知領：2022年綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析報告（19頁）.pdf

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1、綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析中國工程科技知識中心中國機械工程學會2022 年 10 月2022 年第十二期報告圖解報告圖解I目 錄摘摘 要要i1、發展綠色航空產業的必然性、發展綠色航空產業的必然性12、航空航天新材料的研究進展、航空航天新材料的研究進展12.1 航空鋁合金材料的發展現狀航空鋁合金材料的發展現狀22.1.1 國外航空用鋁合金材料發展現狀國外航空用鋁合金材料發展現狀 22.1.2 國內航空用鋁合金材料研究現狀國內航空用鋁合金材料研究現狀 32.2 航空鈦合金材料的發展現狀航空鈦合金材料的發展現狀32.2.1 國外航空用鈦合金材料的發展現狀國外航空

2、用鈦合金材料的發展現狀 32.2.2 國內航空用鈦合金材料的發展現狀國內航空用鈦合金材料的發展現狀 42.3 航空鋼材的發展現狀航空鋼材的發展現狀52.4 航空復合材料的發展現狀航空復合材料的發展現狀62.4.1 國外航空用復合材料的發展現狀國外航空用復合材料的發展現狀 62.4.2 國內航空用復合材料的發展現狀國內航空用復合材料的發展現狀 83、航空新材料的發展趨勢、航空新材料的發展趨勢83.1 鋁及鋁合金材料的發展趨勢鋁及鋁合金材料的發展趨勢83.2 鈦及鈦合金材料的發展趨勢鈦及鈦合金材料的發展趨勢83.2.1 低成本航空鈦合金的研究開發低成本航空鈦合金的研究開發 93.2.2 高性能航空

3、鈦合金的研究開發高性能航空鈦合金的研究開發 93.2.3 增材制造在航空鈦合金中的應用增材制造在航空鈦合金中的應用 93.2.4 鈦合金材料的回收與再利用鈦合金材料的回收與再利用 93.3 超高強度鋼的發展趨勢超高強度鋼的發展趨勢103.4 新型復合材料的發展趨勢新型復合材料的發展趨勢103.4.1 新型復合材料的開發技術新型復合材料的開發技術 103.4.2 低成本綠色化的復合材料制備技術低成本綠色化的復合材料制備技術 11參考資料參考資料12知領報告2022 年第 12 期編編 輯：輯：武麗麗執執 筆：筆：金 帥 中國機械工程學會羅丹青 中國機械工程學會郭英玲 中國機械工程學會審審 核：核

4、：蔡志勇i摘摘 要要當前，新冠疫情給全球局勢演變帶來相當大的不確定性。氣候、環境、資源等問題日益突出，環境友好、綠色環保成為人類生存社會文明發展的必然選擇。近年來，國內外航空界在繼續重視飛行器及發動機安全性的同時，也越來越關注節省資源、降低成本、保護環境等問題，在此背景下綠色航空產業取得了一定的進展。綠色航空涵蓋了飛行器的設計、制造、使用、維修、退役、回收等的整個研制和使用過程，涉及技術領域包括綠色材料、綠色制造、綠色維修等。所謂綠色材料，是指材料從設計、原材料選用、加工制造、包裝運輸、使用、回收及再利用的整個周期內，實現資源利用的最大化，并盡可能地減少使用成本以及對環境造成的影響。本文分析了

5、國內外航空材料的發展現狀，分別介紹了鋁合金材料、鈦合金材料、高強度鋼以及復合材料四大類結構材料的發展歷程、研究現狀，探討了綠色航空材料的發展前景?？偠灾?，在全球現代化工業高速發展的推動下，航空材料的綠色化發展是必然趨勢，也是經濟發展的迫切要求。近年來，我國開始大力發展新材料技術，各項新材料技術取得不斷突破，航空新材料的研究也取得了可喜的成績。展望未來，航空新材料將會朝著多用途、高性能、新工藝、低成本和新概念的方向發展。隨著中國航空新材料領域自主研發水平的提升，我們需要從材料設計、制備工藝、材料開發以及回收再利用等方面入手，全面提高航空材料綠色化技術水平，共同創造綠色航空的美好未來。綠色航空材

