碳纤维、铍铝合金、陶瓷耐热材料等关键材料技术不断突破技术瓶颈，性能获得大幅提升；同时，镓液态金属合金、超材料、石墨烯等前沿材料技术也在加快原理验证和工程应用研究。

  材料是航空武器装备的物质基础。材料技术的进步不断推动着航空武器装备性能不断提升和升级换代。在先进复合材料、高性能金属结构材料、特种功能材料、电子信息材料等领域取得了重要进展，不断向高温化、智能化、微纳化和可设计化方向发展。

  复合材料方向

  碳纤维量产新工艺

  2016年1月，由日本东丽、帝人、三菱丽阳和东京大学等组成的研究团队开发出在高温环境下不易熔化的丙烯纤维原料，它的好处是无须再进行防止熔化的准备工序，采用电磁波照射纤维直接加热从而替代传统的热压罐加热工艺，使碳纤维生产速度提高10倍。此外，新工艺还可使生产过程中的能源消耗和二氧化碳排放减半。

  陶瓷复合材料革新

  2016年8月，美国航空航天局（NASA）表示，在革命性航空概念项目的支持下，研究人员正研究陶瓷基复合材料（CMC）和防护涂层，以替代目前在航空发动机中应用的镍基高温合金。此外，日本石川岛播磨重工（IHI）与宇部兴产株式会社、标盾公司等，也将于2017年试制采用CMC的飞机发动机高压涡轮叶片。

  采用新型合金制造的F-35光电系统的平台外壳

  超低温自修复和可变形复合材料

  2016年9月，研究人员首次发现一种能在超低温环境下实现材料裂纹自修复的新型复合材料，可用于飞行器或卫星等的纤维增强材料部件，实现部件在轨维修。-60℃条件下，自修复效率在玻璃纤维增强材料中达到100%。此外，康奈尔大学也成功研制出一种可变形复合材料，兼具自组装和自修复的特性。美国空军打算利用该材料制备小型无人机的变形机翼，使其能适应从空中到海洋的环境变化，尽量减少机翼损伤。

  金属材料方向

  轻质合金材料

  2016年5月，美国轻质材料制造创新研究所启动了钛合金和铝锂合金项目，旨在通过改进计算模型，更好地预测发动机材料性能。

  铍铝合金

  铍铝合金属于双相金属，两相的熔点和固相温度相差627℃，难以铸造加工，一直以来只能粉末加工，组件价格昂贵，制造耗时报废率高，限制了合金的应用。2016年，洛克希德·马丁（洛马）与IBC先进合金等公司合作，开发出新型铝铍合金Beralcast，用专门的铸造工艺替代传统的粉末冶金，实现F-35光电瞄准系统的惯性平台外壳近净成形，预计可节省30%～40%的制造成本，并显著缩短制造周期。

  新型铸铁材料

  2016年1月，工程推进系统公司（EPS）通过采用强度更高的“紧密石墨铸铁”（CGI），设计出紧凑、轻重量、坚固耐用的航空柴油发动机。这种紧密石墨铸铁通过加入紧密的石墨颗粒对铁基体实现互锁，从而提高了强度和抗破裂性能。与普通灰口铁和铝合金相比，抗拉强度提高75%以上，硬度提高45%，疲劳强度则增长近一倍。目前该材料已用于EPS公司的发动机曲轴箱。

  特种材料方向

  宽频可调雷达吸波超材料

  2016年2月，美国爱达荷州立大学利用液态镓铟锡合金替代固态金属制造超材料内部结构单元——开口谐振环，研发出一种新型柔性隐身超材料。该材料可在吸波频段8G～11GHz连续可调，RCS衰减40～60dB，与现役装备雷达吸波材料相比，隐身效能提高100倍。该成果为宽频可调吸波材料的研究开辟了一条全新技术途径。

