航空航天飞行器长期在大气层或外层空间运行，在极端环境服役还要有极高可靠性和安全性、优良的飞行性和机动性，除了优化结构满足气动需求、工艺性要求和使用维护要求外，更有赖于材料的优异特性和功能。
对于减轻结构质量，密度降低30％，比强度提高50％的作用还大。铝合金、钛合金、复合材料是主要的航空航天结构材料，具有较高的比强度和比刚度，可提高飞行器的有效载荷、机动性、续航距离，同时降低飞行成本。
超高强度钢（屈服强度＞1380MPa)在航空航天工程中的用量不会超过10%。对于超声速歼击机等现代飞行器，超高强度钢用量稳定在5％~10%，其抗拉强度在600~1850MPa，有时高达到1950MPa，断裂韧性KIc=78~91MPa·m1/2。在活性腐蚀介质中使用的机身承力结构件，一般要采用高强度耐蚀钢，装备氢燃料发动机的飞机要选用无碳耐蚀钢作为在液氢和氢气介质中服役的构件材料。
21世纪的飞行器机身结构材料还是以铝合金为主 ，包括2XXX系、7XXXX及铝锂合金。在铝合金中加入锂，可在提高强度的同时降低密度，实现提高构件的比强度和比刚度的目标。铝锂合金已用于大型运输机、战斗机、战略导弹、航天飞机、运载火箭，主要用于头部壳体、承力构件、液氢液氧储箱、管道、有效载荷转接器等，被誉为极具发展前景的航空航天材料。第三代和正在发展的第四代铝锂合金不再片面追求低密度，有较好的综合性能，在裂纹扩展速率、疲劳性能、腐蚀性能、弹性模量等与第三代铝锂合金相当的条件下，第四代铝锂合金有更高的静强度（尤其屈服强度）和更高的断裂韧性。
钛合金的比强度高于铝合金，已应用于飞机框架、襟翼导轨和支架、发动机底座和起落架构件等，还可用于排气罩和隔火板等受热部分。Ma>2.5的超声速飞机表面温度可达到200~350℃，可采用钛合金作蒙皮。采用快速凝固／粉末冶金方法制备的高纯度高致密度的钛合金，有较好的热稳定性，在700℃的强度与室温相同，开发的高强度高韧性的β型钛合金已被NASA定为SiC/Ti复合材料的基体材料，用来制造飞机的机身和机翼壁板。钛合金在航空器中的应用比例逐渐增加，在民航机身中的使用量将达20%，在军机机身中的使用量将高达50%。
金属基复合材料、高温树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、碳／碳复合材料已在航空航天领域扮演越来越重要的角色。碳／碳复合材料综合了碳的难熔性与碳纤维的高强度、高刚性，具有优越的热稳定性和极好的热传导性，在2500℃的高温下仍具有相当高的强度和韧性，且密度只有高温合金的1/4。混合型复合材料得到了越来越多的关注，如在碳纤维复合材料中添加玻璃纤维可以改善其冲击性能，而玻璃纤维增强塑料中加人碳纤维可以增加其刚度。此外，层状复合材料在航空航天工程中的应用越来越广泛，如 A380采用了3％的GLARE，为新型的层压板。层压板是通过压力使两种不同种类的材料层叠在一起的复合材料，通常由上面板、上胶合层、芯材、下胶合层、下面板构成，其强度和刚度要高于单独的面板材料或芯材，已应用于运输机和战斗机。GLARE层压板是通过压力（或热压罐）把多层薄铝板和单向性玻璃纤维预浸料（浸渍环氧黏合剂）叠接热压而成的，如图1所示。铝板要经过适当的预处理，使其更容易与纤维预浸料层粘在一起。表1为可商业化生产的GLARE层压板类型，可根据需要制成不同厚度的板，纤维可以是2层、3层、4层等，纤维含量和方向符合表中规定即可，每类GLARE层压板可以有不同形式，可根据具体需要进行调整。
图1 GLARE层压板示意图
表1 可商业化生产的GLARE层压板类型
GLARE层压板的拼接技术解决了铝板宽度有限的问题，如图2所示，拼接时，同层铝板间有一条窄缝，不同层铝板间的接缝在不同位置，这些接缝可以通过纤维层和其他层铝板连接起来，使得大型机身壁板或整体蒙皮制造成为可能，并具有出色的抗疲劳、抗腐蚀和阻燃性能，从而消除了铆钉孔及由此引发的应力集中。为了确保载荷的安全传递，可在拼接处增加一个补强层，即增铺一层金属板或一层玻璃纤维预浸料。
图2 GLARE层压板拼接示意图
蜂窝夹层复合材料由夹层和蒙皮（面板）复合而成，蒙皮可以是铝、碳／环氧复合材料等，夹层形似蜂窝，是由金属材料、玻璃纤维或复合材料制成的一系列六边形、四边形及其他形状的孔格，在夹层的上下两面再胶接（或钎焊）上较薄的面板。铝蜂窝夹芯复合材料的芯材由铝箔以不同方式胶接，通过拉伸而制成不同规格的蜂窝，芯材的性能主要通过铝箔的厚度和孔格大小来控制，具有比强度和比刚度高、抗冲击性能好、减振、透微波、可设计性强等优点，与铆接结构相比，结构效率可提高15%~30％。蜂窝夹层结构材料可用来制作各种壁板，用于翼面、舱面、舱盖、地板、发动机护罩、消声板、隔热板、卫星星体外壳、抛物面天线、火箭推进剂储箱箱底等。但是，蜂窝夹层结构复合材料在某些环境中易腐蚀，受冲击时，蜂窝夹层会发生永久变形，使蜂窝夹层与蒙皮发生分离。
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