陳培儒

對于航空業(yè)而言，“一代材料，一代飛機(jī)”已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的規(guī)律。從波音公司多個飛機(jī)型號的發(fā)展中，不難發(fā)現(xiàn)新材料的應(yīng)用和飛機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新是密不可分的。在發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域，這一規(guī)律同樣適用，從第一代發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)件主要采用金屬材料到如今第四代發(fā)動機(jī)廣泛應(yīng)用復(fù)合材料，發(fā)動機(jī)的燃油效率實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

國外相關(guān)研究表明，如今全球約 20%的技術(shù)發(fā)明與材料相關(guān)，因此，新材料技術(shù)和信息技術(shù)、生物技術(shù)、新能源技術(shù)被視為21世紀(jì)的支柱性高新技術(shù)，世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家在支持新材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上從不吝惜政府的“有形之手”。

成就眾多經(jīng)典機(jī)型

作為大型商用飛機(jī)領(lǐng)域唯一的“百年老店”，波音新機(jī)型的發(fā)展史是其新材料應(yīng)用的一個縮影，一代代新材料成就了多個波音的經(jīng)典機(jī)型。

例如，在787項(xiàng)目中，波音用15%的鈦合金和50%的復(fù)合材料代替了原先的鋁合金材料，大大降低了飛機(jī)本身的重量，這不僅提高了運(yùn)營商的經(jīng)濟(jì)效益，更為我們的生存環(huán)境成功“減負(fù)”。

碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、耐高溫、耐疲勞、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特性。在787飛機(jī)上，波音對不同材質(zhì)的復(fù)合材料進(jìn)行了大膽的“排列組合”。其中，機(jī)身、機(jī)翼和尾翼采用了碳纖維層合結(jié)構(gòu)，升降舵、方向舵保留了傳統(tǒng)的碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)艙除受力較大的發(fā)動機(jī)吊架外，均采用碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)，整流罩采用玻璃纖維夾芯結(jié)構(gòu)。得益于787飛機(jī)的熱賣，日本東麗公司已經(jīng)從波音獲得了超過1萬億日元的飛機(jī)用碳纖維訂單。在787項(xiàng)目后，東麗公司成為波音多個型號飛機(jī)主機(jī)翼部分復(fù)合材料的獨(dú)家供應(yīng)商，其中包括在研的777X項(xiàng)目。

玻璃纖維復(fù)合材料由于具有耐燒蝕的特性，在787飛機(jī)上被應(yīng)用于機(jī)翼、前后緣、尾翼、地板梁和后承壓框等部位，總用量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總量的5%。盡管有人因此笑稱787為“塑料飛機(jī)”，但玻璃纖維材料的大量應(yīng)用使得大幅提升客艙濕度成為可能。合適的客艙濕度能明顯提高乘坐體驗(yàn)，讓每一次飛行變得更加愜意，這也是波音787被稱為“夢想客機(jī)”的重要原因之一。

氧化陶瓷基復(fù)合材料（CMC）是使用溫度最高（1650℃）而密度最低的結(jié)構(gòu)材料，是作為發(fā)動機(jī)燃燒室、火焰穩(wěn)定器、內(nèi)錐體、尾噴管渦輪外環(huán)及渦輪等部件最理想的材料之一。

2014年，波音、羅羅等四家公司聯(lián)合研發(fā)了氧化陶瓷基復(fù)合材料航空發(fā)動機(jī)噴嘴。該發(fā)動機(jī)噴嘴后來成為了787飛機(jī)航空發(fā)動機(jī)的噴嘴，也是當(dāng)時全球利用氧化陶瓷基復(fù)合材料制成的最大單體部件。從使用情況來看，這種新材料不僅表現(xiàn)出良好的熱強(qiáng)度，同時能夠有效減輕發(fā)動機(jī)自重，降低燃油消耗。

除了復(fù)合材料之外，輕合金材料在波音787、777X等項(xiàng)目上的應(yīng)用也十分搶眼。

鋁合金、鈦合金、鎂合金都屬于輕型合金，尤其是鋁合金、鈦合金已經(jīng)成為飛機(jī)輕量化的關(guān)鍵性合金材料。777X由于大量采用先進(jìn)的合金作為結(jié)構(gòu)材料，使機(jī)身減輕了1450公斤。

鈦合金主要用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件及發(fā)動機(jī)的制造，如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片、發(fā)動機(jī)罩、排氣裝置等零件以及飛機(jī)的大梁隔框等結(jié)構(gòu)框架件。根據(jù)統(tǒng)計，如今波音系列飛機(jī)的平均鈦合金用量約為33.7噸/架。其中，每架787飛機(jī)的鈦合金用量達(dá)到約116噸。

