航空航天先进结构材料技术现状及发展趋势

航空航天结构材料是国民经济发展和国防建设不可或缺的支柱材料，是支撑高端装备和重大工程需求的核心材料，在航空航天、武器装备等战略领域

航空航天结构材料是国民经济发展和国防建设不可或缺的支柱材料，是支撑高端装备和重大工程需求的核心材料，在航空航天、武器装备等战略领域发挥着举足轻重的作用。在国家各类计划的支持下，我国已初步建成航空航天结构材料研发和生产体系，金属、非金属及其复合材料等产品不断优化，部分研究成果达到国际先进水平，材料的性能、可靠性、批次稳定性、经济性等方面都有较大幅度的提升。例如，T300 级～T800 级的国产碳纤维实现产业化规模生产，有力支撑了重大航空航天装备的研制和批产；研制发展了四代单晶高温合金和粉末高温合金，单晶高温合金的承温能力从第二代单晶的1050 ℃提高到第四代单晶的1100 ℃[1]，国产粉末高温合金涡轮盘、挡板等关键部件也用于多个在研在役军民用航空发动机[2]；7085 铝合金厚大截面材料和Ti-6Al-4V 钛合金锻件国产化，解决了大飞机关键材料的若干问题[3]；自主研发的抗氧化Cf/C、SiCf/SiC 高温结构陶瓷及其复合材料有力保障了若干重大装备的研制和生产[4]。以上典型研究进展有力支撑和促进了我国航空航天装备的快速发展。

本文综述航空航天先进结构材料近年的技术现状及发展趋势，同时明确该领域亟待突破的困境。面对当前航空航天材料技术在轻质高强、耐温耐蚀、低成本、复合化、多功能等方向的新一轮发展机遇，我国亟需打破国外技术封锁和市场垄断，形成体系化自主研制和保障能力，满足航空发动机、重载火箭、国产大飞机等航空航天重大装备对关键结构材料的需求。

1 航空航天先进结构材料战略意义

“一代材料，一代装备”是对航空航天技术发展与其关键材料间相辅相成关系的真实写照[5]。一方面，国家战略需求加速航空航天新品种材料不断涌现，推动材料性能持续提高、研究方法不断创新、制造技术不断进步；另一方面，航空航天材料领域理论、技术、产业的纵深发展也推动其应用领域的不断拓展，加速下游高端装备的不断进步。因此，航空航天材料的研发，既牵引国家新材料的产业发展，又推动高端装备更新换代，对整个社会的技术进步和经济建设具有显著的辐射带动作用。

高性能高分子材料、高性能纤维与复合材料是高端装备制造、航空航天等领域不可或缺的关键战略材料。目前，我国高性能高分子及其复合材料进口依赖度较高，部分关键核心技术依赖进口，对相关产业的可持续健康发展造成极大隐患。加强高性能高分子及其复合材料的关键科学和技术问题研究，建立完善的工程验证和产业体系，对于推动国内大循环健康有序发展、提高我国先进制造业的科技水平和国家竞争力具有战略意义。

高温与特种金属结构材料是航空航天发动机、重型燃气轮机、超超临界火电机组、重大科学装置等高端装备中不可或缺的关键材料。目前，我国在高温与特种金属结构材料的基础研究和技术应用方面与国际先进水平仍有差距，存在部分关键材料和特种型材依赖进口、质量稳定性差、技术成熟度低、成本高等问题，亟待发展一批高服役性高温与特种结构材料，突破我国重点型号及高端装备用高温与特种结构材料技术和应用瓶颈，实现创新链、产业链的自主可控和安全高效，为航空航天强国、能源强国建设提供关键材料支撑。

轻质高强金属及其复合材料具有密度低、高强高韧、耐温耐蚀、高导电、高导热、易加工成型、综合应用成本低等显著优势，是航空航天、军事装备、电子信息等众多领域主结构及关键系统所需的关键材料，历来受到各国政府和军方的高度重视。轻质高强金属及其复合材料性能水平和应用状况已成为衡量大飞机、航空发动机、重载火箭、高超声速飞行器等国家重点发展领域先进性的重要指标。在当前新的国际形势下，加速发展我国自主轻质高强金属材料技术体系势在必行。

先进结构陶瓷及其复合材料是高端装备的核心材料和部件，在航空航天、信息技术、先进制造和国防军工等关键领域发挥重要作用。近年来，我国在结构陶瓷与陶瓷基复合材料领域的科技创新能力不断提升，但关键材料仍然“受制于人”，瓶颈技术亟待突破。高性能结构陶瓷材料、无机纤维及其复合材料、超高温陶瓷复合材料、极端环境特殊结构陶瓷及复合材料、新型无机非金属结构材料等高端材料和产品在诸多重大应用与装备领域均受到“卡脖子”制约，供应链安全受国际关系影响巨大。亟需解决关键核心材料与部件配套及产业链整合两大问题，为国家相关领域的高质量发展提供支撑。