  Kymeta公司的超材料天线。

  新型防冰材料

  2016年5月，在美国空军科学研究办公室和卡森直升机公司的资助下，赖斯大学发明了超薄、高导电石墨烯条带的商业化生产工艺，并利用该工艺制备了具有导电性能的复合材料，帮助雷达罩和玻璃除冰。直升机旋翼桨叶的涂层试验表明，在-20℃时，叶片上形成的冰厚约1cm，只需将0.5W/cm2功率密度的小电压作用于涂层，就能使热传导到表面除冰。该涂层可以实时有效地对飞机、输电线路和其他表面除冰，比目前在机场使用的二元醇化学品更环保。此外，美国休斯顿大学于11月开发出一种具有“磁性光滑表面”的新材料，在-34℃下有效防冰，可用于任意表面防冰，有望大幅提升飞机和能源设施的防冰性能。

  耐高温陶瓷材料

  2016年8月，俄罗斯研究人员开发出一种基于碳化硅和二硼化锆的陶瓷混合物构成的多层陶瓷结构材料，预计能够耐受3000℃的极端温度的考验，可用于提升喷气发动机燃烧室的温度，还能在空间飞行器再入大气层时起到隔热作用，或者用于制造测量发动机温度的传感器保护罩。12月，英国帝国理工大学的研究团队发现碳化钽和碳化铪材料组成的化合物（80%钽和20%铪）熔点可达到3905℃，为未来极热环境的应用铺平道路，如下一代超声速飞行器的热防护板、核反应堆的燃料包壳。

  自清洁、抗反射、防微生物涂层

  2016年9月，西班牙巴斯克地区大学联合美国圣何塞IBM艾尔玛登研究中心，开发了一种能防微生物附着、自清洁且抗反射的涂层。该涂层表现出的相分离性能能显著降低微生物粘附。自清洁功能是通过将具有疏水性能的无机硅纳米粒子喷涂在丙烯酸涂层上实现的，形成了超疏水表面还具备很好的强度和韧性。抗反射性能是通过引入多孔结构，使涂层的有效反射率低于基材实现的；同时，为了降低孔结构对涂层机械性能的影响，研究人员确定了最佳的孔隙率范围。

  碳热沉材料

  2016年8月，联合技术航空系统（UTAS）公司为美国空军475架F-15战斗机提供新的轮胎和刹车。新碳刹车采用了专利碳热沉材料，比目前的刹车系统寿命长4倍；新的轮胎采用无螺栓锁环设计，大幅降低维修时间和成本，并减少部件数量，提升了F-15战斗机机队的性能和表现。

  电子材料方向

  超材料天线

  2016年3月，Kymeta公司表示其mTenna超材料天线已经进入了军工市场。mTenna天线能够自动校准，在飞行中调整对电磁波的接收，其制造工艺类似于液晶显示器或智能手机玻璃屏幕，成本仅为1.5万～2.5万美元，显著低于相控阵天线和电扫天线。此外，该天线仅消耗10W的功率，收发合置，重约18kg，可单人携带。

  二维氮化镓半导体材料

  2016年8月，美国宾夕法尼亚州立大学材料科学家采用石墨烯封装的方法，利用迁移增强封装生长（MEEG）技术，将镓原子添加到两层石墨烯之间，然后加入氮气引发化学反应，生成封装在石墨烯中的超薄片层氮化镓，首次合成二维氮化镓材料。这种材料具有优异电子性能和强度，将对电子行业产生变革性影响。

  镓液态金属合金

  2016年5月，美国空军披露其正在进行镓液态金属合金（GaLMA）射频电子研究项目。GaLMA由液态金属、镓及其他导电金属组成，具有轻质、构型可变的特点，对于严格限制尺寸、重量和功率的平台有重要意义，可以延长飞行时间、提高负载能力、减少飞机传统射频结构造成的空气动力学阻力。基于GaLMA的液态电子对于传统射频电子而言，是一种全新的方法和完全不同的材料形式，可以使天线和电接触点物理可移动，且可重新布置，所以电子元件的形状和功能能够随任务需求而变化。

  透明强磁性材料

  10月9日，日本研究人员开发出一种透明强磁性纳米颗粒薄膜材料，由纳米级磁性金属颗粒铁钴合金和绝缘物质氟化铝混合制成，有望用于在飞机挡风玻璃上直接显示油量、地图等信息的新一代透明磁性设备，为包括电、磁及光学设备在内的产业带来革新性的技术发展。