6、料的發展現狀及趨勢分析11、發展綠色航空產業的必然性、發展綠色航空產業的必然性當前，新冠疫情給全球局勢演變帶來相當大的不確定性。氣候、環境、資源等問題日益突出，環境友好、綠色環保成為人類生存社會文明發展的必然選擇。2020年習近平總書記深刻指出，“人類需要一場自我革命，加快形成綠色發展方式和生活方式，建設生態文明和美麗地球?！崩羁藦娍偫碓?022年政府工作報告中提出要持續改善生態環境，推動綠色低碳發展，加強污染治理和生態保護修復，處理好發展和減排關系，促進人與自然和諧共生。近年來，國內外航空界在繼續重視飛行器安全性的同時，也越來越關注資源節省、成本降低、環境保護等問題，在此背景下綠色航空取得了

7、一定的進展。一方面這既與航空制造業對于降低成本、提高生產率的發展需求有關，另一方面也與人類日益增強的環保意識和越來越嚴格的環保標準密切相關。歐美發達國家圍繞綠色航空領域，制訂了一系列研究計劃：如美國啟動了持續低排放、低能耗和低噪聲項目(CLEAN)，環境責任航空項目(ERA)；歐盟啟動了“潔凈天空”項目(CLEAN SKY)。綠色航空涵蓋了飛行器的設計、制造、使用、維修、退役、回收等的整個研制和使用過程，涉及技術領域包括綠色材料、綠色制造、綠色維修等。所謂綠色材料，是指材料從設計、原材料選用、加工制造、包裝運輸、使用、回收及再利用的整個周期內，實現資源利用的最大化，并盡可能地減少使用成本以及對

8、環境造成的影響。材料是飛行器制造的基礎，航空材料的發展對航空技術起到強有力的支撐和保障作用。進入21世紀，飛行器向著更加安全可靠、輕量化、強韌化、綠色環保的方向發展，從而對材料提出了越來越高的要求，也促進了飛行器在飛行速度、可靠性、低成本、高效率和舒適度等方面的升級。在新的產業形勢下，發展高端航空綠色材料及其制備、加工技術對支撐我國航空事業的可持續發展意義重大。2、航空新材料的研究進展、航空新材料的研究進展飛機材料一定程度上決定了飛機機體結構的制造成本。由于中國航空裝備早期以引進為主，因此在材料選用上主要沿用國外的材料體系，近些年來，我國開綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析2始大力發展新材料技術

9、，各項新材料技術取得不斷突破，航空新材料的研究也取得了可喜的成績。但是目前航空新材料產業的整體水平與國際先進水平相比仍存在不小的差距。2.1 航空鋁合金材料的發展現狀航空鋁合金材料的發展現狀鋁合金具有比模量大、比強度高、導熱導電性能好、耐腐蝕性好、加工性能優異、等優點，盡管面臨來自復合材料、鈦合金材料等新材料的替代競爭，飛機機體上鋁合金材料的用量正在逐步減少，但是由于其在成本、工藝以及綜合性能方面的優勢，高性能鋁合金仍然是一種不可或缺的航空飛行器用關鍵材料。2.1.1 國外航空用鋁合金材料發展現狀國外航空用鋁合金材料發展現狀國外對于鋁合金的研究大概經歷了高靜強度鋁合金、耐腐蝕鋁合金、高強高韌鋁

10、合金、高綜合性能鋁合金的四個階段。20世紀初，鋁合金就已經成為世界各國制造航空飛行器的主要結構材料，在飛機結構中重量占比達到70%以上，飛機上的蒙皮、縱梁、肋梁、艙壁、桁條等設備構件都是由鋁合金材料制造。航空用鋁合金材料中，應用比較多的是7000系鋁合金和2000系鋁合金：（一）7000系鋁合金因其耐蝕性好、韌性高以及加工性能優異，成為航空飛行器的主要結構材料。其主要成分是是Al、Zn、Mg、Cu元素，以Zn為主添加元素，通過加入一些特殊元素以獲得更高的性能（高強、高韌、耐腐蝕性能），如通過鉻（Cr）、錳（Mn）、鉬（Mo）等微量元素的添加來改善應力腐蝕、開裂問題等等。（二）2000系鋁合金耐

