航空航天材料在手表行业的发展现状与趋势展望*

梁梦媛，靳 磊

（飞亚达精密科技股份有限公司，广东深圳 518057）

0 引言

材料是现代科技发展和国民经济建设的重要支柱，是航空航天工业现代化的物质基础，也是航空航天工业发展速度的决定性因素之一。21 世纪以来，航空航天事业高速发展，进入的领域也越来越多，与航空航天材料技术的发展和突破密不可分[1]。与此同时，航空航天事业的发展也带动着航空航天材料的进步。航空航天材料使用环境相对多种且恶劣，综合性能要求高，如用于结构部件的材料[2]对强度、模量、耐高温、密度等有较高的要求，而用于功能部件的材料则有热、声、光、电、磁等方面的严格要求。航空航天材料的进步和发展，也衍生出更为广泛的、性能更加优异的、民用的新材料和新工艺。

手表是一种集功能和时尚于一体的产品，其零部件数量多达数百个，各零部件对材料性能要求各异，因而涉及种类繁多的材料种类，同时因其属于首饰类消费品和含有高精度机械零件，其外观、尺寸、加工性能等的要求特殊。航空航天材料的快速发展也为手表行业的材料创新与应用带来了新的机会。本文综述了近年来手表行业应用的航空航天材料，探讨了航空航天材料在手表行业的创新应用，最后对未来航空航天材料在手表行业的民用化和推广化方向进行了展望。

1 金属材料

1.1 钢类材料

结构钢和不锈钢是航空航天钢材的两大重要门类。结构钢具有高的比强度，良好的疲劳性能和工艺性能，且价格低廉，在航空航天产品中占据着十分重要的位置，这类结构钢通常用来制作飞行器的轴、齿轮、起落架、桨毂等关键部件。不锈钢能耐空气、水、盐的水溶液、酸以及其他腐蚀介质的腐蚀，这类材料可用来制作航空发动机压气机叶片、弹性元件、燃油导管等零件。在常规304 L不锈钢基础上添加部分Ni和N 形成的304 N 不锈钢，同时具有优良的力学性能和很好的抗腐蚀能力，是目前飞行器中的部件与装置用的优质不锈钢材料。

在手表行业中常用的是不锈钢。一些低端手表常用的不锈钢为304，中高端手表最常用不锈钢为316 L（图1），而部分高端手表例如劳力士使用的是904 L 钢。304 钢有较好的耐腐蚀性和一定的强度，符合一般手表行业的要求。但304钢耐晶间腐蚀性能较差，在一些接缝、表面坑点处易被腐蚀[3]。316 L 钢因添加了钼元素，耐晶间腐蚀等耐腐蚀性能更佳，抛光后相比304 钢更为光亮。904 L钢耐腐蚀性和耐磨损性比316 L 钢更强，并且可以高度磨光，因此抛磨后具有更加光亮、美观的效果，但价格高，所以有极个别高端手表品牌使用904 L 钢。近年来，一些手表行业开发了无镍不锈钢，实现了以氮代镍，解决了304、316 L、904 L等不锈钢易导致的镍过敏问题[4]。

图1 316不锈钢表壳

1.2 铜合金

铜合金具有高的导电性和导热性，并且具有低摩擦因数、好的加工成形性、易连接、易光亮加工等优点，通过适当的合金化和工艺，可获得很宽的力学性能范围[5]，广泛应用于航空航天零件，例如导电结构件、精密电测仪器零件、弹性元件、宇航线缆、弹簧管等。铜合金按照组成成分可分为工业纯铜、黄铜、青铜和白铜。航空航天器件在使用加工过程中会有短时间或瞬时耐高温软化的性能方面的要求，因此该领域应用的铜合金在高温工作时应具备高的强度和硬度。为使材料耐高温性能加强，通过添加铬、锆、镁、锡、银等合金元素，也就是微合金化，以提高铜材的耐高温性能，是主要趋势之一[6]。也由此衍生出锡磷青铜、铝青铜、铅黄铜、锰白铜等，以达到高强度、高耐磨性、高耐蚀性等目的，从而应用于各领域。

手表行业对铜合金的应用十分广泛。早在19 世纪末，铜合金就被用于制作手表外观件，但当时合金制造技术相对落后，铜合金易又被腐蚀氧化，外观易失去光亮表面。后期由于出现了性能更为优异、耐腐蚀性更佳的钢材，在手表外观件制作上，铜合金逐渐被替代。而在近几年，手表业内刮起了一阵复古风，很多品牌采用一些青铜材料来制作一些复古款手表，例如柏莱士、沛纳海、宝名、飞亚达等，所提倡的主题是随着时间的流逝，青铜表慢慢氧化，带有佩戴人的个人“DNA”，所呈现的腐蚀痕迹也各有不同，呈现出岁月的标记，如图2 所示。此外，青铜强度较高、耐蚀性和耐磨性良好，可切削加工和热加工，满足复古手表的一般要求。