  航空材料：开启十年黄金时代

  1. 摘要

  航空制造业主要瓶颈逐步破除，需求拉动下有望迎来快速增长。国内航空工业发展缓慢主要受限于总装能力、材料技术和航空管制政策。伴随大飞机总装下线，合金和铸件技术提升，以及通航政策放松，行业有望迎来高速增长参考国际经验和国内航空运输/军事需求，我国民航与通航机队有望新增超过2800架50座以上飞机，军用四代/三代战机/无人机需求规模约为2000架。通航也将带动可观需求。

  材料产业链条完整，进口替代和维保市场空间巨大。假设到2030年，中国民航/军用飞机需求分别约2800架/2200架，机队规模约5500/6000架，则对应到钛合金需求约9.8万吨，高端铸造和3D打印部件需求25万件、民航发动机维检需求约1.2万台，军用航空发动机需求超过5000台。随着国内航材逐步进入中国商飞、中航工业的供应体系，从材料自主供应保障和航空公司运营成本控制角度来看，未来航材实现国产替代将成为大势所趋，航空材料国产化已经在逐步推进，进口替代和维保市场空间广阔。

  钛材、新型合金、高温合金和3D打印率先受益。我们判断，在2016~2017年大飞机首飞和军机换代窗口期，已经部分进入国产军机/大飞机供应链认证的上市公司有望实现业绩反转，打开成长空间。其中，拥有产能和铸造工艺优势的钛材、依托3D打印技术实现传统铸造替代的航空零部件制造、以及航空发动机叶片和发动机维保领域有望率先受益。

  2. 航空工业有望迎来黄金时代

  2.1.民航制造业渐入收获期

  国际航空业对飞机需求量快速增加。2013年波音和空客的民航飞机新接订单量达到历史顶峰，预示着未来几年航空材的需求量会保持高位。我们从飞机订单可以看出，航空制造业订单量大趋势是越来越多的，另外订单波动周期大约是10年左右，从全球来看，航空业对民航飞机的需求有望引来新一轮周期。

  中国民航客机需求旺盛。根据波音公司的预测，2013-2032年间，全球新增的民用航空飞机需求数量为3.52万架，其中中国为5580架，占比高达16%，中国市场价值为7800亿美元。其中单通道飞机为3900架，占比为70%，巨大的市场为C919和ARJ21等自主研发的干线和支线飞机提供了广阔的增长空间。

  ARJ21备货期即将到来，C919首飞渐行渐近。2015年11月29日，中国首架按照国际标准研制、具有自主知识产权的中短航程新型涡扇支线飞机ARJ21将交付成都航空公司，进入市场运营。从ARJ21首飞至投入航线运行，飞机通过了中国民航的适航审查、FAA影子审查，以及后续启动的认可审查，表明飞机表明项目水平满足世界最严格的航空安全标准要求。支线喷气式客机的设计和总装技术已经可以成熟运用于航线运营中，国产客机民航市场大门已被叩开。国产喷气式客机研发和市场化前景可期。

  2.2. 国防航空进入先进战机列装和研制新周期

  中国空军力量提升将持续。空军力量对比显示，无论在数量和质量方面，中国都远远落后于美国。中国2013年战斗机保有量约为1455架，仅为美国的51%。而其他辅助机型方面则差距更大，运输/加油机和教练机等仅为美国的10%左右。考虑到老旧战机淘汰，中国空军力量仍然有较大提升空间。

  机队机型升级换代急切。参考《飞行国际》的报告预测， 2008年至2013年间，中国战斗机的数量由2327架下降为1453架，从结构上来看，淘汰的主要为Q-5、H-5和J-6等落后机型，共淘汰了1070架左右，而J-10、J-11和JH-7等先进机型则总共更新200架，数量方面的下降和老机型的淘汰等都显示出换代升级的需求迫切。

  新机型服役与无人机加速列装，机队规模有望大幅提升。从目前已经披露的信息可以看到，中国军用飞机的研发进度大幅提升，已经定型、试飞或者近期交付的机型超过20款。预计随着新机型服役，中国先进战机机队规模有望大幅提升。

