一名美籍华裔科学家的建议下,提高了陶瓷纤维喷硼化硅后的凝固速度,使纤维排列的均匀性不受干扰,才解决了问题．航天飞机第一次飞行结束,经检查机表面各部分的温度未超过计算值,令人担心的陶瓷瓦损坏意外地少,仅剥落700 片左右,加上厚度减少需更换者,仅一千三百余片,占陶瓷瓦总数的4.5％,基本上满足了设计要求。

1982年7月发射的“挑战者号”航天飞机的部分防热陶瓷瓦改用80％氧化硅纤维和20％含硼纤维混合制成的陶瓷瓦代替,效果更好,今后航天飞机的热防护系统仍是有待改进的项目之一。

关于航天飞机发动机所用材料不多,已知高压氧涡轮泵和高压氢涡轮泵采用的叶片,都是用最新的高铬—钴—钨镍基高温合金Mar M246,按定向凝固精密铸造工艺制成,提高了抗热冲击性能．航天飞机主发动机的导向叶片,也采用MarM246 合金,但按更先进的单晶精密铸造工艺制成,这种导向叶片是空心的,用液态氢进行冷却,更进一步提高了抗热冲击性能,从而保证了发动机低重量、长寿命的要求。

航天飞机的研制成功,是人类征服太空的又一次胜利,也显示出在现代技术革命中材料举足轻重的地位。