100多年的世界航空發(fā)展史真實(shí)演繹了“一代材料，一代飛機(jī)”這句話。100多年來，飛機(jī)的外型、構(gòu)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(jī)體材料、結(jié)構(gòu)材料、發(fā)動機(jī)材料和各類組件材料的創(chuàng)新應(yīng)用密不可分。
隨著我國材料工業(yè)正在由大變強(qiáng)，也隨著我國民機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)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(chǎn)化也將是大勢所趨。
航空復(fù)合材料市場規(guī)?？捎^
航空材料是航空工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，涉及大量的全球進(jìn)出口貿(mào)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(yù)計到2022年將達(dá)到258億美元，2017年至2022年的年復(fù)合增長率為6.9%。此外，據(jù)預(yù)測，到2023年中國航空僅復(fù)合材料市場規(guī)模就將達(dá)到282.7億元人民幣。
材料是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)飛機(jī)高性能、輕量化、高可靠、長壽命、低成本等的重要技術(shù)保障，而且飛機(jī)具有用途多、使用環(huán)境多樣、服役環(huán)境苛刻等特點(diǎn)，這些都對先進(jìn)飛機(jī)使用的材料與制造技術(shù)提出很高要求。
基于飛機(jī)材料的重要性，世界航空強(qiáng)國對飛機(jī)材料的發(fā)展都予以高度重視。航空技術(shù)的進(jìn)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(shù)的進(jìn)步，又為航空產(chǎn)品的設(shè)計與制造提供了重要的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)，從而不斷推動航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
當(dāng)前，我國產(chǎn)“新舟”系列已交付百架，ARJ21支線客機(jī)交付39架，大型干線客機(jī)C919正在6機(jī)4地密集試飛中，國內(nèi)外訂單達(dá)815架，我國民機(jī)產(chǎn)業(yè)已步入發(fā)展快車道。
復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的使用已經(jīng)非常廣泛，在大型客機(jī)方面，國際上最有代表性的、最先進(jìn)的是波音B787和A350，而在國產(chǎn)大飛機(jī)C919以及中俄寬體項目CR929上，也將使用大量的復(fù)合材料。
據(jù)中國商飛復(fù)合材料中心典型結(jié)構(gòu)部主任、研發(fā)工程師陳萍透露，國內(nèi)外所研發(fā)的先進(jìn)金屬材料在國產(chǎn)大飛機(jī)C919上都有所應(yīng)用，其中復(fù)合材料在C919上主要用于后機(jī)身段，復(fù)合材料用量約為12%；不過未來CR929除了機(jī)頭以外，整個機(jī)身和機(jī)翼尾翼都計劃采用復(fù)合材料，復(fù)合材料用量的目標(biāo)是在50%以上。
她認(rèn)為，復(fù)材在大型客機(jī)的使用上，是從尾翼等次承力結(jié)構(gòu)向機(jī)身、機(jī)翼主承力結(jié)構(gòu)不斷擴(kuò)展。
“當(dāng)前，國內(nèi)大型客機(jī)復(fù)合材料在國內(nèi)的運(yùn)用技術(shù)成熟度和生產(chǎn)效率還有待提高，全自動專業(yè)化生產(chǎn)線有待實(shí)現(xiàn)，液體成型技術(shù)有待進(jìn)入生產(chǎn)線正式展開應(yīng)用。未來，高性能、高效率、低成本將會是未來原材料領(lǐng)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(jī)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(yùn)營更經(jīng)濟(jì)……其實(shí)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(shí)要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，對于民機(jī)設(shè)計者來講，就是要做到以下兩條：減重和長壽命設(shè)計。對于材料而言，就是兩點(diǎn)需求：輕質(zhì)、高的耐損傷容限性能。用通俗的話來講，就是飛機(jī)要足夠輕，又要足夠耐用。
中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計研究院型號副主任設(shè)計師、研究員李紅萍表示，針對這兩個設(shè)計目標(biāo)，簡練對應(yīng)到材料上的需求就是飛機(jī)要減重一定要用輕質(zhì)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(jī)上復(fù)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(jìn)鋁鋰合金也要做到輕質(zhì)，機(jī)身上還有大量的高強(qiáng)高韌敏感性這一系列的合金應(yīng)用。事實(shí)上，對于航空材料的要求是越來越高。
她結(jié)合商飛的使用現(xiàn)狀以及國外供應(yīng)商的研發(fā)方向，預(yù)估未來5~10年金屬材料主要研發(fā)方向有：適用于機(jī)身壁板、梁、機(jī)身框等部位應(yīng)用的鋁鋰合金厚板；適用于機(jī)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(qiáng)高韌耐損傷容限性能的先進(jìn)鋁合金；高耐損傷容限性能、超高強(qiáng)度的不銹鋼等。