图2 做旧效果的青铜表壳

图3 TC4钛合金圈口

铜合金在手表领域的另一重要应用是机芯零件，常用材料为铅黄铜和铍青铜。其中铅黄铜常被大量应用于手表机芯的夹板、条盒轮、轮片等零件；铍青铜则应用于时轮簧、日历拨头、摆轮等。由于机芯零件属于精密件，尺寸小，形状各异，精度要求极高，因此对材料的切削性和尺寸稳定性要求高。比如，铅黄铜因加入铅元素大大增加了材料的易切削性，具体表现为易切削、加工精度高、对刀具磨损小、加工毛刺少、易去除等等。而尺寸不稳定是由于材料的残余内应力和在其上施加的工作应力共同作用下，内部产生松弛过程使其到达较平衡状态的结果。比如夹板加工厚度不均时，由于破坏内部潜在应力的均衡而导致的变形；夹板加工后的孔径收缩和孔位坐标尺寸变化等[7]。材料的尺寸稳定性与其力学性能、金相组织、工艺等相关，因此，制造高精度机械机芯，适宜的材料是必不可少的。

1.3 钛合金

钛合金密度低，比强度高，耐腐蚀，低温力学性能好，自20 世纪中期钛合金开始工业化生产及应用以来，被广泛适用于航空航天领域的重要结构器件。特别是密度低的特性，对减重要求迫切的航空航天业极为重要，加上其比强度高、耐腐蚀，因而多被应用于紧固件、燃料贮箱、构件、火箭壳体、支撑件等，常用的钛合金牌号包括TC4、TB3 等。随着航空航天业的发展，对高温钛合金的需求越来越高，促使了该类材料的深入研究和发展，TA15、TA12、TC11、TA32 等高温钛合金便在此间被开发出来[8]，这些高温钛合金多被用于航空发动机组件，加上其强度高于铝合金，近期也开始部分替代铝合金作为火箭发动机连接部的支撑部件。

航空航天钛合金的发展也推动了手表行业的进步。钛的密度约是不锈钢的60%，又具有耐腐蚀和生物友好的特性，很适合制作手表的外观件，如图3 所示。手表业内已有较多品牌的高端金属表应用钛材质，特别是这些品牌的运动表款，比如万国、帝舵、欧米茄、飞亚达等。钛材质手表相比常见的316L 手表，手腕负重感小，不含镍，不会引起部分人群过敏，获得许多客户的青睐。此外，一些手表机芯零件也开始尝试使用钛合金制造，比如Richard Mille 使用了钛合金来制作机芯的桥板、底板等关键部件，使整表质量大为减轻；2019 年Swatch 集团发布了Nivachron 钛合金游丝，该游丝拥有极佳的防震与抗冲击性，延展性也极高，并且温差变化很小，性能优异。

1.4 铝合金

铝合金具有比钛合金还低的密度、高的比强度和比刚度、高弹性、高导热导电等特性，被广泛应用于各行各业。在航空航天工业中，铝合金是首选的轻量化材料，用量巨大，一些飞机上铝合金用材更是高达80%。我国早在20 世纪中期便对航空航天用高性能铝合金展开了深入系统的研究，开发出2系、7系、超塑性等一系列上百种铝合金[9]。这些铝合金用来制造机身框、机翼壁板、起落架、铆钉、蒙皮、骨架等。

铝合金具有质轻、储层本低、比强度高、易加工等特点[10]，但由于其表面抛光后效果不佳，易出现泛白、砂眼等缺陷，且耐磨性和耐蚀性较差，目前在手表行业尚未大规模应用。

2 非金属材料

2.1 碳纤维

碳纤维是采用有机纤维高温碳化、石墨化制成，碳量可高达90%以上，性能优异，具有强度高、模量高、耐腐蚀、机械性能好、质量小等特点[11]，有“黑色黄金”的美誉。航空航天飞行器的运动速度高、载荷大，对材料强度和抗变形能力都有极高的要求，在这种对密度、刚度、质量、疲劳特性、化学稳定性等方面有严格限制的领域，碳纤维材料具有很强的优势，例如T300-1000、M40-3000等。碳纤维材料在使用时，大多用碳纤维与树脂复合而成，形成碳纤维复合材料。在航空航天领域，碳纤维复合材料常被用于卫星承力筒、舱体壁板、太阳翼基板、天线反射面、发动机壳体等。

