100多年的世界航空發(fā)展史真實演繹了“一代材料，一代飛機”這句話。100多年來，飛機的外型、構造和材料都發(fā)生了翻天覆地的變化，可以說，航空業(yè)的發(fā)展與機體材料、結構材料、發(fā)動機材料和各類組件材料的創(chuàng)新應用密不可分。
隨著我國材料工業(yè)正在由大變強，也隨著我國民機產業(yè)發(fā)展進入快車道，航空材料的市場需求規(guī)模巨大，而航空材料國產化也將是大勢所趨。
航空復合材料市場規(guī)模可觀
航空材料是航空工業(yè)發(fā)展的基礎，涉及大量的全球進出口貿易，由于全球的航空零部件廠商對材料的高需求，亞太、歐洲和北美地區(qū)航空航天材料市場持續(xù)走高，不僅是中國航空材料市場巨大，全球航空航天材料市場規(guī)模預計到2022年將達到258億美元，2017年至2022年的年復合增長率為6.9%。此外，據預測，到2023年中國航空僅復合材料市場規(guī)模就將達到282.7億元人民幣。
材料是實現(xiàn)先進飛機高性能、輕量化、高可靠、長壽命、低成本等的重要技術保障，而且飛機具有用途多、使用環(huán)境多樣、服役環(huán)境苛刻等特點，這些都對先進飛機使用的材料與制造技術提出很高要求。
基于飛機材料的重要性，世界航空強國對飛機材料的發(fā)展都予以高度重視。航空技術的進步與發(fā)展，對航空材料的更新起著積極的推動作用。與此同時，新材料的出現(xiàn)、制造工藝與理化測試技術的進步，又為航空產品的設計與制造提供了重要的物質與技術基礎，從而不斷推動航空產業(yè)的發(fā)展。
當前，我國產“新舟”系列已交付百架，ARJ21支線客機交付39架，大型干線客機C919正在6機4地密集試飛中，國內外訂單達815架，我國民機產業(yè)已步入發(fā)展快車道。
復合材料在航空航天領域的使用已經非常廣泛，在大型客機方面，國際上最有代表性的、最先進的是波音B787和A350，而在國產大飛機C919以及中俄寬體項目CR929上，也將使用大量的復合材料。
據中國商飛復合材料中心典型結構部主任、研發(fā)工程師陳萍透露，國內外所研發(fā)的先進金屬材料在國產大飛機C919上都有所應用，其中復合材料在C919上主要用于后機身段，復合材料用量約為12%；不過未來CR929除了機頭以外，整個機身和機翼尾翼都計劃采用復合材料，復合材料用量的目標是在50%以上。
她認為，復材在大型客機的使用上，是從尾翼等次承力結構向機身、機翼主承力結構不斷擴展。
“當前，國內大型客機復合材料在國內的運用技術成熟度和生產效率還有待提高，全自動專業(yè)化生產線有待實現(xiàn)，液體成型技術有待進入生產線正式展開應用。未來，高性能、高效率、低成本將會是未來原材料領域主要發(fā)展方向。”
市場對航空材料要求越來越高
100多年來，人們對飛機的要求是越來越高：旅客要求更安全更舒適、制造商要求成本更低更耐用、航空公司要求運營更經濟……其實這些需求與航空材料和制造工藝的創(chuàng)新升級密不可分。
其實要實現(xiàn)上述目標，對于民機設計者來講，就是要做到以下兩條：減重和長壽命設計。對于材料而言，就是兩點需求：輕質、高的耐損傷容限性能。用通俗的話來講，就是飛機要足夠輕，又要足夠耐用。
中國商飛上海飛機設計研究院型號副主任設計師、研究員李紅萍表示，針對這兩個設計目標，簡練對應到材料上的需求就是飛機要減重一定要用輕質的材料；高的損傷容限性能具體到材料，就是要求鍛煉性能一定要好，損傷容限性能要好。
盡管如今新型飛機上復合材料比例越來越大，金屬材料依然是主體，C919鋁合金還占62%左右，ARJ占72%左右。但是新一代的先進鋁鋰合金也要做到輕質，機身上還有大量的高強高韌敏感性這一系列的合金應用。事實上，對于航空材料的要求是越來越高。
她結合商飛的使用現(xiàn)狀以及國外供應商的研發(fā)方向，預估未來5~10年金屬材料主要研發(fā)方向有：適用于機身壁板、梁、機身框等部位應用的鋁鋰合金厚板；適用于機身蒙皮用的鋁鋰合金薄板；適用于蒙皮壁板長桁用鋁鋰合金型材；高（中）強高韌耐損傷容限性能的先進鋁合金；高耐損傷容限性能、超高強度的不銹鋼等。
