航空航天材料在手表行業的發展現狀與趨勢展望*

梁夢媛，靳 磊

（飛亞達精密科技股份有限公司，廣東深圳 518057）

0 引言

材料是現代科技發展和國民經濟建設的重要支柱，是航空航天工業現代化的物質基礎，也是航空航天工業發展速度的決定性因素之一。21 世紀以來，航空航天事業高速發展，進入的領域也越來越多，與航空航天材料技術的發展和突破密不可分[1]。與此同時，航空航天事業的發展也帶動著航空航天材料的進步。航空航天材料使用環境相對多種且惡劣，綜合性能要求高，如用于結構部件的材料[2]對強度、模量、耐高溫、密度等有較高的要求，而用于功能部件的材料則有熱、聲、光、電、磁等方面的嚴格要求。航空航天材料的進步和發展，也衍生出更為廣泛的、性能更加優異的、民用的新材料和新工藝。

手表是一種集功能和時尚于一體的產品，其零部件數量多達數百個，各零部件對材料性能要求各異，因而涉及種類繁多的材料種類，同時因其屬于首飾類消費品和含有高精度機械零件，其外觀、尺寸、加工性能等的要求特殊。航空航天材料的快速發展也為手表行業的材料創新與應用帶來了新的機會。本文綜述了近年來手表行業應用的航空航天材料，探討了航空航天材料在手表行業的創新應用，最后對未來航空航天材料在手表行業的民用化和推廣化方向進行了展望。

1 金屬材料

1.1 鋼類材料

結構鋼和不銹鋼是航空航天鋼材的兩大重要門類。結構鋼具有高的比強度，良好的疲勞性能和工藝性能，且價格低廉，在航空航天產品中占據著十分重要的位置，這類結構鋼通常用來制作飛行器的軸、齒輪、起落架、槳轂等關鍵部件。不銹鋼能耐空氣、水、鹽的水溶液、酸以及其他腐蝕介質的腐蝕，這類材料可用來制作航空發動機壓氣機葉片、彈性元件、燃油導管等零件。在常規304 L不銹鋼基礎上添加部分Ni和N 形成的304 N 不銹鋼，同時具有優良的力學性能和很好的抗腐蝕能力，是目前飛行器中的部件與裝置用的優質不銹鋼材料。

在手表行業中常用的是不銹鋼。一些低端手表常用的不銹鋼為304，中高端手表最常用不銹鋼為316 L（圖1），而部分高端手表例如勞力士使用的是904 L 鋼。304 鋼有較好的耐腐蝕性和一定的強度，符合一般手表行業的要求。但304鋼耐晶間腐蝕性能較差，在一些接縫、表面坑點處易被腐蝕[3]。316 L 鋼因添加了鉬元素，耐晶間腐蝕等耐腐蝕性能更佳，拋光后相比304 鋼更為光亮。904 L鋼耐腐蝕性和耐磨損性比316 L 鋼更強，并且可以高度磨光，因此拋磨后具有更加光亮、美觀的效果，但價格高，所以有極個別高端手表品牌使用904 L 鋼。近年來，一些手表行業開發了無鎳不銹鋼，實現了以氮代鎳，解決了304、316 L、904 L等不銹鋼易導致的鎳過敏問題[4]。

圖1 316不銹鋼表殼

1.2 銅合金

銅合金具有高的導電性和導熱性，并且具有低摩擦因數、好的加工成形性、易連接、易光亮加工等優點，通過適當的合金化和工藝，可獲得很寬的力學性能范圍[5]，廣泛應用于航空航天零件，例如導電結構件、精密電測儀器零件、彈性元件、宇航線纜、彈簧管等。銅合金按照組成成分可分為工業純銅、黃銅、青銅和白銅。航空航天器件在使用加工過程中會有短時間或瞬時耐高溫軟化的性能方面的要求，因此該領域應用的銅合金在高溫工作時應具備高的強度和硬度。為使材料耐高溫性能加強，通過添加鉻、鋯、鎂、錫、銀等合金元素，也就是微合金化，以提高銅材的耐高溫性能，是主要趨勢之一[6]。也由此衍生出錫磷青銅、鋁青銅、鉛黃銅、錳白銅等，以達到高強度、高耐磨性、高耐蝕性等目的，從而應用于各領域。

