材料是工業的基礎。大力推動新材料的研發應用，對于高端裝備制造業而言是必爭的戰略高地。國家發布《新材料產業“十三五”發展規劃》，提出要加快培育和發展新材料產業，引領材料工業升級換代，保障國家重大工程建設。通過與專業研究機構以及企業的合作，C919飛機正在不斷提高對國產材料產業轉型升級的引領作用。

    迎難而上，善作善成。春節剛過，3架國產大型客機C919首次同時出現在了廠房里。今年，試飛機隊規模將擴大到6架。新一輪密集試飛工作正在加速進行。

    據中國商飛統計，目前全球航線飛行的飛機，噴氣客機市值約3萬億美金。C919作為中國首款按照國際適航標準，并具備自主知識產權的民用飛機，是中國商飛在國際航空領域的鼎力之作。目前，C919已經拿下了國內外28家客戶的815架訂單。可以說，未來飛機制造業市場大有可為。

    中國大飛機的制造，離不開材料工業的貢獻。在民用飛機中，主要用到的金屬材料有鋁合金，鋼鐵和鈦合金。近年來，復合材料用量逐漸攀升，以碳纖維增強樹脂基復合材料為代表的新型材料，能夠有效降低機體重量，降低油耗，并減少維修成本。另外，機艙內部將首次啟用芳砜綸纖維制作椅罩、門簾，能夠減重30公斤以上，每架飛機能夠節省超萬元的成本。

    而材料行業的轉型升級，也受到了大飛機事業的帶動。C919的研制工作，帶動國內材料供應商按照民機材料研制與生產要求，建立起生產過程控制理念，提升國產材料生產的一致性和穩定性，逐步建立可以支撐中國民用飛機發展的材料產業基礎。

    “一代材料，一代飛機”

    早在20世紀70年代初，歐洲空客公司的首款客機A300還在襁褓之中，中國的大型噴氣式客機“運-10”項目已經悄然上馬。當時中國的工業基礎薄如白紙，部件大多數處在零基礎的狀態，再加上國際環境較為復雜，與我們建交的國家不多，沒有從國外購買部件的條件。憑借數十萬科研工作者白手起家，經歷長達十年的艱難攻關，“運-10”在1980年終于試飛成功，最大起飛重量高達110噸！

    更不可思議的是，當時研制工作共誕生了近百項新材料，一百多項新標準、新工藝，機體國產化率100%，除發動機向國外采購配套外，航電和機械系統國產化率超過96%，國產化率達到驚人的高度！

    外國媒體都驚呆了，不敢相信中國能在“零基礎”的條件下造出這樣的飛機，堅信“運-10”是參考了美國“波音707”，然而，美駐華空軍武官親自參觀“運-10”之后說：“凡是熟悉波音飛機的人，站在機艙門前看一眼就明白，‘運-10’不是波音飛機的復制品，機翼構型明顯不同。”

    “運-10”隨后還飛越了我國版圖內的幾乎所有大山大江、高原平地、荒漠沃土、湖泊和領海，7次飛過喜馬拉雅山，成為那個時代中國航空業的驕傲，中國也是繼美、蘇、歐之后世界第四個掌握大型飛機制造技術的國家。外媒當年評論說，中國航空業與國外的差距一下子從30年被縮短到了15年！

    可是，還沒來得及慶功，“運-10”項目就突然被叫停了，此后便被無限期擱置，這究竟是什么原因呢？

    除了當時的體制、資金等重重阻礙外，“運-10”沒法進行大規模生產就是一個很致命的因素。

    當時我國薄弱的工業基礎根本無法保證“運-10”的批量生產，只能做幾個這樣的原型機。當時跟很多國家沒有貿易往來，無法求助于外部，什么都得自力更生、自己生產，結果國產的零部件根本無法滿足“運-10”飛機的批量生產要求，滿足不了就供不上，標準也不達標，安全隱患大。在這樣的無奈下， “造不如買，買不如租”的自暴自棄思潮也借機上位。中國民航大量進口了波音公司的飛機。