11、溫性能優良，多用于150250溫度范圍內工作的耐熱零件和耐熱可焊接的結構件及鍛件。其主體成分主要是Al、Cu、Mg 3種元素，以Cu為主添加元素，通過調節Cu的含量來改善鋁合金材料的焊接性能，以及通過調節元素含量和熱處理工藝來提高其耐蝕性和韌性以滿足應用于不同場合的需求。為了滿足航空嚴苛的使用條件，提高飛行器的安全性及可靠性，要求鋁合金材料向著具備更高的斷裂韌性和更高的抗應力腐蝕性方向發展，大體上鋁合金材料的研發是沿著由高強度低韌性到高強度高韌性再到高強度高韌性以及耐腐蝕的方向發展；對應的熱處理工藝開發是沿著從T6到T73到T76到T736到T77的方向發展；在合金設計方面的發展特點是Fe、S

12、i等雜質含量越來越低，微量過渡綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析3族元素添加越來越合理，合金化程度越來越高，從而大幅度提升合金的整體綜合性能。2.1.2 國內航空用鋁合金材料研究現狀國內航空用鋁合金材料研究現狀我國對于航空用鋁合金的研制，最初是為了配合飛機維修和仿制的需求而開展的。多年來，我國不斷加大高強鋁合金材料的研發力度，生產能力和技術水平都取得了巨大的進步，基本具備了高強鋁合金材料的批量生產能力，但是在關鍵技術的突破以及品種、系列化發展和工程應用水平方面與歐美發達國家相比仍存在差距：一是對鋁合金材料的研究多數仍處于實驗室階段，實驗室成果轉化緩慢。二是對基礎理論與工藝的研究仍比較薄弱，開發時

13、間短，數據積累不夠。三是材料生產加工設備、生產裝備有待進一步完善，產品質量穩定性及設備自動化水平有待進一步提高。四是沒有形成自己的航空材料標準體系，牌號多、品種規格不全、材料數據不完整。2.2 航空鈦合金材料的發展現狀航空鈦合金材料的發展現狀鈦及鈦合金材料比強度高、高溫力學性能和抗蠕變性能優異、耐腐蝕性好，此外其服役溫度范圍廣、可在室溫到中高溫環境服役。因此，20世紀70年代鈦合金材料的出現使其快速成為航空工業中極其重要的結構材料。2.2.1 國外航空用鈦合金材料的發展現狀國外航空用鈦合金材料的發展現狀（一）高溫鈦合金。高溫鈦合金主要用在飛機襟翼滑軌、軸承殼體、支架、發動機罩、壓氣機盤和葉片、

14、機匣等結構框架件。這些構件要求材料在300600的高溫條件下具有較高的比強度、疲勞強度、蠕變抗力及組織穩定性。目前代表國際先進水平的高溫鈦合金牌號主要有美國的Ti-6242S、Ti-1100，英國的IMI834，俄羅斯的BT36等。Ti-6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)鈦合金是為了改善鈦合金的高溫性能，尤其是為了適應噴氣發動機的使用要求而研制的一種近型鈦合金。其最高使用溫度為540，具有強度高、韌性高、抗蠕變性能和熱穩定性優異等優點，主要應用于制造發動機安裝架，發動機轉動部件，燃 氣 渦 輪 發 動 機 零 件，飛 機 機 體 熱 端 零 件 等。IMI834(T

15、i-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si)合金是英國研制的一種近型鈦合金，也是長時使用溫度可達600的國際上最早的實用型高溫鈦合金，抗蠕變綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析4性能、疲勞強度以及變形能力優良，被用于波音777飛機的大型發動機上。（二）高強度鈦合金。高強度鈦合金通常是指抗拉強度大于1000MPa的鈦合金，主要用來替代飛機結構中常用的高強度結構鋼，可實現重量減重10%。目前，應用于飛機上的高強度鈦合金主要以型鈦合金為主，具有代表性的主要有Ti-1023，BT22，Ti-153，-21S以等。Ti-1023(Ti-10V-2Fe-3)高強韌鈦合金是由美國研