  2.3. 通航政策瓶颈突破，民用无人机和通航机型需求增长

  中国通航机型有望进入快速发展。参考美国、南非、巴西等航空发达国家经验，在经济及政策满足一定条件后，其通用航空产业都经历了持续30年6%-10%的高速增长期。我们看到，尽管目前中国通用航空还处于非常低的水平，但中国经济水平达到一定高度及低空限制逐步放宽，在近两年通用航空业已出现快速发展趋势，2013年开始航空产业政策进一步完善，中国通用航空有望进入一个十年、二十年的景气周期。

  通航发展规划和政策条件逐步具备。2013年11月份军委和民航局发布的《通用航空飞行任务审批与管理规定》，后续，后续的低空航图、《低空空域管理规定》、《通用航空飞行管制条例》等政策如果出台，将进一步解决技术层面的问题，对通用航空发展起到极大的推动作用。我们认为，在下游包括农业、安保等需求带动下，后续通航行业和准入政策扶持有望加速落地。

  机队规模有望实现高速增长。考虑到通航飞机在安防、农业植保等领域有广泛应用，参考美国约20万架通航飞机保有数量，我国通航飞机需求增长空间巨大。对比美国低空管制（3000m以下空域）70年代开始开放，而美国联邦航空管理局的数据显示，美国通用航空飞机数量从1965年的不到10万架上升至1980年的20万架左右。我国目前通用航空机队数量约2000架，未来进一步增长空间非常可观。

  2.4. 机队规模增长和更新带来庞大材料需求

  航空产业快速发展将迅速带动航材需求。参考国际经验和国内航空运输/军事需求，我国民航与通航机队有望新增超过5000架单通道及以上飞机，军用四代/三代战机/无人机需求规模约为2000架，此外还有大量通航直升机和无人机需求，由此带动的航空材料制造和维保市场可观。

  3. 材料视角：国产化和维保需求撬动航材市场

  3.1. 一代飞机，一带材料

  材料已经成为飞机研发和制造核心。由于民航对飞机经济性要求不断提高，各类多功能用途的通航飞机和无人机应用不断涌现，结构减重和燃油效率提升促使各类新型航材在飞机中大规模应用。航空军用飞机性能提升对新材料的需求也逐步体现。每一次飞机的更新换代，都伴随着机体材料、结构材料、发动机材料和各类组件材料的创新和应用。

  3.2. 钛：在国产军机和客机部件中渗透空间较大

  钛材在我国航空航天领域消费量或将不断攀升。由于在比强度、断裂韧性、耐热性、耐蚀性等方面具有优异的特性，钛及其合金在航空领域的应用日益增加。目前，世界航空航天的钛市场主要集中在美国、俄罗斯、欧洲等国家和地区。从提升飞机性能的角度考虑，未来我国宽体大型客机、先进战机等单机用钛量或将不断攀升，在我国商用支线客机ARJ21的钛合金用量为4.8%，商用干线客机C919的钛合金用量高达9.3%，和波音777相比略高（波音777为7%—8%）。随着国家对航空航天领域的支持力度逐年提升，在我国的民用和军事航空领域或将迎来爆发式的发展机遇之际，下游高端钛材的需求量或将引来爆发期。

  部件国产化趋势明显。一方面，在完成ARJ21交付和C919总装后，中国商飞逐步开始部件国产化研发工作。另一方面，波音和空客飞机的大量结构件开始交由国内较大的航空制造商进行制造，有望直接拉动国内钛合金需求。

  民用航空领域钛材需求有望增加5000吨。全球范围内，民用航空飞机的用钛量逐年上升，以2014年波音飞机订单总量与各机型单架飞机钛材使用量进行测算：B737用钛量达21528吨，B747为152吨，B767为300吨，B777为16697吨，B787达到8125吨，结合每类机型的产量，平均每价飞机用钛30.19吨/架；根据波音对我国民用航空飞机的预测，到2030年，我国民用航空各类飞机总和将增加2800架，则总共需要消耗钛材量达8.4万吨，年均需求超过5000吨。