航空材料的國產化是大勢所趨。據寶武特種冶金有限公司的副總工程師馬天軍介紹，寶武特冶產品包括鈦合金、高溫合金還有超高強度鋼等與航空材料關聯(lián)度非常大。
中國航發(fā)北京航空材料研究院副總工程師張學軍表示，在航空領域，對于飛機和發(fā)動機來說，材料要求輕質、高強、耐高溫，結構要低缺陷、高穩(wěn)定性，這是航空材料增材制造的特點，也是未來要應用，必須要解決的問題。
增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗稱3D打印，融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術、以數(shù)字模型文件為基礎，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。
相對于傳統(tǒng)的、對原材料去除－切削、組裝的加工模式不同，是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統(tǒng)制造方式的約束，而無法實現(xiàn)的復雜結構件制造變?yōu)榭赡堋?/p>
為實現(xiàn)增材制造可靠的應用，張學軍提出解決辦法，一是通過研究航空飛機和發(fā)動機在組織、缺陷、表面和結構方面的全流程表現(xiàn)和關鍵技術，確保航空飛機和發(fā)動機所用的材料和結構可靠性；二要注意解決基礎性問題，提高技術成熟度；三要制定全流程的行業(yè)標準。
建立中國民機材料產業(yè)標準體系
提升航空材料供給水平是先進制造業(yè)發(fā)展和制造強國建設的重要基礎支撐。近年來，國家先后出臺了一系列新材料領域的重大政策，對全面推動國家新材料產業(yè)結構調整和制造業(yè)轉型升級指明了方向，提供了無限發(fā)展空間。
目前，在航空材料領域各方的共同努力下，我國已基本形成比較完整的航空材料研制技術體系和批量生產能力，具備了主要航空裝備關鍵材料的供給能力。但是國產材料裝機比例、民用飛機材料生產企業(yè)在生產質量管控和適航審定認知等方面仍然與國際先進水平有較大差距。
中國商飛于2018年10月成立了復合材料中心，復材中心是中國商飛的能力中心，也是一個技術中心，它主要負責復材典型結構以及相關的產品，從預研、設計、工藝、制造、維修的全過程管理及質量、進度、成本、適航等全要素管理，負責商飛復材技術體系建設和標準規(guī)范編制，負責復材產品供應商專業(yè)技術的輸出和管控等。
2019年1月16日，民用飛機材料產業(yè)發(fā)展聯(lián)盟成立。聯(lián)盟是由中國商飛公司依托上飛院，聯(lián)合國內民機材料研制單位、設計單位、檢驗檢測單位、大學、企業(yè)和政府部門等具有獨立法人資格的機構共同建設。聯(lián)盟面向民機材料產業(yè)，以國家重大戰(zhàn)略為指引，市場為導向，是政產學研用有效結合的公益性非法人組織，具有開放性、服務性、中立性和行業(yè)前瞻性等特征。聯(lián)盟建設的民機材料體系涵蓋金屬、復合材料、功能非金屬和標準件四大類。
為推動民機產業(yè)的整體發(fā)展，中國商飛公司堅持“主制造商-供應商”發(fā)展模式，最大限度聚集和利用國內外資源，打造民機產業(yè)“生命共同體”，舉全國之力，聚全球之智，基本建成了“以中國商飛公司為核心，聯(lián)合中航工業(yè)，輻射全國，面向全球”的中國民機產業(yè)體系。
中國商飛公司作為C919大型客機項目的研制主體，一直致力于依托大型客機項目提升國內民機新材料的研用水平，為增強民機材料上中下游企業(yè)的協(xié)調銜接能力和國際競爭力提供自主創(chuàng)新平臺。以型號需求為牽引，以掌握關鍵核心技術為目標，推動民用飛機材料產業(yè)發(fā)展；以適航要求為導向，建立符合適航審定要求的民機材料研制和合格鑒定體系并探索建立中國民機材料產業(yè)標準體系。
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