新材料：高端復雜制造業的基石

陳培儒

對于航空業而言，“一代材料，一代飛機”已經成為行業發展的規律。從波音公司多個飛機型號的發展中，不難發現新材料的應用和飛機技術的創新是密不可分的。在發動機制造領域，這一規律同樣適用，從第一代發動機的結構件主要采用金屬材料到如今第四代發動機廣泛應用復合材料，發動機的燃油效率實現了質的飛躍。

國外相關研究表明，如今全球約 20%的技術發明與材料相關，因此，新材料技術和信息技術、生物技術、新能源技術被視為21世紀的支柱性高新技術，世界各國尤其是發達國家在支持新材料的研發和產業化應用上從不吝惜政府的“有形之手”。

成就眾多經典機型

作為大型商用飛機領域唯一的“百年老店”，波音新機型的發展史是其新材料應用的一個縮影，一代代新材料成就了多個波音的經典機型。

例如，在787項目中，波音用15%的鈦合金和50%的復合材料代替了原先的鋁合金材料，大大降低了飛機本身的重量，這不僅提高了運營商的經濟效益，更為我們的生存環境成功“減負”。

碳纖維復合材料具有質輕、高強度、耐高溫、耐疲勞、導電、導熱等特性。在787飛機上，波音對不同材質的復合材料進行了大膽的“排列組合”。其中，機身、機翼和尾翼采用了碳纖維層合結構，升降舵、方向舵保留了傳統的碳纖維夾芯結構，發動機艙除受力較大的發動機吊架外，均采用碳纖維夾芯結構，整流罩采用玻璃纖維夾芯結構。得益于787飛機的熱賣，日本東麗公司已經從波音獲得了超過1萬億日元的飛機用碳纖維訂單。在787項目后，東麗公司成為波音多個型號飛機主機翼部分復合材料的獨家供應商，其中包括在研的777X項目。

玻璃纖維復合材料由于具有耐燒蝕的特性，在787飛機上被應用于機翼、前后緣、尾翼、地板梁和后承壓框等部位，總用量占飛機結構總量的5%。盡管有人因此笑稱787為“塑料飛機”，但玻璃纖維材料的大量應用使得大幅提升客艙濕度成為可能。合適的客艙濕度能明顯提高乘坐體驗，讓每一次飛行變得更加愜意，這也是波音787被稱為“夢想客機”的重要原因之一。

氧化陶瓷基復合材料（CMC）是使用溫度最高（1650℃）而密度最低的結構材料，是作為發動機燃燒室、火焰穩定器、內錐體、尾噴管渦輪外環及渦輪等部件最理想的材料之一。

2014年，波音、羅羅等四家公司聯合研發了氧化陶瓷基復合材料航空發動機噴嘴。該發動機噴嘴后來成為了787飛機航空發動機的噴嘴，也是當時全球利用氧化陶瓷基復合材料制成的最大單體部件。從使用情況來看，這種新材料不僅表現出良好的熱強度，同時能夠有效減輕發動機自重，降低燃油消耗。

除了復合材料之外，輕合金材料在波音787、777X等項目上的應用也十分搶眼。

鋁合金、鈦合金、鎂合金都屬于輕型合金，尤其是鋁合金、鈦合金已經成為飛機輕量化的關鍵性合金材料。777X由于大量采用先進的合金作為結構材料，使機身減輕了1450公斤。

鈦合金主要用于飛機結構件及發動機的制造，如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、發動機罩、排氣裝置等零件以及飛機的大梁隔框等結構框架件。根據統計，如今波音系列飛機的平均鈦合金用量約為33.7噸/架。其中，每架787飛機的鈦合金用量達到約116噸。

在波音的多個飛機型號中，鋁合金也扮演了重要的角色。鋁合金質量輕、強度高、加工方便、價格便宜，常用于制造飛機上的蒙皮、梁、肋、桁條、隔框和起落架等。在737MAX項目中，機身采用鋁合金半硬殼式結構，后緣襟翼采用鋁合金蜂窩結構。在747-8項目中，波音廣泛采用了新一代鋁合金，在襟翼、擾流板、短艙和方向舵中采用了鋁合金-石墨復合材料。得益于此，747-8的重量減輕了907千克。

更輕、更強、更可靠

航空發動機是在高溫、高壓、高速旋轉的惡劣環境條件下長期工作的復雜熱力機械，因此，它對材料和制造技術的要求也極為苛刻。

在航空發動機研制過程中，設計是主導，材料是基礎，制造是保障，試驗是關鍵。總體來看，航空發動機部件正向著高溫、高壓比、高可靠性發展，航空發動機結構向著輕量化、整體化、復合化的方向發展，發動機性能的改進一半靠材料。據預測，新材料、新工藝和新結構對推重比12～15的一級發動機的貢獻率將達到50%以上。因此，沒有先進的材料和制造技術，就不可能研制出先進的航空發動機。

GE公司正在研制的GE9X發動機就使用了大量的新材料。用于波音777X飛機的GE9X將采用比任何在役的GE寬體發動機更少、更薄的復合材料風扇葉片。為此，GE設計使用了新一代碳纖維復合材料制成的風扇葉片，對比同類發動機，該材料的使用將減少5%的油耗。

事實上，從GEnx項目開始，GE公司使用新型復合材料風扇葉片至今已有10多年的歷史。在GE90-94B、GE90-115B和GEnx發動機的基礎上，GE9X使用了第四代復合材料風扇葉片。新葉片采用了硬度更高的碳纖維和新型環氧樹脂材料，其前緣材料還從鈦合金改為鋼合金，進一步提升葉片的強度。

