长期以来，航空航天是引领带动新材料、新工艺发展的主要领域，实现高性能材料轻量化，也是科学家们研发新材料的源动力。让人类跑得更快，让跑车更快达到极速，让飞机续航更远更持久的诀窍，自然离不开轻质高强材料。今天就来带大家盘点3大航天利刃材料都是哪三个，他们各自在航空航天领域发挥着什么作用？

这“三把利刃”分别是钛合金、高温合金和碳纤维。

近些年来，我国开始大力发展新材料技术，各项新材料技术取得不断突破，航空新材料的研究也取得了可喜的成绩。但是目前航空新材料产业的整体水平与国际先进水平相比仍存在不小的差距。

（一）钛合金：性质优良的“万能金属”

人类对钛金属的发现始于1791年，并以希腊神话中的泰坦（Titans）将其进行命名。而Titanium这个单词现在不单只有钛的意思，还经常会作为「坚不可摧」的形容词出现，也被引申为一种更高阶的指代意味。

例如福特会将Titanium作为最顶配车型的标识符，还有就是英伟达一直以来都习惯于用Ti来作为高性能版本显卡型号的后缀。

1948年，美国杜邦公司采用镁法成吨生产海绵钛——这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。

国外航空用钛合金材料的发展现状

1）高温钛合金：高温钛合金主要用在飞机襟翼滑轨、轴承壳体、支架、发动机罩、压气机盘和叶片等结构框架件。目前代表国际先进水平的高温钛合金牌号主要有美国的Ti-6242S、Ti-1100，英国的IMI834，俄罗斯的BT36等。

2）高强度钛合金：高强度钛合金通常是指抗拉强度大于1000MPa的钛合金，目前，应用于飞机上的高强度钛合金主要以β型钛合金为主，具有代表性的主要有Ti-1023，BT22，Ti-153，β-21S等。

3）阻燃钛合金：目前，比较典型的阻燃钛合金有美国的Alloy C、俄罗斯的BTT-1。美国研制的Alloy C（Ti-35V-15Cr）合金是一种β型钛合金，该合金具有良好的高温强度和抗氧化能力，已被应用于Fl19发动机的导向叶片和矢量尾喷管。俄罗斯研制的Ti-Cu-Al系BTT-1阻燃钛合金具有良好的热加工性。

国内航空用钛合金材料的发展现状

1）高温钛合金：Ti-60合金是我国自主研制的一种600℃高温钛合金。该合金是在TAl₂（Ti-55）合金的基础上添加了适当含量的Al，Sn，Si元素，从而进一步提高了合金的热稳定性、高温蠕变性能和高温抗氧化性。

2）高强度结构钛合金：我国在20世纪70～90年代自主研发了一批高强度结构钛合金。这些钛合金的强度均可以达到1100-1300MPa的水平。21世纪初研发的代表β钛合金有2种：①近β钛合金Ti-B18，抗拉强度可达1150～1350MPa；②亚稳定β钛合金Ti-B20，抗拉强度可达1200～1600MPa。

3）阻燃钛合金：多年来，我国在阻燃钛合金方面进行了深入的研究，参照AlloyC合金，分别设计了Ti-V-Cr-Al，Ti-Mo-Cr-Al，Ti-Mo-V-Cr-Al3个系列的阻燃钛合金，并利用计算机模拟手段进行了抗燃烧机理的研究。此外，在系 统地分析了美国、英国、俄罗斯3个国家不同体系的阻燃钛合金之后，分别设计了TF1(Ti-V-Cr-C系)和 TF2（Ti-Cu系）阻燃钛合金。由于国内航空制造业起步较晚，钛及钛合金材料在我国航空领域的用量并不大，用于航空领域的钛材占比不到20%，远低于50%左右的国际平均水平，与钛工业发达国家相比仍存在不小差距：一是高端钛合金产品仍以仿制为主，材料研制水平较低，应用范围较窄，高综合性能低成本钛合金的研制也大多处于实验室阶段；二是冶金质量不稳定，品种较少，规格不全；三是相关配套技术的研究进展缓慢，自主研发的钛合金材料体系有待完善。

（二）高温合金

高温合金是现代航空发动机的基石，也是航天动力、燃气轮机，以及超超临界电站、核能、油气开采、石化等领域中的关键材料。

高温合金是指以镍、铁和钴为基体，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作，能承受较大复杂应力、并具有表面稳定性的一类金属材料。根据材料成形方法，高温合金可以分类为铸造高温合金、变形高温合金和新型高温合金。

在现代航空发动机中，高温合金材料的用量占发动机总重量的40%～60%，主要用于四大热端部件：燃烧室、导向器、涡轮叶片，此外，还用于环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。

我国高温合金产业目前处于成长期，产业链企业未来发展空间广阔。我国高温合金生产企业数量有限，生产水平与美国、俄罗斯等国有较大差距，但近些年在产能与产值上皆有明显提升，炼石航空、西部超导等多家公司高温合金产能项目在建设投产中。

粉末高温合金发展现状

目前世界上只有美国、俄罗斯、英国、法国、中国等少数国家具备粉末高温合金研发、生产能力，其中美国和俄罗斯是粉末高温合金研制和工程化应用最成功的国家，所生产的粉末高温合金制品被用于多个型号的航空发动机。