碳纤维还可以编织成各种织物形态，从而呈现不同的花纹，带来一定的美观效果。由于碳纤维复合材料具有独特的纹理，近几年也受到手表行业的青睐。一个碳纤维复合材料手表部件，质量只有几克，不仅质量轻，在机械表现、抗压方面都有很好表现，除此之外，碳纤维复合材料还会呈现出一种不规则花纹的外观效果和独特质感，如图4 所示，这些都能带给消费者额外价值的感观。Audemars Piguet （AP）、万国（IWC）、宇舶、Bell&ROSS 等品牌在其产品中都有用到碳纤维复合材料。虽然碳纤维复合材料具有上述优异的性能，但由于材料本身不够致密，不能直接与表玻璃或底盖结合起到防水的作用。通常的做法是在碳纤维复合材料内设计一个小巧的金属内胆，表玻璃、底盖与金属内胆结合形成密闭的腔体，以达到手表的防水要求。

图4 碳纤维编织圈口

图5 非晶合金表壳坯

2.2 非晶合金

非晶合金虽然由金属元素构成，但其的内部结构具有类似玻璃的长程无序状态结构的特点，故也称为“金属玻璃”。非晶合金常作为一种软磁合金用于航空航天工业，按其组成可分为铁基、钴基和铁镍基合金，按其性能分为高磁导率和高饱和磁感型合金。非晶态软磁具有高磁导率、低矫顽力、 高电阻率、低铁心损耗等特点，将其应用于开关电源变压器、磁头和电感元件、配电变压器等，可以节省大量能源[12]。除此之外，近些年的研究发现钛基非晶合金具有硬度高、密度低、耐高温、断裂韧性好等特点，被用来制备多种航空航天结构零件[13]，比如飞行器的壳体。

非晶合金相比同成分晶体金属，拥有更高的强度、硬度，以及生物友好性[14]，因此适合用来生产手表外观件，如图5 所示。非晶合金硬度较高，加工难度较大，一般采用铸造成型的方式制造零件，因此可以做成许多复杂形状，增加外观件的美观效果，打破设计局限，降低加工成本。此外，非晶合金还具有高的弹性极限，可以用于一些功能零件的制作，比如手表扣的弹性件、手表圈口等。目前，应用非晶合金的手表品牌正在逐渐增加，包括沛纳海、欧米茄、华为智能表等。

2.3 玻璃

玻璃作为一种常见材料，在各行各业得到广泛的应用，航空航天业也不例外。比如各类飞行器上的窗口玻璃、飞机上的风挡、座舱盖、卫星反射镜等，均有使用玻璃材料。又因对光、电、磁、热、化学等方面有着各种各类的高要求，航空航天业衍生出了对特种玻璃的需求，比如超低膨胀系数的微晶玻璃、高纯合成的石英玻璃、特殊色散玻璃等。超低膨胀微晶玻璃主要是指以Li2O、Al2O3、SiO2为主要成分的玻璃经过严格的受控晶化处理后形成以的β-石英固溶体为主晶相的透明微晶玻璃[15]，具有低的膨胀系数、高透光率和微晶结构，质地均匀致密、力学性能优良，常被用于大型反射式官学天文望远镜、光电雷达、平行光管等。高纯合成石英玻璃是采用化学气相沉积法制备的高纯度石英玻璃，其纯度高，耐高温、耐辐照、无缺陷，可用于生产卫星窗口玻璃、太空摄像机镜头等航空航天器件。特殊色散玻璃是一类偏离光学玻璃“正常线”的玻璃，因具有较大的相对色散偏离值，可单独作为透镜材料消除二级光谱，降低光学系统复杂性，提高成像几何精度，可应用到高精度、长焦距和大视场的立体测绘相机等光学系统中[16]。

在手表行业，玻璃多用来制作手表表镜，如图6 所示，即表面的透明镜片，用来保护手表表盘；有时也会用于生产手表底盖的底玻璃。手表玻璃按材质大致可分为合成玻璃、矿物水晶玻璃、蓝宝石玻璃3 类。蓝宝石玻璃的物理和化学性质稳定，硬度高，耐划伤、抗老化、耐腐蚀性能优异，质感高级美观，常用于高端手表。合成玻璃俗称亚克力，不耐磨、易伤，质感差，但韧性好、不易碎，常用于低端手表。矿物水晶玻璃的抗磨能力良好，抗垂直打击能力强于蓝宝石玻璃，常用于中低端手表。最近，一些手表品牌热衷于开发水晶玻璃来制作手表外观件，其透明质感高级美观，别具一格。