16、制的目前應用最為廣泛的近型鈦合金，其鍛造性能優異，被廣 泛 應 用 于 波 音 777客 機 起 落 架 及 空 客 A380的 主 起 落 架 支 柱。BT22(Ti-5A1-5Mo-5V-1Fe-1Cr)合金是俄羅斯研制的一種高合金化、高強度近型鈦合金。其合金組織在退火狀態下為+結構，該合金的韌性高，塑性好、加工性能和焊接性能優良，已用于制造機身、機翼、起落架等高負載航空部件及發動機的風扇盤和葉片等。（三）阻燃鈦合金。目前，比較典型的阻燃鈦合金有美國的Alloy C、俄羅斯 的BTT-1。美國研制的Alloy C(Ti-35V-15Cr)合金是一種型鈦合金，該合金具有良好的高溫強度和抗氧化

17、能力，已被應用于Fl19發動機的高壓壓氣機機匣、導向葉片和矢量尾噴管。俄羅斯研制的Ti-Cu-Al系BTT-1阻燃鈦合金具有良好的熱加工性，已被用于發動機壓氣機機匣和葉片。2.2.2 國內航空用鈦合金材料的發展現狀國內航空用鈦合金材料的發展現狀我國鈦資源豐富，其儲量居于世界前列。近年來隨著鈦合金行業的迅速發展，我國鈦及鈦合金的研制及應用有了較大的進展，自主研發的新型鈦合金數量已有40余種，其中許多已成熟并批量用于飛機機體和發動機。（一）高溫鈦合金。Ti-60合金是我國自主研制的一種600高溫鈦合金。該合金是在TAl2(Ti-55)合金的基礎上添加了適當含量的Al，Sn，Si元素，從而進一步提高

18、了合金的熱穩定性、高溫蠕變性能和高溫抗氧化性。Ti-600合金是在美國Ti-1100合金的基礎上添加了適當含量的稀土元素Y，該合金在600650力學性能優良，尤其是蠕變性能優勢更加明顯。（二）高強度結構鈦合金。我國在20世紀7090年代自主研發了一批高強度結構鈦合金。這些鈦合金的強度均可以達到1100-1300MPa的水平。21世紀初研發的代表鈦合金有2種：近鈦合金Ti-B18，抗拉強度可達11501350MPa；亞穩定鈦合金Ti-B20，抗拉強度可達12001600MPa。綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析5（三）阻燃鈦合金。多年來，我國在阻燃鈦合金方面進行了深入的研究，參照AlloyC 合金

19、，分別設計了Ti-V-Cr-Al，Ti-Mo-Cr-Al，Ti-Mo-V-Cr-Al 3個系列的阻燃鈦合金，并利用計算機模擬手段進行了抗燃燒機理的研究。此外，在系統地分析了美國、英國、俄羅斯3個國家不同體系的阻燃鈦合金之后，分別設計了TF1(Ti-V-Cr-C系)和 TF2(Ti-Cu系)阻燃鈦合金。Ti-40(Ti-V-Cr-Si)合金是我國自主研發的型阻燃鈦合金，與常規鈦合金相比，Ti-40合金具有優異的阻燃性能和力學性能。目前，該合金研究已由實驗室規模發展到半工業化規模，已經能夠制備Ti40噸級鑄錠、大規格棒材和環鍛件。由于國內航空制造業起步較晚，鈦及鈦合金材料在我國航空領域的用量并不大

20、，用于航空領域的鈦材占比不到20%，遠低于50%左右的國際平均水平，與鈦工業發達國家相比仍存在不小差距：一是高端鈦合金產品仍以仿制為主，材料研制水平較低，應用范圍較窄，高綜合性能低成本鈦合金的研制也大多處于實驗室階段；二是冶金質量不穩定，品種較少，規格不全；三是相關配套技術的研究進展緩慢，自主研發的鈦合金材料體系有待完善。2.3 航空鋼材的發展現狀航空鋼材的發展現狀盡管在飛機制造中航空鋼材的應用比重不斷下降，但因其高的比強度、屈強比、耐磨性以及優良的抗沖擊性能，一些關鍵的結構件如起落架、大梁、大應力接頭、高應力緊固件等仍需使用鋼材。在現代飛機結構中，鋼材用量大約占5%-10%，而飛機起落架用超