航空材料的國產(chǎn)化是大勢所趨。據(jù)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(chǎn)品包括鈦合金、高溫合金還有超高強(qiáng)度鋼等與航空材料關(guān)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(xué)軍表示，在航空領(lǐng)域，對于飛機(jī)和發(fā)動機(jī)來說，材料要求輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫，結(jié)構(gòu)要低缺陷、高穩(wěn)定性，這是航空材料增材制造的特點(diǎn)，也是未來要應(yīng)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(jī)輔助設(shè)計、材料加工與成型技術(shù)、以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，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(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實(shí)體物品的制造技術(shù)。
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(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造變?yōu)榭赡堋?/p>
為實(shí)現(xiàn)增材制造可靠的應(yīng)用，張學(xué)軍提出解決辦法，一是通過研究航空飛機(jī)和發(fā)動機(jī)在組織、缺陷、表面和結(jié)構(gòu)方面的全流程表現(xiàn)和關(guān)鍵技術(shù)，確保航空飛機(jī)和發(fā)動機(jī)所用的材料和結(jié)構(gòu)可靠性；二要注意解決基礎(chǔ)性問題，提高技術(shù)成熟度；三要制定全流程的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
建立中國民機(jī)材料產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系
提升航空材料供給水平是先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展和制造強(qiáng)國建設(shè)的重要基礎(chǔ)支撐。近年來，國家先后出臺了一系列新材料領(lǐng)域的重大政策，對全面推動國家新材料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和制造業(yè)轉(zhuǎn)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(lǐng)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(shù)體系和批量生產(chǎn)能力，具備了主要航空裝備關(guān)鍵材料的供給能力。但是國產(chǎn)材料裝機(jī)比例、民用飛機(jī)材料生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)質(zhì)量管控和適航審定認(rèn)知等方面仍然與國際先進(jìn)水平有較大差距。
中國商飛于2018年10月成立了復(fù)合材料中心，復(fù)材中心是中國商飛的能力中心，也是一個技術(shù)中心，它主要負(fù)責(zé)復(fù)材典型結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的產(chǎn)品，從預(yù)研、設(shè)計、工藝、制造、維修的全過程管理及質(zhì)量、進(jìn)度、成本、適航等全要素管理，負(fù)責(zé)商飛復(fù)材技術(shù)體系建設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范編制，負(fù)責(zé)復(fù)材產(chǎn)品供應(yīng)商專業(yè)技術(shù)的輸出和管控等。
2019年1月16日，民用飛機(jī)材料產(chǎn)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(nèi)民機(jī)材料研制單位、設(shè)計單位、檢驗檢測單位、大學(xué)、企業(yè)和政府部門等具有獨(dú)立法人資格的機(jī)構(gòu)共同建設(shè)。聯(lián)盟面向民機(jī)材料產(chǎn)業(yè)，以國家重大戰(zhàn)略為指引，市場為導(dǎo)向，是政產(chǎn)學(xué)研用有效結(jié)合的公益性非法人組織，具有開放性、服務(wù)性、中立性和行業(yè)前瞻性等特征。聯(lián)盟建設(shè)的民機(jī)材料體系涵蓋金屬、復(fù)合材料、功能非金屬和標(biāo)準(zhǔn)件四大類。
為推動民機(jī)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展，中國商飛公司堅持“主制造商-供應(yīng)商”發(fā)展模式，最大限度聚集和利用國內(nèi)外資源，打造民機(jī)產(chǎn)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(jī)產(chǎn)業(yè)體系。
中國商飛公司作為C919大型客機(jī)項目的研制主體，一直致力于依托大型客機(jī)項目提升國內(nèi)民機(jī)新材料的研用水平，為增強(qiáng)民機(jī)材料上中下游企業(yè)的協(xié)調(diào)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(guān)鍵核心技術(shù)為目標(biāo)，推動民用飛機(jī)材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展；以適航要求為導(dǎo)向，建立符合適航審定要求的民機(jī)材料研制和合格鑒定體系并探索建立中國民機(jī)材料產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。
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