手表行業對銅合金的應用十分廣泛。早在19 世紀末，銅合金就被用于制作手表外觀件，但當時合金制造技術相對落后，銅合金易又被腐蝕氧化，外觀易失去光亮表面。后期由于出現了性能更為優異、耐腐蝕性更佳的鋼材，在手表外觀件制作上，銅合金逐漸被替代。而在近幾年，手表業內刮起了一陣復古風，很多品牌采用一些青銅材料來制作一些復古款手表，例如柏萊士、沛納海、寶名、飛亞達等，所提倡的主題是隨著時間的流逝，青銅表慢慢氧化，帶有佩戴人的個人“DNA”，所呈現的腐蝕痕跡也各有不同，呈現出歲月的標記，如圖2 所示。此外，青銅強度較高、耐蝕性和耐磨性良好，可切削加工和熱加工，滿足復古手表的一般要求。

圖2 做舊效果的青銅表殼

圖3 TC4鈦合金圈口

銅合金在手表領域的另一重要應用是機芯零件，常用材料為鉛黃銅和鈹青銅。其中鉛黃銅常被大量應用于手表機芯的夾板、條盒輪、輪片等零件；鈹青銅則應用于時輪簧、日歷撥頭、擺輪等。由于機芯零件屬于精密件，尺寸小，形狀各異，精度要求極高，因此對材料的切削性和尺寸穩定性要求高。比如，鉛黃銅因加入鉛元素大大增加了材料的易切削性，具體表現為易切削、加工精度高、對刀具磨損小、加工毛刺少、易去除等等。而尺寸不穩定是由于材料的殘余內應力和在其上施加的工作應力共同作用下，內部產生松弛過程使其到達較平衡狀態的結果。比如夾板加工厚度不均時，由于破壞內部潛在應力的均衡而導致的變形；夾板加工后的孔徑收縮和孔位坐標尺寸變化等[7]。材料的尺寸穩定性與其力學性能、金相組織、工藝等相關，因此，制造高精度機械機芯，適宜的材料是必不可少的。

1.3 鈦合金

鈦合金密度低，比強度高，耐腐蝕，低溫力學性能好，自20 世紀中期鈦合金開始工業化生產及應用以來，被廣泛適用于航空航天領域的重要結構器件。特別是密度低的特性，對減重要求迫切的航空航天業極為重要，加上其比強度高、耐腐蝕，因而多被應用于緊固件、燃料貯箱、構件、火箭殼體、支撐件等，常用的鈦合金牌號包括TC4、TB3 等。隨著航空航天業的發展，對高溫鈦合金的需求越來越高，促使了該類材料的深入研究和發展，TA15、TA12、TC11、TA32 等高溫鈦合金便在此間被開發出來[8]，這些高溫鈦合金多被用于航空發動機組件，加上其強度高于鋁合金，近期也開始部分替代鋁合金作為火箭發動機連接部的支撐部件。

航空航天鈦合金的發展也推動了手表行業的進步。鈦的密度約是不銹鋼的60%，又具有耐腐蝕和生物友好的特性，很適合制作手表的外觀件，如圖3 所示。手表業內已有較多品牌的高端金屬表應用鈦材質，特別是這些品牌的運動表款，比如萬國、帝舵、歐米茄、飛亞達等。鈦材質手表相比常見的316L 手表，手腕負重感小，不含鎳，不會引起部分人群過敏，獲得許多客戶的青睞。此外，一些手表機芯零件也開始嘗試使用鈦合金制造，比如Richard Mille 使用了鈦合金來制作機芯的橋板、底板等關鍵部件，使整表質量大為減輕；2019 年Swatch 集團發布了Nivachron 鈦合金游絲，該游絲擁有極佳的防震與抗沖擊性，延展性也極高，并且溫差變化很小，性能優異。