我國民航大量使用的波音737

    “運-10”的隕落成了一代國人揮之不去的痛。我國的民航業在后來很長時間內停滯不前，漸漸與歐美拉開了四五十年的差距。當年的決定，竟然引發了這樣的結果，不禁讓人唏噓，這原來是甜蜜的毒藥啊！。

    看看C919飛機都用了哪些新材料？

    以往的飛機研制是沒有“材料研究”這個概念的，只有“材料選擇”。國外有什么材料就選什么材料，那時候的問題主要是實現選材后的國產化，不至于在批量生產時被進口材料“卡住咽喉”。

    近年來，“材料研究”的重要性被逐漸認可。新的材料固然有其特殊的優勢，然而如何能夠用在飛機制造上，還需要更多地打磨。材料的靜力性能、各向異性、疲勞性能、斷裂韌性、疲勞裂紋擴展性能等一系列性能指標都要通過試驗后經統計分析產生，生產條件下零件制造的工藝參數也要通過工藝驗證試驗獲得。

    第三代鋁鋰合金改善各向異性

    作為結構材料，鋁合金為現代飛機提供極大支持。鋁鋰合金材料由于重量輕、比剛度比強度高，被認為是新一代飛機研制較為理想的結構材料。美國、俄羅斯、歐洲和日本在航空航天領域均有使用鋁鋰合金的應用實例。如空客公司的A330、A340和A380等機型的座椅滑軌、地板梁等部件均使用了鋁鋰合金。

    事實上，鋁鋰合金作為鋁合金的一種，其在航空材料大家族中并不算新成員。1958年，美鋁公司開發出第一代鋁鋰合金——2020鋁鋰合金，并使用在RA-5C預警機上。但是2020鋁鋰合金表現出的脆性和生產問題阻礙了其進一步應用。

    國內在批產型號上正式使用鋁鋰合金材料，可以追溯到本世紀初。隨著蘇27原型機上1420鋁鋰合金的國產化，國內材料和航空界開始對鋁鋰合金有了了解。以1420鋁鋰合金為代表的第二代鋁鋰合金含鋰量一般在2%-3%，密度比普通鋁合金降低約10%。

蘇27 原型機

    然而，第二代鋁鋰合金存在一個重要的性能缺陷，即存在顯著的各向異性。正因為此，鋁鋰合金材料在國內航空領域始終沒有得到大范圍的推廣應用。

    隨著C919大型客機啟動立項研制，國內第三代鋁鋰合金的應用開始擺上議事日程。在材料供應商的配合下，開發出適用于飛機蒙皮的2060鋁鋰合金，消除了第二代鋁鋰合金的各向異性問題，同時材料的屈服強度提高了40%，其性能提升可以說是跨時代的。

    C919是首次大范圍采用鋁鋰合金的機型，在機體結構中的用量約為8.8%。鋰既能降低鋁的密度又能提高彈性模量。向鋁金屬中每添加1%的鋰，鋁合金的密度就下降約3%，而其彈性模量則會上升約6%，從而成為復合材料（碳纖維增強塑料）強有力的競爭產品。據波音飛機公司測試，采用鋁鋰合金制造波音飛機，其重量可以減輕14.6%，燃料節省5.4%，飛機制造成本可下降2.1%，每架飛機每年的飛行費用可降低2.2%。由于鋁鋰合金的成本大約只是復合材料（碳纖維增強塑料）的10%，因而在應用上具有明顯的比較優勢，C919也得以實現比B737、A320等同類機型輕5%~10%的目標。

