Focus 20116 军民两用技术与产品15国外航空材料发展现状与趋势□中国航空工业发展研究中心 陈亚莉航空材料是制造航空器、航空发动机和机载设备等所用各类材料的总称。

其不仅是制造航空产品的物质基础，也是使航空产品达到人们所期望的性能、使用寿命与可靠性的技术基础。

航空技术的进步与发展对航空材料的发展起着积极的牵引作用；同时，材料科学与工程技术的发展，新型材料的出现，制造工艺与理化测试技术的进步，又为航空新产品的设计与制造提供了重要的物质与技术基础，不断推动着航空产业的发展。

由于航空材料的基础地位，以及其对航空产品贡献率的不断提高，其已成为与航空发动机、信息技术并列的三大航空关键技术之一，也是对航空产品发展有重要影响的六项技术之一。

美国空军在2025年航空技术发展预测报告中指出，在全部43项航空技术中，航空材料的重要性位居第二。

此外，先进材料技术还被列为美国国防四大科技（分别为信息技术、材料技术、传感器技术和经济可承受性技术）优选项目之一，是其它三项技术的物质基础及重要组成部分。

近年来，航空材料发展迅速，并呈现出以下趋势：首先，航空产品的更新换代对其所使用材料的性能提出了更新、更高的要求；其次，对传统材料的持续改进仍在进行；第三，更加强调航空材料的技术转移和产业化，采用先进方法实现航空材料工程转化工作高潮迭起。

航空材料技术高速发展从1903年美国莱特兄弟以木材(占47%)、钢材（占35%）和布料（占18％）为材料制造出第一架装有活塞式航空发动机的飞机至今，人类对航空材料的探索和研究走过了一段曲折的历程。

目前，航空材料已发展到第5代。

第5代航空材料主要有以下特点：一是复合材料技术飞速发展，水平大幅提高，其标志是“全复合材料”大型民用运输机、通用飞机、支线飞机、军用运输机，以及直升机的亮相；二是传统的金属材料仍是制造飞机的骨干材料，但不断推陈出新，涌现出一批新材料品种；三是各种功能材料的品种、性能与应用高速发展。

跨入先进复合材料时代。

2003年，以波音787飞机的推出为标志，航空材料的发展进入了一个新时代，即“全复合材料”飞机时代，其意义不亚于20世纪以铝合金为主流的时代的出现。

虽然“全复合材料”的说法有一定夸张，但这表明，复合材料极大程度地改变了飞机工业的生产模式。

当前，复合材料已成为飞机选材的主流，其在飞机中的结构重量比已从20世纪的40%左右上升到50%以上，有的机型甚至已达到80%～90%。

以B-2和F-35为例，其复合材料结构重量比均在30%以上。

从市场来看，航空复合材料也是急剧扩张。

目前，航空复合材料的市场价值达到70亿美元，10年内将增长到140亿美元，即年均增长率7%，2016~2026年可能再翻一番，达到300亿美元。

在航空材料的技术发展趋势上，主要有以下几点：复合材料预浸料品种及性能水平显著改进；工艺水平大幅度提高（主要表现为自动化技术迅猛发展、纺织复合材料/液态成形技术高速发展、非热压罐技术前景看好）；热塑性复合材料异军突起；模具模块化、重组化；大型设备不断出现；先进无损检测技术、复合材料数字化技术广泛应用；复合材料的普及与应用，使航空产品的全寿期成本明显降低。

久经考验和改进的传统金属材料仍是首选。

尽管复合材料已成为未来航空材料的主流，但从目前情况来看，经过长期考验的、不断改进的传统金属材料仍是首选。

而在传统金属材料中，铝、钛、钢及高温合金等材料仍占主导地位。

在飞机的重量百分比中，铝仍占20%～60%，钛占10%～40%；在先进飞行器中，钢是不可缺少的材料；而高温合金仍是航空动力装置的主流材料。

传统金属材料的研发重点主要在于不断改进、降低成本，以谋求长期发展。

以轻合金为例，铝和钛在飞机上的使用非常广泛。

近年来，铝合金发展呈现出新品种不断出现、实现替代复合材料，以及第三代铝锂合金投入使用等趋势。

实践证明，在很多情况下，采用铝合金都比采用复合材料更有利。

钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好等优点，因此其在军用和民用飞机上的用量不断增加，已成为航空领域不可或缺的重要材料。