  军用航空领域和无人机钛材需求量有望达到每年1700吨。对比中美两国军机钛材使用量，我国平均每架军机钛需求量为3.1吨/架，远低于美国均机需求量近8吨/架，钛材使用量的增加将有力推动军机减重，提高战斗力。我国军费开支从2011年后，始终保持在10%以上的平稳增速，保守预测今后十年我国军费开支至少保持在10%的年均增速，军机平均钛材使用量达到4吨/架；假设10年后我国军用飞机和无人机数量新增2000架；总共新增钛材量达到1.6万吨，年均需求增加约1700吨。

  3.3. 铝锂合金和新型铝合金

  航空航天领域铝合金用量占比份额高达70%左右。从全球范围来看，各类民用客机的铝合金用量达到近70%以上，其中波音777铝合金用材占总量的半壁江山，空客A380铝材用量也高达61%以上；对于我国我国自主设计的大型客机C919主结构材料中：铝及铝锂合金占65%，约14吨，所用到的铝合金牌号及制品形式包括7000系合金、2000系合金、6000系合金以及铝锂合金；而逐渐投入市场的ARJ21国产支线客机材料铝化率达75%，96%以上的零部件都是用热处理可强化的2xxx 系及7xxx 系合金制造的，仅有个别零件是用5052合金制造。大飞机的研发制造离不开材料的支撑，铝合金在航空航天领域用量依旧占据绝对主导地位。

  2系和7系铝合金在飞机用铝量中占据主导地位。变形铝合金1～8系列均在航空航天器制造中都得到应用，但当今世界各国大飞机结构用铝合金主要是高强度的2系（2024、2224、2324、2424、2524等）和超高强度的7系（7075、7475、7050、7150、7055、7085等）。

  铝锂合金或将成为大飞机铝合金的重要发展方向。铝锂合金材料是近年来航空航天材料中发展最为迅速的一种先进轻量化结构材料，具有密度低、弹性模量高、比强度和比刚度高、疲劳性能好、耐腐蚀及焊接性能好等诸多优异的综合性能。用其代替常规的高强度铝合金可使结构质量减轻10%~20%，刚度提高15%~20%，在航空航天领域显示出了广阔的应用前景。鉴于此，铝锂合金已深得航空航天界的喜爱，它作为一种新型航空航天结构材料，已成为美、英、法、俄等发达国家竞相研制、开发的热点。

  全球铝锂合金研发进程已迈入第三代铝锂合金时代。由于铝锂合金的成本比普通铝合金高、室温塑性差、屈强比高、各向异性明显、冷加工容易开裂等，导致其成形难度大，难以制造复杂的零部件，从而限制了其在结构部件方面的应用。但近年来，国外铝锂合金的研制和成形技术日渐成熟，不仅在军用飞机和航天器上大量应用；而且民用飞机铝锂合金的用量也呈增加态势，如“奋进号”航天飞机的外贮箱、空客A330/340/380等系列飞机；目前，已开发出的新型铝锂合金主要有高强可焊的1460和Weldalite系列合金，高韧的2097、2197合金，低各向异性的AF/C-489、AF/C-458合金等，这些新出现的铝锂合金标志全球铝锂合金研发已迈入第三代铝锂合金，逐渐广泛应用于高端航空航天领域。

  国产铝合金材料主要由西南铝主导，其他铝材深加工企业有望跟进。由于铝锂合金熔铸工艺，板料轧制挤压技术要求较高，新型铝锂合金的开发研制主要由西南铝业进行，并成功试制成功了用于C919大飞机项目专用的第三代新型铝－锂合金。同时，伴随者波音、空客等在华新建组装生产线，以及部分机身结构国产化加速推进，国内铝材深加工企业开始引入相关铝结构锻件，并开展波音、空客产品验证，有望在未来2年内形成供货。

  3.4. 发动机材料：关注高温合金和单晶叶片

  3.4.1. 高温合金

  全球高温合金下游市场空间巨大，航空航天领域占比高达55%。截止到2012年末，全球高温合金年消费量已达28万吨，市场空间超过100 亿美元；特别在航空航天领域的消费比例高达55%以上，我们认为，在下游航空航天领域景气度持续增加的带动下，需求量或将随着未来全球高端工业发展继续提升。