1.4 鋁合金

鋁合金具有比鈦合金還低的密度、高的比強度和比剛度、高彈性、高導熱導電等特性，被廣泛應用于各行各業。在航空航天工業中，鋁合金是首選的輕量化材料，用量巨大，一些飛機上鋁合金用材更是高達80%。我國早在20 世紀中期便對航空航天用高性能鋁合金展開了深入系統的研究，開發出2系、7系、超塑性等一系列上百種鋁合金[9]。這些鋁合金用來制造機身框、機翼壁板、起落架、鉚釘、蒙皮、骨架等。

鋁合金具有質輕、儲層本低、比強度高、易加工等特點[10]，但由于其表面拋光后效果不佳，易出現泛白、砂眼等缺陷，且耐磨性和耐蝕性較差，目前在手表行業尚未大規模應用。

2 非金屬材料

2.1 碳纖維

碳纖維是采用有機纖維高溫碳化、石墨化制成，碳量可高達90%以上，性能優異，具有強度高、模量高、耐腐蝕、機械性能好、質量小等特點[11]，有“黑色黃金”的美譽。航空航天飛行器的運動速度高、載荷大，對材料強度和抗變形能力都有極高的要求，在這種對密度、剛度、質量、疲勞特性、化學穩定性等方面有嚴格限制的領域，碳纖維材料具有很強的優勢，例如T300-1000、M40-3000等。碳纖維材料在使用時，大多用碳纖維與樹脂復合而成，形成碳纖維復合材料。在航空航天領域，碳纖維復合材料常被用于衛星承力筒、艙體壁板、太陽翼基板、天線反射面、發動機殼體等。

碳纖維還可以編織成各種織物形態，從而呈現不同的花紋，帶來一定的美觀效果。由于碳纖維復合材料具有獨特的紋理，近幾年也受到手表行業的青睞。一個碳纖維復合材料手表部件，質量只有幾克，不僅質量輕，在機械表現、抗壓方面都有很好表現，除此之外，碳纖維復合材料還會呈現出一種不規則花紋的外觀效果和獨特質感，如圖4 所示，這些都能帶給消費者額外價值的感觀。Audemars Piguet （AP）、萬國（IWC）、宇舶、Bell&ROSS 等品牌在其產品中都有用到碳纖維復合材料。雖然碳纖維復合材料具有上述優異的性能，但由于材料本身不夠致密，不能直接與表玻璃或底蓋結合起到防水的作用。通常的做法是在碳纖維復合材料內設計一個小巧的金屬內膽，表玻璃、底蓋與金屬內膽結合形成密閉的腔體，以達到手表的防水要求。

圖4 碳纖維編織圈口

圖5 非晶合金表殼坯

2.2 非晶合金

非晶合金雖然由金屬元素構成，但其的內部結構具有類似玻璃的長程無序狀態結構的特點，故也稱為“金屬玻璃”。非晶合金常作為一種軟磁合金用于航空航天工業，按其組成可分為鐵基、鈷基和鐵鎳基合金，按其性能分為高磁導率和高飽和磁感型合金。非晶態軟磁具有高磁導率、低矯頑力、 高電阻率、低鐵心損耗等特點，將其應用于開關電源變壓器、磁頭和電感元件、配電變壓器等，可以節省大量能源[12]。除此之外，近些年的研究發現鈦基非晶合金具有硬度高、密度低、耐高溫、斷裂韌性好等特點，被用來制備多種航空航天結構零件[13]，比如飛行器的殼體。

