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。

材料作为工业基础，是工业革命的推动力

（一）材料是制造业的基础

新材料是一个高科技产业，它是其他高科技产业的重要基础。在“中国制造2025”背景下，新材料毋庸置疑成为国家重要战略性新兴产业之一。此外，作为处于高科技生态网络中心地位的产业，新材料在新科技革命中成为最核心的一项内容，其他新科技革命内容——包括新一代信息科技、生命科学等多方面——都需要新材料技术作为基础支撑。

“中国制造2025”的目标是将中国从制造大国升级为制造强国。航空产业的发展程度，最能体现和检验一国制造工艺和制造水平。航空航天是一个新材料技术深度参与的产业，它对应的装备就是所谓的高端装备。航空航天产业有两个特点，一是高技术含量，包括传统材料技术、新材料技术、动力技术、新型控制机床技术、新一代的电子技术等；二是高投入，没有足够的投入，我国的航空航天产业难以发展。

（二）新材料引领的我国航空航天方面的成就

新材料对我国的航空航天产业做出了极大贡献，没有新材料的支持，我国航空航天产业难以取得如此巨大的成就。我国第一架飞机在50年代成功研制，而当时，我国工业技术非常落后。1959年，我国成功研制了第一架超声速轰炸 机轰-6，之后我国也成功研制了歼-8，这是一个极具代表性的机型，对我国空军的实力有一个显著的提高。歼-8之后，我国研发出了歼-10和歼-20。

随后是三种民用机型的出现：一是2013年研发出的运-20，二是2017年成功首飞的C-919，三是首款大型水陆两栖的飞机“鲲龙”AG-600，这是应用于海上救援的机型。以上三款飞机被称作叫“航空三剑客”。

航空航天领域的成就均基于新材料的支持。运-20和C-919运用了包括碳纤维复合材料和钛合金等多种新材料。可以预见的是，将来的C-929大飞机将应用更多的新材料，重量可能占整个结构的50%，体积大概占70～80%。两栖飞机本身也是用复合材料结构，因此对整个结构先进性的提高非常明显。

航空航天强国建设使命对材料提出了新的需求

新材料支撑了航空航天的发展，航空航天强国建设的新使命对材料提出了新的需求，以下四个方面的需求最为重要和迫切。

（一）高性能轻质化

航空航天产业发展的许多成就都离不开不同技术、不同产业的支持，材料是其中一个重要基础。从整个航空航天产业的发展来看，它会继续寻求新材料技术的支持，尤其是对材料的轻量化提出了更为苛刻的要求。首当其冲的就是高性能轻质化材料。轻质化可以提高结构效率、提高性能、节能减排和降低全寿命成本。通过轻质化，可以降低结构重量、提高有效载荷、减少飞机油耗和其他能耗。

轻量化的实现有三个渠道。第一个渠道是设计，设计是非常重要的基础环节。第二个渠道是制造。第三个渠道是材料，新材料是最重要的环节。要实现轻量化的理念，就需要从形状和结构、材料的选择、结构的优化等着手，对这些问题进行通盘考虑。轻量化本身就能够提高结构的效率，轻量化结构本身的重量很低，从而能够实现提高携带和载荷的目的。设计是实现轻质化的关键，这就要求应用好的新材料，并综合考虑所有轻量化设计策略以实现有效的轻量化设计，通过以数字化、网络化、智能化为代表的先进技术来实现轻质化。

高比性能的新材料是轻质化的基础，其中高强钢、铝、镁、钛合金和纤维增强复合材料（CFRP）是当前研发和应用的重点。以碳纤维作为增强相为代表的复合材料是颠覆性的技术。

复合材料中最具代表性的就是以碳纤维作为增强相的碳纤维复合材料。复合材料有两相，一个碳纤维增强相，二是有机体。最重要的一种有机体叫做树脂有机材料（通称为塑料）。过去有机材料不能用于飞机，但现在通过碳纤维增强就可以应用于飞机，而且这种飞机的整体性能非常好。

1、碳纤维

碳纤维是60年代出现的颠覆性技术，碳纤维增强使得塑料可以用作飞机材料和装备材料，这改变了材料应用的格局。碳纤维复合材料有很多优点，其中最重要的就是可以实现大幅度的减重。比如建筑领域，采用碳纤维复合材料能够减重20~30%。在航空航天领域，减重后的结构可以显著提升飞行器的飞行性能，在同样的能耗情况下增大航程或者降低油耗。先进复合材料的优势还包括可设计性强、结构和功能一体化、可增加有效载荷、提升飞行器功能、增大航程、降低油耗等。通过结构整体优化、翼身融合、整体成型减少零件数，可以提高安全性，降低全寿命成本，耐疲劳、抗腐蚀，部件寿命显著延长。

碳纤维复合材料能够实现结构功能一体化的目的。比如，飞船在进入大气层的时候速度特别快，所以表面温度就会很高。如果用铝合金材料，在300℃左右就会融化。所以就得用一些耐高温特殊材料，耐高温就是碳纤维复合材料的一个优点。另外，从优化整体结构的角度上看，碳纤维复合材料在工艺上可以实现整体成型，这能够极大减少整个结构的零件数量。而零件数量的减少，也会增加结构的安全性。