在粉末高温合金领域，欧美等国已经研制出了第四代粉末高温合金。第一代为650℃高强型粉末高温合金，如René95、IN100等；第二代为750℃损伤容限型粉末高温合金，如René88DT、N18等；第三代为高强损伤容限型粉末高温合金，如René104/ME3、Alloy10、LSHR和RR1000等；第四代粉末高温合金是在第三代的基础上，通过成分调整和工艺优化来获得更高的工作温度，使其具有高强度、高损伤容限和高工作温度的特点。

俄罗斯几乎和美国同时开展粉末高温合金的研究，与美国相比，俄罗斯粉末高温合金牌号较少，目前广泛应用于航空发动机制造的只有ЭΠ741HΠ，该合金具有优异的综合高温性能，使用温度为650～750℃。2004年后俄罗斯新研制了BBП系列粉末高温合金，与ЭΠ741HΠ合金相比，BBП系列合金的室温强度、持久强度、低周疲劳性能更高，目前尚未获得规模化应用。

中国粉末高温合金的研究起步相对较晚，开始于20世纪70年代后期。目前，我国已成功研制出第一代高强型和第二代损伤容限型粉末高温合金，正在研制高强损伤容限型第三代粉末高温合金，并对高工作温度、高强度和高损伤容限的新型第四代粉末高温合金开展了补充探索研究。

铁基高温合金：我国高温合金体系的一大特色。

由于我国资源缺镍少钴，铁基高温合金的研制、生产和应用成为六七十年代的一道绚丽的风景线。

铁基高温合金使用温度较低（600~850℃），一般用于发动机中工作温度较低的部位。但铁基高温合金中温力学性能良好，与同类镍基合金相当或更优，加之价格便宜，热加工变形容易。

（三）碳纤维：制造全环节技术壁垒高

碳纤维具有强度高、比模量高（强度为钢铁的10倍，质量仅有铝材的一半）、质量轻、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、耐高低温等优越性能，是军民用重要基础材料，应用于航空航天、体育、汽车、建筑及其结构补强等领域。相比传统金属材料，树脂基碳纤维模量高于钛合金等传统工业材料，强度通过设计可达到高强钢水平、明显高于钛合金，在性能和轻量化两方面优势都非常明显。

在20世纪50年代的「太空竞赛」时代背景下，科学家们迫切地需要一种比强度、比模量高和耐高温的新型材料来打造航天飞行器。

航天飞行器每减少1公斤的重量，就可使运载火箭减轻500公斤负载，而增加的，是航天任务的成功率。

于是，美国赖特-帕特森空军基地 (Wright-Patterson Air Force Base) 以黏胶纤维为原料，成功试制出一种碳纤维复合材料，并将其用作火箭喷管和鼻锥的烧蚀材料。碳纤维不负众望，获得了很好的效果，既能满足耐高温烧蚀的高强度，也能实现航天器轻量化的目的。

经过多年的发展迭代，如今市面上90%以上碳纤维复合材料以PAN基碳纤维为主。

其生产方式主要是采用含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）为原料，将有机纤维与塑料树脂结合在一起炭化，从而制得碳纤维复合材料。但生产过程中对原料、工艺、能源消耗、都有较高的要求，这也是导致碳纤维材料的生产成本居高不下的原因。

2021年12月7日12时13分，谷神星一号（遥二）运载火箭于酒泉卫星发射中心成功发射，顺利将五颗商业卫星精确送入500km太阳同步轨道。其独特的黑色外观壳体由金属材料升级为碳纤维复合材料，火箭全箭头减轻了1310公斤，卫星的承载能力提高了100倍。

然而碳纤维成本也相对较高，虽然目前在航空航天等高精尖领域已部分取代传统材料，但对力学性能要求相对不高的传统行业则更看重经济效益，传统材料依然为主力军。

目前航空航天为碳纤维材料重要应用领域。现代的碳纤维是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维，具有良好的柔软性，且纵轴方向的强度很高，具有超强的抗拉力，属于新一代增强纤维，且碳纤维化学性质稳定，对高温耐受能力强，不易被腐蚀，是大型整体化结构的理想材料。与常规材料相比，碳纤维复合材料可使飞机减重，并有能力克服金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点。我国碳纤维产业链企业主要有中航高科、光威复材、中简科技等，其中中航高科偏下游，主要为航空复材产品；光威复材实现全产业链布局，为碳纤维产业龙头；中简科技布局偏上游，产品技术含量相对更高。

碳纤维技术发展至今已经历三代变迁，同时实现高的拉伸强度和弹性模量是目前碳纤维研制过程中的技术难点。近年来日美从两条不同技术路径在第三代碳纤维上取得技术突破，并有望在未来5-10年内实现工业化生产。东丽利用传统的PAN溶液纺丝技术使得碳纤维强度和弹性模量都得到大幅提升，通过精细控制碳化过程，在纳米尺度上改善碳纤维的微结构，对碳化后纤维中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等进行控制。以当前东丽较为先进的碳纤维制品T1100G为例，T1100G的拉伸强度和弹性模量分别为6.6GPa和324GPa，比T800提高12%以及10%，正进入产业化阶段。美国佐治亚理工学院从原丝制备工艺入手，利用创新的PAN基碳纤维凝胶纺丝技术，通过凝胶把聚合物联结在一起，产生强劲的链内力和微晶取向的定向性，保证在高弹性模量所需的较大微晶尺寸情况下，仍具备高强度，从而将碳纤维拉伸强度提升至5.5～5.8GPa，拉伸弹性模量达354～375GPa。

文章来源： 前沿材料，前沿科技FrontierTec，特铸杂志