新材料：高端复杂制造业的基石

陈培儒

对于航空业而言，“一代材料，一代飞机”已经成为行业发展的规律。从波音公司多个飞机型号的发展中，不难发现新材料的应用和飞机技术的创新是密不可分的。在发动机制造领域，这一规律同样适用，从第一代发动机的结构件主要采用金属材料到如今第四代发动机广泛应用复合材料，发动机的燃油效率实现了质的飞跃。

国外相关研究表明，如今全球约 20%的技术发明与材料相关，因此，新材料技术和信息技术、生物技术、新能源技术被视为21世纪的支柱性高新技术，世界各国尤其是发达国家在支持新材料的研发和产业化应用上从不吝惜政府的“有形之手”。

成就众多经典机型

作为大型商用飞机领域唯一的“百年老店”，波音新机型的发展史是其新材料应用的一个缩影，一代代新材料成就了多个波音的经典机型。

例如，在787项目中，波音用15%的钛合金和50%的复合材料代替了原先的铝合金材料，大大降低了飞机本身的重量，这不仅提高了运营商的经济效益，更为我们的生存环境成功“减负”。

碳纤维复合材料具有质轻、高强度、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性。在787飞机上，波音对不同材质的复合材料进行了大胆的“排列组合”。其中，机身、机翼和尾翼采用了碳纤维层合结构，升降舵、方向舵保留了传统的碳纤维夹芯结构，发动机舱除受力较大的发动机吊架外，均采用碳纤维夹芯结构，整流罩采用玻璃纤维夹芯结构。得益于787飞机的热卖，日本东丽公司已经从波音获得了超过1万亿日元的飞机用碳纤维订单。在787项目后，东丽公司成为波音多个型号飞机主机翼部分復合材料的独家供应商，其中包括在研的777X项目。

玻璃纤维复合材料由于具有耐烧蚀的特性，在787飞机上被应用于机翼、前后缘、尾翼、地板梁和后承压框等部位，总用量占飞机结构总量的5%。尽管有人因此笑称787为“塑料飞机”，但玻璃纤维材料的大量应用使得大幅提升客舱湿度成为可能。合适的客舱湿度能明显提高乘坐体验，让每一次飞行变得更加惬意，这也是波音787被称为“梦想客机”的重要原因之一。

氧化陶瓷基复合材料（CMC）是使用温度最高（1650℃）而密度最低的结构材料，是作为发动机燃烧室、火焰稳定器、内锥体、尾喷管涡轮外环及涡轮等部件最理想的材料之一。

2014年，波音、罗罗等四家公司联合研发了氧化陶瓷基复合材料航空发动机喷嘴。该发动机喷嘴后来成为了787飞机航空发动机的喷嘴，也是当时全球利用氧化陶瓷基复合材料制成的最大单体部件。从使用情况来看，这种新材料不仅表现出良好的热强度，同时能够有效减轻发动机自重，降低燃油消耗。

除了复合材料之外，轻合金材料在波音787、777X等项目上的应用也十分抢眼。

铝合金、钛合金、镁合金都属于轻型合金，尤其是铝合金、钛合金已经成为飞机轻量化的关键性合金材料。777X由于大量采用先进的合金作为结构材料，使机身减轻了1450公斤。

钛合金主要用于飞机结构件及发动机的制造，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件。根据统计，如今波音系列飞机的平均钛合金用量约为33.7吨/架。其中，每架787飞机的钛合金用量达到约116吨。

在波音的多个飞机型号中，铝合金也扮演了重要的角色。铝合金质量轻、强度高、加工方便、价格便宜，常用于制造飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架等。在737MAX项目中，机身采用铝合金半硬壳式结构，后缘襟翼采用铝合金蜂窝结构。在747-8项目中，波音广泛采用了新一代铝合金，在襟翼、扰流板、短舱和方向舵中采用了铝合金-石墨复合材料。得益于此，747-8的重量减轻了907千克。

更轻、更强、更可靠

航空发动机是在高温、高压、高速旋转的恶劣环境条件下长期工作的复杂热力机械，因此，它对材料和制造技术的要求也极为苛刻。

在航空发动机研制过程中，设计是主导，材料是基础，制造是保障，试验是关键。总体来看，航空发动机部件正向着高温、高压比、高可靠性发展，航空发动机结构向着轻量化、整体化、复合化的方向发展，发动机性能的改进一半靠材料。据预测，新材料、新工艺和新结构对推重比12～15的一级发动机的贡献率将达到50%以上。因此，没有先进的材料和制造技术，就不可能研制出先进的航空发动机。

GE公司正在研制的GE9X发动机就使用了大量的新材料。用于波音777X飞机的GE9X将采用比任何在役的GE宽体发动机更少、更薄的复合材料风扇叶片。为此，GE设计使用了新一代碳纤维复合材料制成的风扇叶片，对比同类发动机，该材料的使用将减少5%的油耗。

事实上，从GEnx项目开始，GE公司使用新型复合材料风扇叶片至今已有10多年的历史。在GE90-94B、GE90-115B和GEnx发动机的基础上，GE9X使用了第四代复合材料风扇叶片。新叶片采用了硬度更高的碳纤维和新型环氧树脂材料，其前缘材料还从钛合金改为钢合金，进一步提升叶片的强度。