2 航空航天结构材料技术现状及发展趋势

在役的航空航天结构材料中，金属结构材料仍为主导。美国、英国、德国、日本等发达国家在研究、制造、评价、应用等方面占据世界领先地位，通过材料计算和性能预测、数字模拟和应用评价、组织性能与多场耦合环境寿命评估等关键技术的成熟应用，已形成了完善的材料技术体系，拥有庞大系统性数据库。

为满足未来航空航天器轻量化的战略需求，轻质高强复合材料技术发展迅速，其工艺的提升对提高飞行器性能、降低研制生产成本、提高服役可靠性具有极为关键的作用[6]。图1 展示了空客与波音公司重点机型机身各类材料占机体结构总量的变化，复合材料的用量明显大幅度增加[7]。美国、日本等发达国家在复合材料研发、工程化水平、批产能力、产品竞争力和应用等方面一直引领着世界发展方向，甚至部分高端产品仍居于垄断地位。

图1 民用飞机重点机型机身各类材料占机体结构总量变化[7]（a）空客公司；（b）波音公司

Fig.1 Changes in amount of different types of materials in total base structure in fuselage of key civil aircraft models[7]（a）Airbus；（b）Boeing

2.1 高性能高分子材料及其复合材料

以航空航天为应用背景的高性能高分子材料及其复合材料通常是高性能纤维增强的树脂基复合材料，其原材料主要包括增强纤维和树脂基体，树脂基体中也常常会添加一些提高复合材料综合力学性能或赋予复合材料特殊功能的添加剂材料，如增韧剂、阻燃剂、电磁波吸收剂和导热导电填料等。由波音、空客和GE 等航空企业引领，树脂基复材已经走过了由次承力结构向主承力结构应用的跨越，军机应用达到结构质量的30%～40%，民机用量达到50%以上，航空发动机用量达15%。相比之下，我国C919 用量仅约12%，航空发动机用量也很有限[8]。

热固性树脂基结构复合材料体系中，高性能环氧树脂基、双马来酰亚胺树脂基和聚酰亚胺树脂基复合材料是其核心三大体系，也是其他高性能结构/功能一体化复合材料的基础。环氧树脂基复合材料在湿热环境下的最高长期使用温度通常为130～150 ℃，主要应用于亚音速或低超音速飞行器的机身机翼、弹体弹翼结构[9]；双马来酰亚胺树脂基复合材料在湿热环境下的最高长期使用温度为150～180 ℃，主要应用于超音速飞行器的机身机翼或弹体弹翼结构[10]；聚酰亚胺复合材料长期使用温度大于250 ℃，甚至达到500 ℃以上，主要应用于发动机冷端结构、飞机临近发动机结构或高超音速飞行器机身机翼等[11]。

与热固性树脂基复合材料相比，热塑性树脂基复合材料具有抗冲击性能好、可循环使用、可修补、可焊接、预浸料可无限期室温储存等特点，目前主要应用于各类舱门和机翼前缘等需要抗频繁冲击风险的结构，并逐步推广应用到飞机整流罩、升降舵、平尾、公务机机翼、垂尾等大型结构制件上[12-13]。目前在航空结构应用的热塑性复合材料主要以聚醚醚酮和聚苯硫醚系列为主，表1 列出了其主要应用机型[14-15]。

表1 热塑性树脂基复合材料应用机型[14-15]

Table 1 Application models of thermoplastic resin matrix composite material[14-15]

碳纤维是树脂基复合材料核心原材料之一，是先进碳纤维增强树脂基结构复合材料的基础[16]。通过长期自主攻关和发展，我国第一代碳纤维已产业化应用，例如航空航天用国产T300 级碳纤维在“十一五”期间已实现批量稳定供货[17]；T800 级系列碳纤维的生产技术成熟，直接推动了M40J 级和M50J 级碳纤维的技术突破和批量生产，基本形成了第二代碳纤维技术体系，也为第三代碳纤维制备关键技术的突破奠定了基础[18-20]。国外预浸料和蜂窝等中间材料与纤维同步发展，目前主要由日本Toray、美国Hexcel 和美国Cytec 等公司引领和垄断，占据国际航空航天领域的巨大份额。

2.2 金属结构材料

美国、英国、德国、日本等发达国家在金属结构材料研究、制造、评价、应用等方面占据世界领先地位，已形成了完整的材料体系和完善的选材技术体系，拥有庞大的系统数据库。相比之下，我国金属结构材料产业正处在上升期，迫切需要品

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