    國內鋁板研究制造摸索前行。在20世紀80年代中期國內航空開始7075、2024、7475等合金的研究工作，但材料的規格遠沒有達到歐美國家的水平。90年代以后，國內開展了對7A55、6A60、高阻尼鋁合金、耐熱鋁合金以及鋁鋰合金的研究，但研究水平還不成熟，價格居高不下，與國外先進技術具有較大的差距，目前國內至少有10家鋁板生產企業均著力研究航空用鋁厚板的生產技術。南山鋁業等鋁企均致力于為國產大飛機開發和制造航空用厚板。

    抗腐蝕、抗疲勞的碳纖維復合材料

    從零下55度到零上70度，飛機的運營環境跨度很大，由于地表溫度和高空溫度的差異，飛機每次起降都要經過一次冷熱循環，尤其是當航線范圍覆蓋炎熱的熱帶或者寒冷的寒帶時，冷熱循環就會更加明顯。在約9萬次起降的設計壽命周期里，C919要經受許多由溫差帶來的對飛機機體結構“冷凍熱蒸的考驗”，其機體結構材料的抗腐蝕、抗疲勞性能顯得格外重要。

    提到抗腐蝕、抗疲勞，還有什么材料比復合材料更有優勢呢？飛機上使用的復合材料主要是碳纖維增強樹脂基復合材料，它的耐腐蝕性能，有些類似于日常生活中的塑料，我們都知道，連腐蝕性非常強的王水，都需要用塑料瓶來盛裝，塑料的耐腐蝕性可見一斑。此外，復合材料的抗疲勞性能也十分強大，只要在結構設計上，使受到的“靜力”滿足要求，是不會因為疲勞而損壞的。

    C919飛機的后機身后段、平尾、垂尾、升降舵、方向舵、襟翼、副翼、小翼、擾流板等部位均使用了碳纖維復合材料。使用的復合材料比例也是目前中國航空領域最大的，促進了相關產業更大的發展。

    復合材料具有密度小重量輕、比剛度比強度高、抗腐蝕抗疲勞、可設計、整體成型等許多好處。而且，由于大量采用復合材料，較國外同類型飛機80分貝的機艙噪音，C919機艙內噪音可望降到60分貝以下。

    近年來，復合材料用量逐漸攀升，以碳纖維增強樹脂基復合材料為代表的新型材料，能夠有效降低機體重量，降低油耗，并減少維修成本，頗受航空公司歡迎。

    波音787夢想客機在商業上的巨大成功，與其優異的飛行性能與較低的使用成本密不可分，與以往相同的機型相比，燃料消耗下降了20%，減少了更多溫室氣體的排放，飛行航程超過了15000公里。這樣優異的表現，正是由于其在制造中，使用了高比例的復合材料而得以實現的。

    目前全球碳纖維制造的主導者是日本和其在歐美設立的的工廠，其次是依靠歐美航空航天市場健康發展的美國Hexcel和Cytec公司，以及依靠強大工業創新體系的德國SGL公司，隨著在碳纖維領域投入的不斷增大，我國碳纖維產量占世界份額也在不斷提高。據中國化學纖維工業協會預測，2020年碳纖維在全球工業領域的需求將達到75%，航空航天和體育休閑領域分別占20%和5%左右。工業用途中，汽車、風電和土木工程將是今后的大市場。

    我國碳纖維起步較晚，國際著名生產廠商都分布在海外。A股上市公司相關標的康得新，目前擁有1700噸碳絲和5100噸原絲的生產線，已經完成新能源汽車碳纖維車體及部件產業布局，康得復合材料擁有全球唯一的新能源汽車輕量化碳纖維生態平臺，打開碳纖維市場指日可待。

    金屬基復合材料有望成為“新寵”

    提到復合材料，大部分人首先想到增強樹脂基復合材料，殊不知近年來，金屬基復合材料又逐漸走向了新材料研制的前沿。

    國際上金屬基復合材料以鋁基為主。制備鋁基復合材料的一般方法是將碳化硅顆粒或陶瓷顆粒等混入鋁合金，用攪拌鑄造或粉末冶金的方法混合獲得鋁基復合材料，以提高材料剛度和硬度。鋁基復合材料已在美軍戰機如F16戰隼戰斗機的燃油檢查口蓋和腹鰭以及F18大黃蜂戰斗機的液壓制動器缸體等部位獲得應用。