21、高強度鋼占全機用鋼量的60%以上。一般習慣上認為抗拉強度高于1380MPa，屈服強度高于1200MPa的合金鋼材稱為超高強度鋼，其代表著一個國家鋼鐵材料研究和生產的最高水平，是一個國家科技和國防工業發展水平的重要標志。超高強度鋼按其所含合金元素的比例，可分為低合金、中合金和高合金三種超高強度鋼。其中合金含量低于5.0wt%的為低合金超高強度鋼，合金含量在5.0wt%10.0wt%間的為中合金超高強度鋼，合金含量高于10.0wt%的為高合金超高強度鋼：（一）低、中合金超高強度鋼。AISI4340超高強度鋼是由美國在1950年研制出的最早出現的低合金超高強度鋼，也是低合金超高強度鋼的典型代表。為了

22、改善低合金超高強度鋼的低溫回火脆性問題；1952年，300M鋼問世，后被廣泛應用于制造飛機起落架，是當前世界上強度水平最高、綜合性綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析6能最好的飛機起落架用鋼。（二）高合金超高強度鋼。AF1410是由美國研制成功的一種可焊接超高強度鋼，該鋼材具有高的強韌性、良好的加工型和焊接性能。已用于制造飛機起落架、平尾軸等重要結構部件。1991年，在AF1410鋼的基礎上，美國研制成功了一種新型超高強度鋼AerMer100，與鋼AF1410相比，材料強度進一步提高，綜合性能進一步提升。近年來，航空技術不斷發展對超高強度鋼的強度、塑韌性、疲勞強度以及耐蝕性等提出了更高的要求。中國

23、是一個鋼鐵生產大國，但受到生產技術和質量水平等因素的限制，高品質特殊鋼的產量和質量仍不能滿足市場需求，與國外先進水平相比還存在較大的差距和提升空間，在航空鋼材領域仍處于跟跑階段。一方面，材料牌號多且存在嚴重的重復，根據航空材料選用目錄，我國各類航空產品所用的結構鋼共有131個牌號，不銹鋼有81個牌號；編入航空材料手冊的結構鋼有47個牌號、不銹鋼有36個牌號；而納入國軍標的結構鋼和不銹鋼分別只有38個和32個。大部分鋼號是在近十多年引進國外航空產品過程中仿制的，沒有形成適合我國國情的材料、工藝及理化檢測標準系列。另一方面，缺乏統一的航空材料性能數據庫，材料性能數據少且分散，從而導致了材料冶金質量

24、的穩定性、一致性和均勻性較差。但是隨著我國航空事業的不斷發展及中國大飛機等項目的實施，相信國產航空超高強度鋼的研發制造也會不斷取得更多成果。2.4 航空復合材料的發展現狀航空復合材料的發展現狀復合材料具有比強度和比剛度高、抗疲勞性能和耐腐蝕性好等優點，被廣泛應用于各類航空飛行器，并大大促進了飛行器的輕量化、低成本化和結構功能一體化發展。復合材料的應用可實現航空飛行器結構減重10%40%，成本降低10%30%。從20世紀70年代起，先進復合材料在航空領域的應用逐漸從最初結構簡單的整流罩、擾流板、升降舵等次承力構件發展到目前復雜的機翼、機身等主承力構件，并被越來越廣泛地應用在各種飛行器的制造上，部

25、分飛機復合材料比重已達到50%以上，復合材料的應用逐漸成為提升新一代大型飛機核心性能的關鍵技術之一，其用量也已成為衡量飛機先進性和市場競爭力的重要標志。2.4.1 國外航空用復合材料的發展現狀國外航空用復合材料的發展現狀樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料以及碳基復合材料是目綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析7前航空領域應用較為廣泛的先進復合材料。（一）樹脂基復合材料（也稱纖維增強塑料Fiber Reinforced Plastics，簡稱 FRP）。先進樹脂基復合材料是指以高性能纖維為增強體和高性能樹脂為基體的復合材料。當前，航空用先進樹脂基復合材料大多數都是碳纖維增強熱固性樹脂復合