非晶合金相比同成分晶體金屬，擁有更高的強度、硬度，以及生物友好性[14]，因此適合用來生產手表外觀件，如圖5 所示。非晶合金硬度較高，加工難度較大，一般采用鑄造成型的方式制造零件，因此可以做成許多復雜形狀，增加外觀件的美觀效果，打破設計局限，降低加工成本。此外，非晶合金還具有高的彈性極限，可以用于一些功能零件的制作，比如手表扣的彈性件、手表圈口等。目前，應用非晶合金的手表品牌正在逐漸增加，包括沛納海、歐米茄、華為智能表等。

2.3 玻璃

玻璃作為一種常見材料，在各行各業得到廣泛的應用，航空航天業也不例外。比如各類飛行器上的窗口玻璃、飛機上的風擋、座艙蓋、衛星反射鏡等，均有使用玻璃材料。又因對光、電、磁、熱、化學等方面有著各種各類的高要求，航空航天業衍生出了對特種玻璃的需求，比如超低膨脹系數的微晶玻璃、高純合成的石英玻璃、特殊色散玻璃等。超低膨脹微晶玻璃主要是指以Li2O、Al2O3、SiO2為主要成分的玻璃經過嚴格的受控晶化處理后形成以的β-石英固溶體為主晶相的透明微晶玻璃[15]，具有低的膨脹系數、高透光率和微晶結構，質地均勻致密、力學性能優良，常被用于大型反射式官學天文望遠鏡、光電雷達、平行光管等。高純合成石英玻璃是采用化學氣相沉積法制備的高純度石英玻璃，其純度高，耐高溫、耐輻照、無缺陷，可用于生產衛星窗口玻璃、太空攝像機鏡頭等航空航天器件。特殊色散玻璃是一類偏離光學玻璃“正常線”的玻璃，因具有較大的相對色散偏離值，可單獨作為透鏡材料消除二級光譜，降低光學系統復雜性，提高成像幾何精度，可應用到高精度、長焦距和大視場的立體測繪相機等光學系統中[16]。

在手表行業，玻璃多用來制作手表表鏡，如圖6 所示，即表面的透明鏡片，用來保護手表表盤；有時也會用于生產手表底蓋的底玻璃。手表玻璃按材質大致可分為合成玻璃、礦物水晶玻璃、藍寶石玻璃3 類。藍寶石玻璃的物理和化學性質穩定，硬度高，耐劃傷、抗老化、耐腐蝕性能優異，質感高級美觀，常用于高端手表。合成玻璃俗稱亞克力，不耐磨、易傷，質感差，但韌性好、不易碎，常用于低端手表。礦物水晶玻璃的抗磨能力良好，抗垂直打擊能力強于藍寶石玻璃，常用于中低端手表。最近，一些手表品牌熱衷于開發水晶玻璃來制作手表外觀件，其透明質感高級美觀，別具一格。

圖6 藍寶石表鏡

2.4 陶瓷

陶瓷材料是用天然或合成化合物經過成形和高溫燒結制成的一類無機非金屬材料[17]。陶瓷的種類很多，目前尚無統一的分類方法，按照成分分類包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、碳化物陶瓷等。陶瓷材料具有密度較小、熔點高、硬度大、化學穩定性好和耐腐蝕等優點[18]，因此在航空航天領域應用廣泛，比如耐高溫的發動機渦輪葉片、飛機外殼部件、太陽能電池板、導彈的單體、燃燒室等。此外還有一些特殊的功能陶瓷，比如壓電陶瓷，是一種依靠壓電效應能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料，通常表現出比天然材料具有更大的壓電效應，常用于航空航天領域制作制動器和傳感器[19]。