  高温合金为发动机核心材料。发动机核心材料包括风扇和压气机前级使用的钛合金叶片、后级压气机和低压涡轮使用的高温合金，高压涡轮使用的单晶叶盘和叶片，以及喷管和燃烧室使用的高温合金。通常来说，工作温度高且需要承受较大压力的燃烧室、后级压气机等部件会使用铁基高温叶片。

  国内航空发动机拉动高温合金年需求约为1200吨。考虑到由于国产航空发动机主要应用在军事领域，假设未来10年航空发动机需求约3200台，每台重量约2吨，高温合金占总质量50%，成材率约50%左右，并考虑备件等因素，对应航空发动机用高温合金需求超过1.2万吨。

  3.4.2. 叶片锻造和加工

  单晶叶片应用于航空发动机将缩小与国外代差，市场空间巨大。涡轮叶片是航空发动机最核心的部件之一，耐受温度也是提高发动机效率的关键因素。末级压气机和首级风扇直接接触1500摄氏度以上的高温气流，同时承受巨大的压力，对材料要求较高。成都航宇拟投产的单晶叶片，有望成功研制用于航空涡轮喷气发动机，并消除国产发动机与进口产品的代差。考虑到四代机列装、大型无人机和三代机的维检需求，假设未来10年列装1000架战机，双发机型占比50%，备件比1.2，全周期替换率1.8计算，对航空发动机需求超过3240台，对应单晶叶片市场空间约1020亿元。

  3.4.3. 衍生领域广阔

  衍生市场同样广阔。航空发动机叶片和合金技术可以衍生至燃气轮机，广泛用于电站和舰船中。我国2020年燃气轮机规划装机容量达到1.2亿千瓦，较2014年末装机量提高约7000万千瓦。按照主流200兆瓦出力的燃机轮机测算，合计燃气轮机装机需求超过350台。与传统动力相比，燃气轮机结构紧凑、功率大、重量轻、寿命长等优势可以显著提高舰船的战术技术性能。我国目前大约只有10艘主力舰艇使用燃气机。随着国产舰船用燃气轮机技术实现突破和海军舰艇列装速度加快，未来有望形成3大近海舰队和若干航母编队，未来五年预计年将新增驱逐舰及护卫舰30台左右，中小型舰艇90台。

  “两机专项”政策扶持力度加大，高温材料首当其冲，下游市场前景可期。航空发动机和燃气轮机涉及到国防、民航、电力基础设施等重点领域，而目前国内尚不具备生产能力，高温材料瓶颈使得国产轮机始终与国外存在代差。2015年，航空发动机和燃气轮机项目首次写入了2015年的政府工作报告。随后，《中国制造2025》规划也将航空发动机作为重点发展领域，“两机”专项投资规模或达千亿元，资金需求可以保障。另一方面，我们测算中国未来5年燃气轮机/航空发动机需求约为1160台，假设每个热端涡轮2级，每个叶盘80片叶片，每个叶片单价30万元，预计高温材料5年内将新增550亿元市场空间，以及约350亿元维保市场。

  3.5. 3D打印满足航空小部件需求

  3D增材打印技术具备在航空领域广泛应用的技术基础。从国外3D打印应用情况来看，两大民航客机生产商波音和空中客车已经在各自最新的机型中大规模使用3D打印制造钛合金零部件。其中，波音公司透露已经建立了一个由模型数据库-零件管理系统-打印机构成的3D打印数据库用以生产相关零件，从1997年至2015年已经打印了超过2万个飞机零部件。空客在A350 XWB机型上已经应用了超过1000个3D打印部件。发动机方面，GE使用3D打印制造的压缩机温度传感器外壳已经通过了FAA适航认证，罗罗使用3D打印制造的轴承基座零件已经用于A380并完成试飞。由此可见，3D增材打印在飞机部分连接件和结构件中，已经可以对传统锻件进行广泛替代。