26、材料，其中環氧樹脂是航天復合材料樹脂基體的主體。碳纖維復合材料（CFRP）是目前最先進的復合材料之一，具有質量輕、強度高、耐高溫、抗腐蝕以及熱力學性能優良等特點，在航空領域中主要被用于主翼、尾翼、副翼、機體、方向舵、起落架、擾流板、發動機艙、整流罩及座板等結構材料。對于代表當今世界民機制造技術最高水平的波音B787和空客A350，碳纖維復合材料應用比例已超過50，有的機型甚至已達到80%-90%。與傳統的鋁合金材料相比，碳纖維復合材料可以使飛機的自重大大降低，從而減少油料的消耗，降低二氧化碳的排放量，飛行成本也隨之降低。（二）金屬基復合材料（Metal Matrix Composites，簡稱

27、 MMCs）。金屬基復合材料主要是指以輕金屬為基體，以高強度第二相為增強體的復合材料，具有優良的導電導熱性、耐高溫性，橫向移動性能、低材料消耗性以及優異的可持續加工性能。金屬基復合材料按基體主要可分為鋁基、鎂基、銅基、鈦基復合材料，其中鋁基復合材料是航空領域中研究和應用最為廣泛的一種，可被應用于航空飛行器風扇導向葉片、液壓系統分路閥箱等部位，SiC 纖維增強鋁基復合材料可被應用于航天飛機機翼、機身蒙皮、支撐框架及機尾加強筋等部位。（三）陶瓷基復合材料（Ceramic Matrix Composites，簡稱 CMCs）。陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體并與各種纖維復合的一種復合材料。陶瓷基體有氮化

28、硅、碳化硅等高溫結構陶瓷，其具有高比模量、高比強度、低熱膨脹系數、耐高溫、抗腐蝕等優點。陶瓷基復合材料按增強體的形態不同可分為連續纖維增強，短纖維增強和顆粒增強三種。與其它陶瓷基復合材料相比，連續纖維增強陶瓷基復合材料斷裂韌性更高，并且克服了傳統陶瓷材料脆性斷裂的缺點，可被應用于航空發動機燃燒室內襯、燃燒室筒、噴口導流葉片、機翼前緣、渦輪葉片和渦輪殼環等熱端部位。（四）碳/碳復合材料（C-C Composite or Carbon-carbon Composite Material）。碳/碳復合材料是以碳纖維為增強體的碳基復合材料，具有密度低、力學性能好、高熱傳導性、低熱膨脹系數、耐熱沖擊及耐

29、燒蝕等優異性能，是目綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析8前所有已知材料中耐高溫性最好的材料，可以在 15001700的高溫環境下工作，是制作航天飛機發動機的理想材料，還可以用來作為航天飛機的熱防護材料，已被廣泛應用于航空領域。2.4.2 國內航空用復合材料的發展現狀國內航空用復合材料的發展現狀我國對于復合材料的研究始于20世紀70年代，多年來，我國先進復合材料的技術水平不斷提高，航空復合材料的應用基本上實現了從次承力構件到主承力構件的轉變，自主設計的軍民機上也已經逐步實現了對先進復合材料整體構件的大面積使用，復合材料的鴨翼、垂直安定面、水平安定面等都實現了批量化應用。此外，復合材料整體構件在無人

30、機領域中的應用范圍更為廣泛，整體成型技術也不斷成熟。但是，優質的碳纖維和其他高水平的復合材料大多仍依賴進口，在產品質量、穩定性以及應用水平方面上仍與發達國家存在差距：一是基礎研究不充分，尚未完全建立復合材料構件的設計準則，相關標準和規范仍不完善，材料、工藝方面缺乏明確的模式規范；二是缺乏復合材料構件的一體化設計方法，總體應用綜合技術落后，如修理、加工、性能測試、無損檢測等使用保障技術相對落后；三是主要制造成型設備仍依賴于進口，自動化應用水平較低。這極大地限制了我國航天技術的發展，因此加強對復合材料關鍵制造技術的研究具有重要意義。3、航空新材料的發展趨勢、航空新材料的發展趨勢3.1 鋁及鋁合金材