陶瓷材料由于其特別的色澤及外觀效果、高強度、高耐蝕、高耐磨的特性，在手表領域多用于制備手表外觀件。特別是陶瓷豐富、高級和亮眼的色彩，使得陶瓷得到許多高端手表品牌的青睞。手表業廣泛使用的陶瓷材料為氧化鋯，而氧化鋯因選擇不同著色劑會使其呈現不同的顏色[20]。目前，關于制備彩色氧化鋯陶瓷著色劑的選擇主要有過渡金屬氧化物、稀土元素氧化物和尖晶石型氧化物[21-22]，通過不同的著色劑材料的選擇和配比，可調試出不同外觀效果的色彩[23]。勞力士品牌手表就是依靠其獨特的陶瓷著色與調色技術，在時尚界陶瓷飾品領域獨占鰲頭，特別是“綠水鬼”手表系列，其圈口高級感十足的綠色使其在奢侈品行業一直被宣傳翻價，大大增加品牌價值。

2.5 塑料

塑料是以天然樹脂或合成樹脂為基材，加入其他助劑制成的一種有機高分子材料。塑料助劑包括增強劑、增塑劑、固化劑、填料、穩定劑等，塑料助劑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強度、硬度、降低成本、提高耐熱性等；增塑劑可以增加塑料的柔韌性、伸長率等；固化劑則用于熱固性塑料，賦予材料較高的力學性能、耐熱性等[24]。塑料具有質輕、優異的電絕緣性、較好的絕熱性、突出的成形性、良好的耐腐蝕性、較低的成本等特性，在航空航天領域的應用也極為廣泛多樣，比如航空用儀器儀表、雷達與通信裝置、整流罩、適配器、導彈殼體、方向舵、尾梁和旋翼等，所用塑料種類包括聚四氟乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯硫醚、有機硅塑料、不飽和聚酯等等[25-26]。

塑料質輕、成形性多樣、成本低、易加工、佩戴舒適、調色容易等特點在運動手表、智能手表、兒童手表等方面也有廣泛應用。但由于其質感較差，主要集中在低端手表上，常用塑料包括PC、ABS、TPU等。近年來，卡西歐還推出了用玉米和蓖麻籽制作的生物塑料表殼，同時也有越來越多植物和其他原材料制成的塑料被研發出來，以迎合消費者對于環保的需求。

3 結束語

航空航天材料的發展給手表行業的材料發展帶來了許多機會，但對于手表行業的材料，有著自身的獨特需求，包括高的耐腐蝕性以避免手表與人體汗液長期接觸而銹蝕，高的硬度以避免手表在佩戴過程中被磨花，好的生物相容性以避免和皮膚接觸形成的過敏，美的外觀效果以符合消費者的審美要求，輕便舒適以給消費者帶來良好的佩戴體驗。此外，手表行業還特別關注成本、易加工性、尺寸穩定性等，這需要手表行業的材料工作者立足本行業，對航空航天材料進行創新的應用?；谇笆鰞热?，結合手表行業材料應用現狀對后續研究方向與思路提出展望。

（1）滿足手表基本性能要求且具有特別外觀效果的航空航天材料。目前此類材料較少，比如銅合金、陶瓷材料等，雖然外觀特殊，但是不耐腐蝕或是脆性大，容易產生銅綠或是磕裂損害，影響外觀。特別是銅合金，需要規范保養和儲存，針對此類情況，必須對銅合金腐蝕過程和條件深入研究，并制訂相對的儲存和加工規范。

（2）提高部分航空航天材料致密度。比如碳纖維材料和非晶合金，致密度相對較低，致使外表面接觸的腐蝕汗液易滲入內部破壞零件或是表面出現砂眼，破壞美觀性。非晶合金近期作為手表行業的熱門材料，應用情況正在逐漸增加。

（3）功能性航空航天材料的應用，比如高彈性材料、形狀記憶合金，高彈性材料可用于手表彈性件、旋轉清響圈口等；形狀記憶合金可使手表在不同環境呈現不同效果或功能展現。

（4）航空航天密封材料的應用，目前許多手表存在密封不嚴、防水失效的情況。航空航天密封材料的種類繁多，密封性能優異的材料也有多種，但需要降低成本、工藝簡化、尺寸精確化，從而可應用于包括手表行業在內的民用領域內。