 F-18大黃蜂戰斗機

    在原位自生技術中，以鋁熔體為溶液，引入組成陶瓷的基本元素，合成陶瓷顆粒。通過熔體控制自生技術，能夠有效控制合成陶瓷顆粒的尺寸、形貌和分布，陶瓷顆粒的尺寸由外加顆粒法的幾到幾十微米降低到50-500納米，突破外加顆粒法生產的鋁基復合材料塑性低、加工難等應用瓶頸，同時復合材料具有高剛度、高強度、高抗疲勞、低膨脹、高阻尼、耐高溫等等合金不具備的優越性能。

    納米陶瓷鋁基復合材料在提高復合材料綜合性能的同時，既保持了鋁合金易成形、易加工的特性，又具備了復合材料高剛度、高強度、高抗疲勞、低膨脹、高阻尼、耐高溫等特性。納米陶瓷顆粒引入到鑄造系鋁合金，能夠實現大型、復雜、薄壁構件的鑄造成形；引入到變形系鋁合金，能夠進行擠壓、鍛造、軋制、拉拔等處理。因此具備較高的工業推廣價值。

    “第三大金屬”—— 鈦

    從20世紀50年代開始，新一代航空航天飛行器向高速化、大型化、結構復雜化以及提高燃油效率等方向的跨越式發展，要求在結構材料的設計中采用綜合性能更高的輕金屬材料。鈦合金作為近幾十年發展的新型輕金屬材料（密度約為銅的50%，低碳鋼的57%），具有高強高模、高損傷容限、耐高溫、耐腐蝕性等優良的綜合性能，因此在航空航天領域中得到了迅速的發展，并逐漸向其他領域延伸，在超導材料、形狀記憶材料、吸氣儲氫材料等領域中引起人們越來越多的關注，鈦繼鐵、鋁后逐漸成為人類使用量越來越大的的第三大金屬。

    鈦合金分類多樣，應用領域廣泛。根據性能及用途，鈦合金又分為耐蝕鈦合金、耐熱鈦合金、高強度鈦合金、低溫鈦合金、粉末鈦合金、功能鈦合金等。鈦合金廣泛應用于航空、軍工、化工、電力、醫療、建筑、海洋工程及體育休閑等領域，汽車輕量化趨勢更是利好鈦合金類高比強度的輕質材料。從下游消費結構來看，化工領域和航空航天領域的鈦材用量合計占比超過60%。我國航空航天對鈦材需求同比增幅超過40%，發展空間廣闊，未來有望成為最大的應用領域。

    航空用鈦主要用在飛機機體和航空發動機，即用于飛機結構的高強鈦合金和損傷容限型鈦合金，用于發動機的高溫鈦合金和阻燃鈦合金。從歷史上的民用飛機發展來看，鈦用量占比一直在逐步提高，隨著民用航空工業的發展，鈦將擁有越來越大的市場空間。

號稱“全鈦飛機”的SR-71偵察機

    波音公司預測，到2035年，全球新增民機數量為39620架，我國新增民機數量為6330架。空客和波音每架飛機平均用鈦分別為27.5噸和33.7噸，平均用鈦量約為30噸/架。照此計算，全球新增民機航鈦需求為119萬噸，年均為5.9萬噸；我國新增民機航鈦需求接近19萬噸，年均需求近萬噸。