31、料的發展趨勢鋁及鋁合金材料的發展趨勢隨著高性能鋁合金材料成型和加工技術的不斷進步，高性能材料在航空工藝發展中的不斷迭代，鋁合金材料在性能、規格方面面臨著極大的挑戰。今后的研究重點需要在現有基礎上進一步開展如下工作：一是不斷加大高強鋁合金材料科學基礎技術的研發，從材料成分組成、熱處理工藝、加工工藝等諸多方面提高其斷裂韌性、抗疲勞性能和耐蝕性，提升高強鋁合金材料的綜合性能；二是加強開發研制高強鋁合金的生產設備，使鋁合金的傳統工藝向智能制造工藝快速轉變；三是開發鋁合金的低成本制造技術。綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析93.2 鈦及鈦合金材料的發展趨勢鈦及鈦合金材料的發展趨勢鈦合金因其優異的性能特點成

32、為航空工業最理想的結構材料。從目前發達國家航空零件使用材料的發展趨勢看，航空工業是鈦合金最大的應用領域，比強度高、密度小的鈦合金材料在很長一段時間內也仍將是航空領域的主要材料之一。航空科技的飛速發展對新一代航空飛行器提出了更高的要求：超高速、高空、長航時、超遠航程等等，此外為了提高飛機的可靠性，越來越多地增加了鈦合金等高性能材料的用量，因此，航空鈦合金將向著高性能、低成本化的方向發展。目前的研究熱點主要集中在新型鈦合金材料的開發、焊接與加工成形工藝的開發與應用、以及復雜構件的增材制造技術、低成本制造技術等方面。（一）低成本航空鈦合金的研究開發（一）低成本航空鈦合金的研究開發航空工業對材料的要求

33、更加注重性能與成本的平衡，低成本化將貫穿選材、結構設計、制造工藝、檢測評價以及維護等產品的全生命周期，降低鈦合金成本已經成為行業發展的必然趨勢。首先，要擺脫航空關鍵材料長期依賴進口的局面，建立自己的鈦合金體系，從根本上為實現低成本制造奠定基礎。其次，開發降低成本的新材料和新工藝，用價格較低的元素取代Nb、Mo和V等貴金屬元素，以及大力發展近凈成形新技術。（二）高性能航空鈦合金的研究開發（二）高性能航空鈦合金的研究開發目前高溫鈦合金實際長時使用很難突破600，對于600以上航空鈦合金的研究仍處于試驗、中試階段，與大規模開發應用還有很大的距離。另外，阻燃鈦合金、高強高韌及損傷容限型鈦合金的批次穩定

34、性研究及應用已經成為眾多學者關注的重點。未來對于高性能航空鈦合金的研究將傾向于對現有合金進行深入挖掘，同時開發新牌號合金的研究。（三）增材制造在航空鈦合金中的應用（三）增材制造在航空鈦合金中的應用近年來,隨著增材制造技術的發展及應用，激光增材制造鈦合金技術克服了傳統技術難以生產復雜鈦合金構件、鈦合金冷加工變形抗力大等缺點，對大型整體結構件的制造提供了新的技術途徑，且其具有與鍛件相當的力學性能，鈦合金增材制造技術將成為航空鈦合金加工成形一條新途徑。綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析10（四）鈦合金材料的回收與再利用（四）鈦合金材料的回收與再利用國內外在純鈦和TC4(Ti-6Al-4V)等通用型合金

35、的回收與再利用方面取得了一定的效果，但在“高端”應用領域，我國目前仍落后于歐美發達國家，所以，發展我國的鈦合金材料回收與再利用技術，建立回收與再利用材料標準與規范，研發回收與再利用高端設備與技術也成為發展綠色航空鈦合金材料的方向之一。3.3 超高強度鋼的發展趨勢超高強度鋼的發展趨勢超高強度鋼是當前強度最高的金屬結構材料，在航空制造領域，超高強度鋼的發展制約著航空關鍵部件的性能，隨著新材料及航空技術的進步，對超高強度鋼提出了更高的要求，未來的研發重點可圍繞以下幾個方面進行改進：1)超高強度鋼的合金化研究：以現有的超高強度鋼作為原型鋼，通過減少有害元素含量、添加有益合金元素，以提高其斷裂韌性、強化