  使用3D打印提升飞机制造效率，降低运营成本。由于飞机的非标准零部件和耗材数量较多，在生产过程中，单个制造模具往往成本较高。在部分对精度要求相对较低的连接部件和特殊部件中，使用3D打印可以大幅提高生产效率。例如，罗罗披露使用3D打印零部件生产效率可提高1/3，交货周期可缩短30%。3D打印将再造航空材料维保体系，节约运营成本。由于飞机零件种类繁多，且维修频率较高，飞机制造商和航空公司在飞机零部件维修中需要承担大量的备件库存，且备件交货周期较长。以波音公司为例，每年零件采购数量高大7.83亿个，并在全球建有5400个零部件供应商。3D打印有望再造航空零部件供货流程，部分小部件将不再通过供货商采购而是直接由3D打印获得，有望大幅节约了库存成本并缩短了交货周期。

  3D打印渗透率提升将带来大量材料和加工需求。假设每年全球航空领域零部件需求总数约30亿件，平均每个零部件重量100克，则3D打印部件在所有航空部件中渗透率提升0.1%，就有望带动约300吨3D打印钛粉材料需求。假设到2017年3D打印在零部件的渗透率达到1%，则对应市场规模超过90亿元。

  3.6. 非金属新材料：关注碳复合材料和陶瓷基材料

  3.6.1. 碳纤维复合材料（CFRP）：机身材料新宠

  碳纤维材料对飞机机身进行有效减重。由于CFRP重量较传统铝合金/钛合金更轻，且冲击和疲劳性能接近金属材料，已经被大量用于飞机的机身、翼面和涡扇发动机风扇中。目前，CFRP在军机和民航飞机中应用占整机材料重量比例在22%至50%。CFRP的发展主要包括了四个阶段：

  1）1970年代，主要用于整流罩、舱门等非承力结构；1公斤CFRP可以大体替代3公斤铝合金；

  2）1980年代，主要用于垂尾、平尾、鸭翼、副襟翼舵面等次承力结构，尺寸和承重能力进一步扩大；

  3）1990年代，主要伴随着热压罐整体成型技术的成熟，开始将CFRP应用于大部件，包括机身、机翼等。同时CFRP探伤技术逐步成熟，开始在民航飞机中应用；

  4）2010年至今，CFRP开始被尝试用于发动机风扇。由于纤维多层交叉铺贴，材料本身“各向异性”性能优越，裂纹生长缓慢，再加上振动衰减率比钛合金快5-6倍。LEAP-X发动机采用了CFRP三维碳纤维编织物整体成型的风扇实现风扇减重约50%。

  3.6.2. 碳-碳复合材料：主要应用于刹车付

  已经大规模应用于航空、汽车等刹车摩擦材料。碳-碳复合材料密度较轻，仅为金属基复合材料的三分之一左右，作为刹车付的摩擦材料可以减重40%。同时，材料热稳定性较好，一方面比热较高具有良好的吸热功能，另一方面在2000度以上的高温下也不易融化粘结，大幅减少航空刹车付的维修频率。同时，碳-碳复合材料自身具备一定结构性能，有助于简化刹车付结构性能。目前碳-碳复合材料已经大规模应用于民航和军用飞机的刹车组件中，并逐步外延到汽车、高铁等刹车的摩擦材料。

  3.6.3. 陶瓷基材料：潜在的热端静子材料

  主要用于取代发动机热端的静子材料。陶瓷基复合材料（CMC）可能成为下一代发动机高温材料。由于CMC重量只有同等体积金属合金的三分之一，相关的承重部件可以因此变薄，减少发动机重量，提高燃油效率。同时CMC的工作温度较镍基合金高大约500度，可以大幅提升热端工作温度，并减少气冷组件和设计（二级涡轮甚至不需要气冷）。完全应用后可以对发动机减重约6%（455kg）。

  目前， CFM最新推出的LEAP发动机中使用CMC材料作为高压涡轮罩壳，GE9X则将进一步会扩大CMC使用范围到内外燃烧室衬套，高压涡轮1级和2级的喷嘴（静叶），以及1级导流罩。

  3.6.4. 多孔金属膜（EMF）

  主要用于复合材料机身防雷。由于CFRP整体成型在机身中大量替代铝合金机身，飞机防雷已经成为一个重要的课题。在飞机制造中，保护复合材料机身防雷主要使用多孔金属箔（EMF）。

  总之，航空材料的多领域的发展，极大的推进相关领域的飞速发展。高校、科研单位和企业能齐心推进航空材料的进口替代，我国在航空领域的行业前景是十分广阔的。

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