    作為國內鈦材龍頭企業，航空鈦材的探索者，寶雞鈦業股份有限公司主營鈦及鈦合金板、帶、箔、管、棒、線、鍛件、鑄件等加工材和各種金屬復合材產品，主導產品鈦材年產量位居世界同類企業前列，高端鈦材領域優勢地位難以撼動。自C919大飛機項目啟動以來，寶鈦股份已先后承擔了國家Ti-3Al-2.5V（TA18）管材、熱處理的Ti-6Al-4VEIL厚板、處理的Ti-6Al-4V合金型材、TB5板材工程化研制四個DK型號用材料研制任務。在C919中，鈦合金的應用比例為9.3%，約每架3.92噸，主要用在機身蒙皮、機身機翼等各處力接頭、機翼滑軌、液壓燃油高壓管路系統等處。

    為什么要造大飛機而不直接購買？

    據俄羅斯衛星通訊社2月18日報道，在日前正在舉辦的阿布扎比國際防務展上，俄羅斯國家技術集團總裁切梅佐夫在媒體面前表示，由俄羅斯伊爾庫特集團研發的雙發中短途干線客機MC-21重要材料遭到美國的禁運，因此宣布將推遲一年下線，預計將于2020年交付使用。

    據悉，MC-21被美禁運的重要材料，就是用于機翼與垂尾的碳纖維復合材料，作為當今世界上一種重量輕且耐高溫耐磨的新型材料，是新型軍機與客機都會采用的一種材料，但目前美日壟斷了碳纖維復合材料的大部分市場，俄羅斯也只能受制于人，正當俄羅斯擬將向伊朗出售MC-21之際，美國一紙禁令一下，限制了對俄的碳纖維復合材料的出口。

    對于俄羅斯大飛機MC-21遭遇美日聯手設卡的事件，無疑也給我國提了一個醒，以往的民航領域，中國一直處于受制于人的階段。雖然如今即將打破壟斷，擁有屬于自己的國產大飛機C919，但為防止重蹈MC-21的覆轍，我們需要具備完全國產化的能力。而就在今年年初，我方就完成C919起落架關鍵鍛件的100%國產化，由中國二重萬航公司承建，無疑是向C919的全面國產化邁出了重要一步。

    為什么要造大飛機而不直接購買呢？首先，航空工業的戰略地位自不必說，我國20世紀60年代，曾經在“兩彈一星”還是“兩彈一機”中做出過艱難的抉擇，“一機”就是指航空發動機，光是發動機一項，就足以就足以和核武器以及衛星相提并論，可見大飛機的意義非同一般。

C919的CFM56發動機

    第二，從經濟方面來考慮，以前我們需要用8億件襯衫來換一架空客A380。8億件襯衫消耗的資源要比1架 A380多得多。如果用產品單位價值來衡量，船舶單位質量創造的價值是1，小汽車是9，電子計算機是300，噴氣式客機是800，航空發動機是1400，足見航空產業超高的資源集約性。

    除了此之外，民用大飛機的研制，也會為相關制造業提供無數個“助攻”，輻射帶動作用不言而喻。1架150座飛機構造，需要300萬—500萬個零部件，涉及到成千上萬家企業的產品，所影響的產業鏈包括能源、生產加工、制造集成、信息技術、物流、金融等，覆蓋幾乎所有的工業門類。采用的新技術、新材料、新工藝無疑會帶動電子工業、數控機床、鍛件制造、冶金、儀器儀表等領域實現產業升級。波音公司的研究表明，民用飛機銷售額每增長1%，對國民經濟的增長拉動就達到了0.714%。

    當年的中國高鐵，從進口零部件組裝起步，然后通過消化吸收再創新，不斷地擴大自主范圍，最終實現了完全國產，并建立了一套“中國高鐵標準”。ARJ21作為C919的“前輩”，是引進國外的成熟零部件進行組裝的。而C919研制伊始，就開始與國外廠商進行合作，進行本地化生產和改進研究，成為我國向干線民航客機市場進發的先鋒。相信在不久的將來，國產大飛機就能夠實現100%的國產化。沒有什么能夠阻擋我們，沒有什么能夠阻擋中國大飛機事業的騰飛。

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責任編輯：王元

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