36、材料性能。2)超高強度鋼的強韌化機理研究：探究不同超高強度鋼在高溫環境中的應用，研究其蠕變、疲勞性能及在高溫環境使用時的組織演變規律和變形機制等。3）超高強度鋼的新工藝研究，如低成本、綠色環?；男滦椭苽涔に?、高純凈熔煉技術、熱處理工藝、表面處理工藝等，通過新的處理工藝來降低能耗、提高強韌比等綜合性能。3.4 新型復合材料的發展趨勢新型復合材料的發展趨勢復合材料在性能和功能上具有遠超傳統金屬材料的優越性，各種復合材料在航空工業中得到越來越廣泛的應用。新的型號需求為先進復合材料的發展提供了新的動力和機遇，先進復合材料的研制向著更高綜合性能、工藝性能、低成本化及綠色環保的方向發展。其中，綠色復合材

37、料作為復合材料大家族的新成員獲得了越來越多的關注，高性能復合材料的綠色化發展從本質上講就是綠色材料的使用以及材料的綠色制造。（一）碳纖維復合材料（一）碳纖維復合材料（CFRP）的回收再利用技術開發）的回收再利用技術開發據統計，目前全球 CFRP 產能已經超過 3000t/a，使用 CFRP 為原料的飛機退役時就會產生約 20t 的碳纖維廢料。因此，航空領域成了碳纖維廢料的主要來源。近些年來，英國、德國、日本等國家都開始致力于開展碳纖維復合材料（CFRP）綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析11的回收技術開發并取得了一定成效。（二）新型復合材料的開發技術（二）新型復合材料的開發技術航空復合材料的熱固

38、性樹脂以環氧樹脂為主體，但是環氧樹脂的固化物難以降解，從而帶來嚴重的環境污染問題，所以近年來開始了可降解環氧樹脂的研究開發。從20世紀90年代開始，各國就陸續開發了一系列高性能熱塑性樹脂，如聚苯硫醚系列、聚醚酮系列等，此類可降解熱塑性樹脂復合材料在綜合力學性能、耐腐蝕性以及韌性等方面都有了很大的提升，并且具備二次以及多次成型的特點，還可以進行回收和再利用，被廣泛應用于航空器的主承力結構上。但是，發展新型熱塑性復合材料，目前仍存在幾個問題：一是基體價格高；二是大型和復雜構件自動化成型技術難度以及質量穩定性問題，而且高熔點提高了制備、成型加工的技術難度；三是以提高材料強度、剛度以及尺寸穩定性和耐高

39、溫性能等為目標的新型樹脂復合材料的開發。（三）低成本綠色化的復合材料制備技術（三）低成本綠色化的復合材料制備技術碳纖維是先進復合材料的主要增強體，目前國內使用的碳纖維主要依靠進口，自主研發生產碳纖維，將進一步降低先進復合材料的成本。碳纖維復合材料的低成本和綠色化制備技術主要包括:（一）開發新型的碳纖維前驅體（原絲）。在碳纖維制備過程中，質量過關的原絲是實現產業化的前提。目前，開發的低成本原絲產品主要有造紙副產物的木質素纖維素、乙醇生產過程中的副產物等，有希望替代高價格的聚丙烯腈原絲。（二）開發各種新技術和新工藝。以提高自動化水平、制造效率、降低制造成本和減少污染物排放為目標的工業能力提升,以及

40、自動鋪絲、自動鋪帶、熱隔膜、非熱壓罐固化技術、3D打印技術等材料制造新技術的應用?？偠灾?，在現代化工業高速發展的推動下，航空材料的綠色化發展是必然趨勢，也是經濟發展的迫切要求。展望未來，航空新材料將會朝著多用途，高性能，新工藝、低成本和新概念的方向發展。隨著我國航空新材料領域自主研發水平的提升，我們需要從材料設計、制備工藝與技術、材料開發以及回收再利用技術等方面入手，全面提高材料綠色化技術水平，以此帶動材料的不斷發展與突破，共同創造綠色航空的美好未來。綠色航空材料的發展現狀及趨勢分析12參考資料參考資料1王欣,羅學昆,宇波,湯智慧.航空航天用鈦合金表面工程技術研究進展J.航空制造技術,202

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