其中F-22及F-35等飞机是钛合金的大用户，钛合金在F-22及F-119飞机上的用量均达到其结构重量的40%。

Focus军民两用技术与产品 2011616而随着飞机数量的进一步增长，钛合金原材料或将出现短缺，解决的途径是寻找新的资源或替代材料。

此外，超高强度钢与不锈钢产品不断出新。

AerMet340、用计算材料学方法开发的不用涂层的耐蚀钢如Ferrium S53，以及高强不锈钢Custom465和Custom475是其中的典型产品。

而高温合金在提高性能的同时更加注重经济性。

20世纪80年代末，一种占主导的观点是高温合金已经成熟，今后的研究方向将是用陶瓷、金属基复合材料，以及金属间化合物等代替高温合金。

这种观点得到了一些政府的认可，航空用高温合金替代材料获得快速发展，也在一些地面试验中获得了成功，但直到现在，这些替代材料的应用仍十分有限。

金属基复合材料就是一例。

虽然在一些地面发动机上试验很成功，但仍不能广泛应用，其结果是人们对研制替代材料产生的风险与效益有了更现实的态度，从而出现了高风险/高效益材料与中等风险/中等效益材料齐头并进的局面。

例如NASA目前就将重点放在陶瓷及陶瓷基复合材料上，而对金属基复合材料与金属间化合物的研究逐渐降温，仅对钛铝合金给予重视。

NASA也改变了替代材料的开发策略，从过去以新材料本身研究为主改为以改进材料为主，改进材料的力学性能、抗环境性能，以及减重成为改进高温合金及其替代材料的重点。

功能材料的重要作用日益凸显。

功能材料具有声、光、电、磁，以及防热、防腐、密封等多种功能，在航空工业发展中起着至关重要的作用。

与结构材料相比，功能材料具有品种多、批量小、技术高、更新换代快、知识密集和技术密集性强等特点。

近20年来，功能材料是最活跃的材料领域，新材料层出不穷，每年以5%的速度增长，相当于每年有1.25万种新材料问世。

其中，对航空发展影响较为重大的新材料有以下几类：首先，雷达用电子/信息功能材料发生巨大变革。

有源相控阵雷达正在成为新型战斗机、轰炸机和预警机的首选，已装备F-22A、F-15C及日本的F-2，而F/A-18E/F舰载机、B-2隐身轰炸机、EF2000、阵风、JAS39也准备进行这种有源相控阵雷达的换代。