在波音的多個飛機(jī)型號中，鋁合金也扮演了重要的角色。鋁合金質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、加工方便、價格便宜，常用于制造飛機(jī)上的蒙皮、梁、肋、桁條、隔框和起落架等。在737MAX項(xiàng)目中，機(jī)身采用鋁合金半硬殼式結(jié)構(gòu)，后緣襟翼采用鋁合金蜂窩結(jié)構(gòu)。在747-8項(xiàng)目中，波音廣泛采用了新一代鋁合金，在襟翼、擾流板、短艙和方向舵中采用了鋁合金-石墨復(fù)合材料。得益于此，747-8的重量減輕了907千克。

更輕、更強(qiáng)、更可靠

航空發(fā)動機(jī)是在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的惡劣環(huán)境條件下長期工作的復(fù)雜熱力機(jī)械，因此，它對材料和制造技術(shù)的要求也極為苛刻。

在航空發(fā)動機(jī)研制過程中，設(shè)計是主導(dǎo)，材料是基礎(chǔ)，制造是保障，試驗(yàn)是關(guān)鍵?？傮w來看，航空發(fā)動機(jī)部件正向著高溫、高壓比、高可靠性發(fā)展，航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)向著輕量化、整體化、復(fù)合化的方向發(fā)展，發(fā)動機(jī)性能的改進(jìn)一半靠材料。據(jù)預(yù)測，新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)對推重比12～15的一級發(fā)動機(jī)的貢獻(xiàn)率將達(dá)到50%以上。因此，沒有先進(jìn)的材料和制造技術(shù)，就不可能研制出先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)。

GE公司正在研制的GE9X發(fā)動機(jī)就使用了大量的新材料。用于波音777X飛機(jī)的GE9X將采用比任何在役的GE寬體發(fā)動機(jī)更少、更薄的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。為此，GE設(shè)計使用了新一代碳纖維復(fù)合材料制成的風(fēng)扇葉片，對比同類發(fā)動機(jī)，該材料的使用將減少5%的油耗。

事實(shí)上，從GEnx項(xiàng)目開始，GE公司使用新型復(fù)合材料風(fēng)扇葉片至今已有10多年的歷史。在GE90-94B、GE90-115B和GEnx發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，GE9X使用了第四代復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。新葉片采用了硬度更高的碳纖維和新型環(huán)氧樹脂材料，其前緣材料還從鈦合金改為鋼合金，進(jìn)一步提升葉片的強(qiáng)度。

此外，值得一提的是，GE9X和LEAP系列發(fā)動機(jī)都使用了碳化硅纖維的陶瓷基復(fù)合材料。航空發(fā)動機(jī)熱端部件需要有很高的耐熱性，此前主要使用鎳基超級合金。近年來，日本企業(yè)研制出一種更佳的替代材料——陶瓷基復(fù)合材料。與鎳基超級合金相比，陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)度增加了2倍，耐熱性提高20%，但重量反而要輕30%。

CFM國際公司是第一家在航空發(fā)動機(jī)上使用陶瓷基復(fù)合材料的企業(yè)。盡管這種材料目前還僅用在發(fā)動機(jī)少數(shù)幾個部件上，但其引入可能預(yù)示著一種新的發(fā)展趨勢。

另一家發(fā)動機(jī)制造商羅羅公司也在其下一代發(fā)動機(jī)上加大了復(fù)合材料的使用量。2019年2月，羅羅完成了對超扇發(fā)動機(jī)（UltraFan）關(guān)鍵部件的測試工作。先進(jìn)低壓系統(tǒng)（ALPS）中所需要的全部復(fù)合材料零部件，包括風(fēng)扇葉片、葉片機(jī)匣和環(huán)形填充塊等首次在供體發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了測試。這些復(fù)合材料部件都是由羅羅復(fù)合材料技術(shù)工廠制造的。該工廠設(shè)在英國，是一個具有卓越技術(shù)實(shí)力的復(fù)合材料中心。

UltraFan的每個風(fēng)扇葉片都使用了約500層碳纖維復(fù)合材料，且全部由機(jī)器人完成制造。通過使用這種先進(jìn)材料，每個發(fā)動機(jī)的重量將至少減輕680千克。

新一輪產(chǎn)業(yè)大洗牌

長期以來，材料領(lǐng)域的創(chuàng)新主體是美國、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)。其中，美國在新材料的研發(fā)和應(yīng)用各領(lǐng)域全面領(lǐng)跑，日本在納米材料、電子材料等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢，歐洲在結(jié)構(gòu)材料、光學(xué)與光電材料等方面保持領(lǐng)先。近年來，這些傳統(tǒng)的材料強(qiáng)國又開始了新一輪的產(chǎn)業(yè)布局。

2015年7月，美國鋁業(yè)公司在不到9個月的時間內(nèi)完成了對英國福瑞盛、德國TITAL和美國RTI國際金屬公司的收購，加速布局航空鈦合金及增材制造市場。同年8月，股神巴菲特宣布耗資372億美元收購精密鑄件公司，大舉進(jìn)軍航空制造業(yè)。