此外，值得一提的是，GE9X和LEAP系列發動機都使用了碳化硅纖維的陶瓷基復合材料。航空發動機熱端部件需要有很高的耐熱性，此前主要使用鎳基超級合金。近年來，日本企業研制出一種更佳的替代材料——陶瓷基復合材料。與鎳基超級合金相比，陶瓷基復合材料的強度增加了2倍，耐熱性提高20%，但重量反而要輕30%。

CFM國際公司是第一家在航空發動機上使用陶瓷基復合材料的企業。盡管這種材料目前還僅用在發動機少數幾個部件上，但其引入可能預示著一種新的發展趨勢。

另一家發動機制造商羅羅公司也在其下一代發動機上加大了復合材料的使用量。2019年2月，羅羅完成了對超扇發動機（UltraFan）關鍵部件的測試工作。先進低壓系統（ALPS）中所需要的全部復合材料零部件，包括風扇葉片、葉片機匣和環形填充塊等首次在供體發動機上進行了測試。這些復合材料部件都是由羅羅復合材料技術工廠制造的。該工廠設在英國，是一個具有卓越技術實力的復合材料中心。

UltraFan的每個風扇葉片都使用了約500層碳纖維復合材料，且全部由機器人完成制造。通過使用這種先進材料，每個發動機的重量將至少減輕680千克。

新一輪產業大洗牌

長期以來，材料領域的創新主體是美國、日本和歐洲等發達國家和地區。其中，美國在新材料的研發和應用各領域全面領跑，日本在納米材料、電子材料等領域具有明顯優勢，歐洲在結構材料、光學與光電材料等方面保持領先。近年來，這些傳統的材料強國又開始了新一輪的產業布局。

2015年7月，美國鋁業公司在不到9個月的時間內完成了對英國福瑞盛、德國TITAL和美國RTI國際金屬公司的收購，加速布局航空鈦合金及增材制造市場。同年8月，股神巴菲特宣布耗資372億美元收購精密鑄件公司，大舉進軍航空制造業。

在復合材料市場，寡頭壟斷的趨勢近年來日益明顯。2015年12月，比利時蘇威公司斥資55億美元收購了美國氰特公司，坐上了航空復合材料原材料供應商次席。受此影響，2016年1月，業界老大赫氏公司也把此前只收購了一半的英國Formax公司全盤買下。此外，2015年7月和8月，加拿大Avcorp工業公司和英國梅吉特公司分別提出了對德國SGL旗下Hitco公司和英國科巴姆公司復合材料業務的收購計劃，進一步攪動了碳纖維復合材料結構件供應市場。

之后的幾年間，一些小型材料生產商被收購的消息更是絡繹不絕。可以說，這些并購已經對航空制造領域的基礎供應體系產生了深遠的影響。有專家指出，隨著相關企業并購或重組的不斷推進，其結果很可能是航空基礎材料及制件供應鏈企業的寡頭壟斷程度反超金字塔頂端的主承包商。這種情況一旦出現，將對未來飛機產品的研制產生重要影響。

除了企業間的并購之外，政府在材料產業的發展上也發揮了重要作用。近年來，歐美一些傳統材料強國先后出臺了一系列發展規劃和扶植政策，以鞏固其領先地位。

在美國，從克林頓、小布什、奧巴馬到特朗普政府，都將新材料發展置于重要國家戰略的高度。長期以來，美國新材料研發的主導方向是優先為國防領域服務，因此美國航空航天、計算機及信息技術等行業的相關材料應用得到迅速發展，進而帶動行業全面進步，美國GE、杜邦、康寧等領先的新材料企業也在全球占有重要地位。

歐盟同樣十分重視材料產業的發展，在材料替代、循環利用以及環境保護等方面占據領先地位。以德國為例，德國是世界上最大的化工新材料產品出口國，擁有拜耳、巴斯夫、贏創、朗盛、漢高等新材料跨國公司。過去100多年中，德國幾經興衰，卻始終能保持很高的制造業水平，在某種程度上與其強大的材料工業不無關系。

日本如今已經成為創新實力僅次于美國的國家，特別是在碳纖維復合材料及特種鋼等新材料領域，在全球具有舉足輕重的地位。目前，全球只有日本有能力批量生產一些陶瓷基復合材料。

相比之下，我國在新材料的研發創新方面還存在諸多不足，基礎研究欠缺、數據庫不健全、專業人才匱乏等問題困擾著行業的發展，也制約著制造業的整體水平。為了實現經濟轉型升級，我們很有必要花大力氣促進材料產業的發展。

首先，要加強頂層設計，加強前瞻性布局，從國家戰略需求、重大工程項目出發，開展示范性應用，以推動材料科學健康可持續發展。

這就不得不提到產學研結合的問題。我們要發揮市場需求對新材料開發應用的引導作用，強化產用結合，通過政府、高校及企業的合作來強化制造業優勢，促進上下游協作配套。可喜的是，這一點在C919大型客機項目上已經有了新的探索，但與發達國家相比，差距依舊十分明顯。

其次，要用好“政策”這張牌。鑒于行業的特殊性，要加強產業政策工具的引導作用，突出競爭中性原則。過去，我國材料行業產業政策工具在產業創新鏈上分布不甚合理，偏向于直接擴大供給和對產業化應用環節施加影響，而在基礎研究、技術研發階段，政策工具所占比重較少。

近年來，按照“使市場在資源配置中起決定性作用，更好發揮政府作用”的要求，我國產業政策已經進行了多輪調整，正在從選擇性產業政策為主轉向功能性產業政策為主。可以預見，隨著相關政策的不斷完善，我國材料產業也將迎來新的發展機遇。這對于我國以商用飛機項目為代表的高端復雜制造業來說，無疑將創造更好的環境。