此外，值得一提的是，GE9X和LEAP系列发动机都使用了碳化硅纤维的陶瓷基复合材料。航空发动机热端部件需要有很高的耐热性，此前主要使用镍基超级合金。近年来，日本企业研制出一种更佳的替代材料——陶瓷基复合材料。与镍基超级合金相比，陶瓷基复合材料的强度增加了2倍，耐热性提高20%，但重量反而要轻30%。

CFM国际公司是第一家在航空发动机上使用陶瓷基复合材料的企业。尽管这种材料目前还仅用在发动机少数几个部件上，但其引入可能预示着一种新的发展趋势。

另一家发动机制造商罗罗公司也在其下一代发动机上加大了复合材料的使用量。2019年2月，罗罗完成了对超扇发动机（UltraFan）关键部件的测试工作。先进低压系统（ALPS）中所需要的全部复合材料零部件，包括风扇叶片、叶片机匣和环形填充块等首次在供体发动机上进行了测试。这些复合材料部件都是由罗罗复合材料技术工厂制造的。该工厂设在英国，是一个具有卓越技术实力的复合材料中心。

UltraFan的每个风扇叶片都使用了约500层碳纤维复合材料，且全部由机器人完成制造。通过使用这种先进材料，每个发动机的重量将至少减轻680千克。

新一轮产业大洗牌

长期以来，材料领域的创新主体是美国、日本和欧洲等发达国家和地区。其中，美国在新材料的研发和应用各领域全面领跑，日本在纳米材料、电子材料等领域具有明显优势，欧洲在结构材料、光学与光电材料等方面保持领先。近年来，这些传统的材料强国又开始了新一轮的产业布局。

2015年7月，美国铝业公司在不到9个月的时间内完成了对英国福瑞盛、德国TITAL和美国RTI国际金属公司的收购，加速布局航空钛合金及增材制造市场。同年8月，股神巴菲特宣布耗资372亿美元收购精密铸件公司，大举进军航空制造业。

在复合材料市场，寡头垄断的趋势近年来日益明显。2015年12月，比利时苏威公司斥资55亿美元收购了美国氰特公司，坐上了航空復合材料原材料供应商次席。受此影响，2016年1月，业界老大赫氏公司也把此前只收购了一半的英国Formax公司全盘买下。此外，2015年7月和8月，加拿大Avcorp工业公司和英国梅吉特公司分别提出了对德国SGL旗下Hitco公司和英国科巴姆公司复合材料业务的收购计划，进一步搅动了碳纤维复合材料结构件供应市场。

之后的几年间，一些小型材料生产商被收购的消息更是络绎不绝。可以说，这些并购已经对航空制造领域的基础供应体系产生了深远的影响。有专家指出，随着相关企业并购或重组的不断推进，其结果很可能是航空基础材料及制件供应链企业的寡头垄断程度反超金字塔顶端的主承包商。这种情况一旦出现，将对未来飞机产品的研制产生重要影响。

除了企业间的并购之外，政府在材料产业的发展上也发挥了重要作用。近年来，欧美一些传统材料强国先后出台了一系列发展规划和扶植政策，以巩固其领先地位。

在美国，从克林顿、小布什、奥巴马到特朗普政府，都将新材料发展置于重要国家战略的高度。长期以来，美国新材料研发的主导方向是优先为国防领域服务，因此美国航空航天、计算机及信息技术等行业的相关材料应用得到迅速发展，进而带动行业全面进步，美国GE、杜邦、康宁等领先的新材料企业也在全球占有重要地位。

欧盟同样十分重视材料产业的发展，在材料替代、循环利用以及环境保护等方面占据领先地位。以德国为例，德国是世界上最大的化工新材料产品出口国，拥有拜耳、巴斯夫、赢创、朗盛、汉高等新材料跨国公司。过去100多年中，德国几经兴衰，却始终能保持很高的制造业水平，在某种程度上与其强大的材料工业不无关系。

日本如今已经成为创新实力仅次于美国的国家，特别是在碳纤维复合材料及特种钢等新材料领域，在全球具有举足轻重的地位。目前，全球只有日本有能力批量生产一些陶瓷基复合材料。

相比之下，我国在新材料的研发创新方面还存在诸多不足，基础研究欠缺、数据库不健全、专业人才匮乏等问题困扰着行业的发展，也制约着制造业的整体水平。为了实现经济转型升级，我们很有必要花大力气促进材料产业的发展。

首先，要加强顶层设计，加强前瞻性布局，从国家战略需求、重大工程项目出发，开展示范性应用，以推动材料科学健康可持续发展。

这就不得不提到产学研结合的问题。我们要发挥市场需求对新材料开发应用的引导作用，强化产用结合，通过政府、高校及企业的合作来强化制造业优势，促进上下游协作配套。可喜的是，这一点在C919大型客机项目上已经有了新的探索，但与发达国家相比，差距依旧十分明显。

其次，要用好“政策”这张牌。鉴于行业的特殊性，要加强产业政策工具的引导作用，突出竞争中性原则。过去，我国材料行业产业政策工具在产业创新链上分布不甚合理，偏向于直接扩大供给和对产业化应用环节施加影响，而在基础研究、技术研发阶段，政策工具所占比重较少。

近年来，按照“使市场在资源配置中起决定性作用，更好发挥政府作用”的要求，我国产业政策已经进行了多轮调整，正在从选择性产业政策为主转向功能性产业政策为主。可以预见，随着相关政策的不断完善，我国材料产业也将迎来新的发展机遇。这对于我国以商用飞机项目为代表的高端复杂制造业来说，无疑将创造更好的环境。