在復(fù)合材料市場，寡頭壟斷的趨勢近年來日益明顯。2015年12月，比利時蘇威公司斥資55億美元收購了美國氰特公司，坐上了航空復(fù)合材料原材料供應(yīng)商次席。受此影響，2016年1月，業(yè)界老大赫氏公司也把此前只收購了一半的英國Formax公司全盤買下。此外，2015年7月和8月，加拿大Avcorp工業(yè)公司和英國梅吉特公司分別提出了對德國SGL旗下Hitco公司和英國科巴姆公司復(fù)合材料業(yè)務(wù)的收購計劃，進(jìn)一步攪動了碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件供應(yīng)市場。

之后的幾年間，一些小型材料生產(chǎn)商被收購的消息更是絡(luò)繹不絕。可以說，這些并購已經(jīng)對航空制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)供應(yīng)體系產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。有專家指出，隨著相關(guān)企業(yè)并購或重組的不斷推進(jìn)，其結(jié)果很可能是航空基礎(chǔ)材料及制件供應(yīng)鏈企業(yè)的寡頭壟斷程度反超金字塔頂端的主承包商。這種情況一旦出現(xiàn)，將對未來飛機(jī)產(chǎn)品的研制產(chǎn)生重要影響。

除了企業(yè)間的并購之外，政府在材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上也發(fā)揮了重要作用。近年來，歐美一些傳統(tǒng)材料強(qiáng)國先后出臺了一系列發(fā)展規(guī)劃和扶植政策，以鞏固其領(lǐng)先地位。

在美國，從克林頓、小布什、奧巴馬到特朗普政府，都將新材料發(fā)展置于重要國家戰(zhàn)略的高度。長期以來，美國新材料研發(fā)的主導(dǎo)方向是優(yōu)先為國防領(lǐng)域服務(wù)，因此美國航空航天、計算機(jī)及信息技術(shù)等行業(yè)的相關(guān)材料應(yīng)用得到迅速發(fā)展，進(jìn)而帶動行業(yè)全面進(jìn)步，美國GE、杜邦、康寧等領(lǐng)先的新材料企業(yè)也在全球占有重要地位。

歐盟同樣十分重視材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在材料替代、循環(huán)利用以及環(huán)境保護(hù)等方面占據(jù)領(lǐng)先地位。以德國為例，德國是世界上最大的化工新材料產(chǎn)品出口國，擁有拜耳、巴斯夫、贏創(chuàng)、朗盛、漢高等新材料跨國公司。過去100多年中，德國幾經(jīng)興衰，卻始終能保持很高的制造業(yè)水平，在某種程度上與其強(qiáng)大的材料工業(yè)不無關(guān)系。

日本如今已經(jīng)成為創(chuàng)新實(shí)力僅次于美國的國家，特別是在碳纖維復(fù)合材料及特種鋼等新材料領(lǐng)域，在全球具有舉足輕重的地位。目前，全球只有日本有能力批量生產(chǎn)一些陶瓷基復(fù)合材料。

相比之下，我國在新材料的研發(fā)創(chuàng)新方面還存在諸多不足，基礎(chǔ)研究欠缺、數(shù)據(jù)庫不健全、專業(yè)人才匱乏等問題困擾著行業(yè)的發(fā)展，也制約著制造業(yè)的整體水平。為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，我們很有必要花大力氣促進(jìn)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

首先，要加強(qiáng)頂層設(shè)計，加強(qiáng)前瞻性布局，從國家戰(zhàn)略需求、重大工程項(xiàng)目出發(fā)，開展示范性應(yīng)用，以推動材料科學(xué)健康可持續(xù)發(fā)展。

這就不得不提到產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的問題。我們要發(fā)揮市場需求對新材料開發(fā)應(yīng)用的引導(dǎo)作用，強(qiáng)化產(chǎn)用結(jié)合，通過政府、高校及企業(yè)的合作來強(qiáng)化制造業(yè)優(yōu)勢，促進(jìn)上下游協(xié)作配套?？上驳氖牵@一點(diǎn)在C919大型客機(jī)項(xiàng)目上已經(jīng)有了新的探索，但與發(fā)達(dá)國家相比，差距依舊十分明顯。

其次，要用好“政策”這張牌。鑒于行業(yè)的特殊性，要加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)政策工具的引導(dǎo)作用，突出競爭中性原則。過去，我國材料行業(yè)產(chǎn)業(yè)政策工具在產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈上分布不甚合理，偏向于直接擴(kuò)大供給和對產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用環(huán)節(jié)施加影響，而在基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)階段，政策工具所占比重較少。

近年來，按照“使市場在資源配置中起決定性作用，更好發(fā)揮政府作用”的要求，我國產(chǎn)業(yè)政策已經(jīng)進(jìn)行了多輪調(diào)整，正在從選擇性產(chǎn)業(yè)政策為主轉(zhuǎn)向功能性產(chǎn)業(yè)政策為主?？梢灶A(yù)見，隨著相關(guān)政策的不斷完善，我國材料產(chǎn)業(yè)也將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。這對于我國以商用飛機(jī)項(xiàng)目為代表的高端復(fù)雜制造業(yè)來說，無疑將創(chuàng)造更好的環(huán)境。