合成孔径雷达则能在全天候条件下获得高分辨率地面图像，其精度已达到或接近光学和红外传感器的水平，并成为现代战争中执行空中侦察和监视任务不可替代的工具。

雷达技术的变革得益于一些新型材料的应用，特别是半导体材料技术的进步，新一代氮化稼取代砷化稼，使雷达性能得到了大幅提高。

新材料的应用，不仅使雷达具有了探测能力，还使其具有联络通讯能力、电子对抗能力，以及隐身能力，可谓雷达技术领域的革命。

其次，隐身材料的频带不断拓宽。

目前，国外在进一步提高与改进传统隐身材料的同时，正致力于对多种新材料的探索。

纳米材料的应用是其中的研究热点之一，超颖材料的研究更是高潮迭起。

隐身材料的另一个研究趋势是更重视维修性，加速开发加垫隐身材料。

例如F-35就采用了纤维垫隐身材料。

这种材料由无定向纤维织物制成，与飞机复合材料蒙皮一起在热压罐中固化而形成一体。

纤维垫有两个特点：一是其厚度可随构件的承力大小而变化，二是具有隐身特征所需的起伏不平状态。

这种纤维垫最初被用来代替金属吸波涂层，并在2004年后代替了胶膜隐身涂层，降低了隐身材料的维护费用，为降低F-35成本发挥了重要作用。

未来，航空材料的发展趋势在技术层面可用“六化”来概括，即信息化、复合化、多功能化、高性能化、低维化、智能化，具体表现为全面推进计算辅助材料设计技术、复合材料未来尚有巨大发展空间、结构材料向多功能化发展、发动机材料向超高温结构材料发展、低维化是未来航空材料发展的必由之路、智能材料开发方兴未艾、隐身材料朝着多功能方向发展、电子信息功能材料争奇斗艳等。

在管理层面可用“四加强”来描述，即加强合作、加强监督、加强选材科学性、加强基础，主要表现为加强新材料研究与开发中的合作、加强对材料供应商在内的供应链监督等。

航空材料工程转化高潮迭起传统的材料开发方法非常耗时，而在航空产品的开发过程中却需经常进行较大改进。

因此，材料的开发常常跟不上航空产品发展的步伐。

如果采用新的方法，将材料开发和产品需求结合起来，技术的选择以“客户价值”为导向，就能使材料开发时间表与航空产品开发时间表相匹配。

根据已有的经验，实现这一目标要做到以下几方面：选材指导思想上的多元化，从单纯的技术主导思想向多元化方向发展，在研发思想上要综合考虑继承性、渐进性、创新性、突破性及商业竞争性；产品研发建立在技术成熟度基础上；选材方法与程序上的快速化；面向设计与制造需求；综合平衡；环境友好。

其中特别值得重视的是，研发应建立在技术成熟度基础上，以及选材方法、程序的快速化。

首先，在选材步骤上要按科学规律办事，建立在技术成熟等级基Focus 20116 军民两用技术与产品17础上。

材料必须达到相应的技术成熟等级才能进入新产品开发阶段；根据1995年NASA的9级技术成熟等级设定，1～3级为研究级，4～6级为技术开发级，7～9级为先进开发级。

材料的技术成熟度只有达到7～9级方可实际应用于飞行器。

通常，国防产品的研发成本只占10%，90%的费用被用于采购大量产品。

根据美国国防部对54个项目的研究，在产品开发初期所用材料的技术成熟度对武器的成本影响如表1所示。

调查表明，材料与产品同时开发可能产生较高风险。

因此，在结构设计阶段，必须有经验丰富的材料及工艺工程师参与，以及时纠正研制、生产中出现的问题。

目前，美国的技术成熟等级概念已被加拿大、日本等国采用，正在向更多国家推广。

其次，选材方法及程序应实现快速化。

航空材料的典型开发周期为2～20年（见表2），因此，必须缩短航空材料的开发周期，以适应航空产品的开发速度。

新型选材方法及程序的发展趋势为从试凑法向科学、快速方向发展，即从凭经验过渡到以计算机模拟为基础，以减少过多的试验，减少程序上的迭代，从而加快选材的进程。

未来战场环境与目前相比发生了很大变化，空军的作战范围也已从传统的空中向空、天、网络一体化发展。

美国空军在对2025年军用航空材料技术的预测中指出，在未来的战场环境下，空军要达到全球警戒、全球到达、全球打击的目的，就应具备防区外打击、有人机突防、无人作战、强大的计算能力、太空支援、电磁频谱、定向能量武器、纳米技术、生物工程、超级低可观测、高超声速、搜救能力、网络中心等多方面的能力。

这与传统的空战模式所需具备的能力已经有了很大的不同。

由表3～表5可以看出，未来战场环境的改变对航空材料的发展提出了新的要求。

综上所述，随着航空武器装备的高速发展，航空材料正在发挥着越来越重要的作用。