图6 蓝宝石表镜

2.4 陶瓷

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料[17]。陶瓷的种类很多，目前尚无统一的分类方法，按照成分分类包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、碳化物陶瓷等。陶瓷材料具有密度较小、熔点高、硬度大、化学稳定性好和耐腐蚀等优点[18]，因此在航空航天领域应用广泛，比如耐高温的发动机涡轮叶片、飞机外壳部件、太阳能电池板、导弹的单体、燃烧室等。此外还有一些特殊的功能陶瓷，比如压电陶瓷，是一种依靠压电效应能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，通常表现出比天然材料具有更大的压电效应，常用于航空航天领域制作制动器和传感器[19]。

陶瓷材料由于其特别的色泽及外观效果、高强度、高耐蚀、高耐磨的特性，在手表领域多用于制备手表外观件。特别是陶瓷丰富、高级和亮眼的色彩，使得陶瓷得到许多高端手表品牌的青睐。手表业广泛使用的陶瓷材料为氧化锆，而氧化锆因选择不同着色剂会使其呈现不同的颜色[20]。目前，关于制备彩色氧化锆陶瓷着色剂的选择主要有过渡金属氧化物、稀土元素氧化物和尖晶石型氧化物[21-22]，通过不同的着色剂材料的选择和配比，可调试出不同外观效果的色彩[23]。劳力士品牌手表就是依靠其独特的陶瓷着色与调色技术，在时尚界陶瓷饰品领域独占鳌头，特别是“绿水鬼”手表系列，其圈口高级感十足的绿色使其在奢侈品行业一直被宣传翻价，大大增加品牌价值。

2.5 塑料

塑料是以天然树脂或合成树脂为基材，加入其他助剂制成的一种有机高分子材料。塑料助剂包括增强剂、增塑剂、固化剂、填料、稳定剂等，塑料助剂的加入可以改善塑料的性能。例如，填料的加入可以提高塑料的强度、硬度、降低成本、提高耐热性等；增塑剂可以增加塑料的柔韧性、伸长率等；固化剂则用于热固性塑料，赋予材料较高的力学性能、耐热性等[24]。塑料具有质轻、优异的电绝缘性、较好的绝热性、突出的成形性、良好的耐腐蚀性、较低的成本等特性，在航空航天领域的应用也极为广泛多样，比如航空用仪器仪表、雷达与通信装置、整流罩、适配器、导弹壳体、方向舵、尾梁和旋翼等，所用塑料种类包括聚四氟乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯硫醚、有机硅塑料、不饱和聚酯等等[25-26]。

塑料质轻、成形性多样、成本低、易加工、佩戴舒适、调色容易等特点在运动手表、智能手表、儿童手表等方面也有广泛应用。但由于其质感较差，主要集中在低端手表上，常用塑料包括PC、ABS、TPU等。近年来，卡西欧还推出了用玉米和蓖麻籽制作的生物塑料表壳，同时也有越来越多植物和其他原材料制成的塑料被研发出来，以迎合消费者对于环保的需求。

3 结束语

航空航天材料的发展给手表行业的材料发展带来了许多机会，但对于手表行业的材料，有着自身的独特需求，包括高的耐腐蚀性以避免手表与人体汗液长期接触而锈蚀，高的硬度以避免手表在佩戴过程中被磨花，好的生物相容性以避免和皮肤接触形成的过敏，美的外观效果以符合消费者的审美要求，轻便舒适以给消费者带来良好的佩戴体验。此外，手表行业还特别关注成本、易加工性、尺寸稳定性等，这需要手表行业的材料工作者立足本行业，对航空航天材料进行创新的应用。基于前述内容，结合手表行业材料应用现状对后续研究方向与思路提出展望。

（1）满足手表基本性能要求且具有特别外观效果的航空航天材料。目前此类材料较少，比如铜合金、陶瓷材料等，虽然外观特殊，但是不耐腐蚀或是脆性大，容易产生铜绿或是磕裂损害，影响外观。特别是铜合金，需要规范保养和储存，针对此类情况，必须对铜合金腐蚀过程和条件深入研究，并制订相对的储存和加工规范。

（2）提高部分航空航天材料致密度。比如碳纤维材料和非晶合金，致密度相对较低，致使外表面接触的腐蚀汗液易渗入内部破坏零件或是表面出现砂眼，破坏美观性。非晶合金近期作为手表行业的热门材料，应用情况正在逐渐增加。

（3）功能性航空航天材料的应用，比如高弹性材料、形状记忆合金，高弹性材料可用于手表弹性件、旋转清响圈口等；形状记忆合金可使手表在不同环境呈现不同效果或功能展现。

（4）航空航天密封材料的应用，目前许多手表存在密封不严、防水失效的情况。航空航天密封材料的种类繁多，密封性能优异的材料也有多种，但需要降低成本、工艺简化、尺寸精确化，从而可应用于包括手表行业在内的民用领域内。