2、芳纶纤维

相较于碳纤维而言，我们日常更常见的一种轻质材料，其实是芳纶纤维。只不过应用芳纶纤维的编织外观，和碳纤维的编织纹路非常相像，所以经常会有人把它们俩弄混。

芳纶纤维位列世界三大高科技纤维（碳纤维、芳纶纤维、高强高模聚乙烯纤维），其强度是优质钢材的5-6倍，模量是钢材或者玻璃纤维的2-3倍，韧性是钢材的2倍，但重量仅为钢材的1/5。它具有强度高、韧性好、重量轻、耐高温、抗低温、抗腐蚀、耐磨等优秀特性，因此也被称之为「全能纤维」。

阿波罗登月的太空服一共有21层面料，杜邦公司的芳纶纤维产品Kevlar凯芙拉就被运用于航天服的限制层，为航天服提供了高强度和灵活性的功能。具有耐磨损、耐腐蚀和阻燃性的芳纶纤维，逐渐也成为了诸如防弹背心、航空航天飞机、机电、建筑、高端汽车、体育用品等产品的主要制作材料之一。

（二）极端服役环境

极端服役也是目前研究领域很重要的一个热点。极端环境包括高温、低温、高压、低压和高辐射等。

例如，航天器以每秒700公里的速度载入大气层，在大气摩擦作用下航天器表面温度可高达几百度，如果飞行速度达到声速的三倍以上，航天器和大气摩擦所产生的温度可能会达到300℃，当飞机的主要材料使用铝合金时，高温会使结构就会发生形变，而在进入太空环境后，航天器暴露在太空宇宙辐射，甚至核辐射的极端环境下，表面温度可低至-200℃。这就需要能够承受此类极端服役环境的新材料来覆盖航天器体表。又如，目前的超高声速飞行遇到的主要问题是热量带来的，桑格尔弹道最重要的制约因素来源于热，特殊环境或特殊要求超出现有材料体系的可承受的极限，未来的飞行器可能面临上千度甚至几千度的问题，这对耐高温材料的要求就会很苛刻，这就需要创造新材料和相应的结构体系。

我们对极端环境下的破坏或导致破坏的要素、材料与极端环境的耦合作用等问题还缺乏充分的认知，这给建立分析模型和评价方法带来了较大的困难，同时也使得飞行器研发与设计过程中涉及的新概念、新方法和新技术受限于新材料与结构技术的突破。这些都迫切需求人们去创造新材料和结构体系。

（三）创新与新材料

材料创新的几个方向包括材料的低维化、仿生材料和超材料。低维化是指材料正从“微米时代”跨向“纳米时代”，材料的设计与微结构控制已经深入到纳米尺度，这能够大幅提升材料的性能和功能。

1、石墨烯单晶，目前采用CVD法可制备出最大尺寸６英寸石墨烯单晶，这将成为未来制作高性能电子器件和光电子器件的变革性材料，有望取代硅材料成为下一代半导体材料。在玻璃表面采用CVD法可生长出透明导电石墨烯薄膜，可以应用于智能窗、触摸屏、透明加热器和传感器等场景。

2、创新方向就是仿生材料。人工合成珍珠是仿生材料的典型例子。自然界的东西往往都是最优的、最美的，它们拥有得到优化的组分和层级结构，因此研发材料要模仿自然界。仿生材料源于自然，从自然界中具有优化组分和层级结构的生物中得到启发，通过一些创新的办法来做出最优的材料。

3、超材料。所谓超材料是指在学习自然的前提下超越自然，做出自然界还不存在的材料来，这是很重要的一个趋势。超材料的特征在于其表面微结构，通过特殊的微结构达到散热、反射电磁波或者光波的作用。超材料将来在国防上有广泛应用前景。超材料的一个例子是光子晶体材料，通过对物理效应、材料微纳结构的设计、调控与干预，从而得到具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合材料或结构，实现对声、光、电、磁、热的主动调控。

4、颠覆性，超轻碳基微烧蚀耐热材料

近期，我国在新型材料上取得了重大突破，材料的成果或将为登月计划取得突破，更是会彻底颠覆载人航天领域。而这种材料不是旁的，正是超轻碳基微烧蚀耐热材料！

这种材料在技术上已然成熟，可用于载人航天领域的它除了硬度、韧性、轻度达到了航天领域的标准外，还能够承受两千多度的高温腐蚀，同时也能适应其他的恶劣环境，例如防水、防盐、防酸、防辐射、防拉伸等等，尤其是后者，据官方表示该材料更是能够抵抗住第二宇宙速度的拉扯，足以保证飞船的发射、运输、返回等等一系列流程。

还不单是嘴上说，国家已经对该材料进行了实地测试，例如在嫦娥五号飞船的建造过程中，科研人员便大胆的将其安装在了飞船的底部，极大的减轻了飞船的重量不说，在返程途中更是超额完成了测试任务，承受住了超过3000度的高温侵袭。

新材料的未来发展希望

新材料的发展没有最好，只有更好。创新是永恒的，新材料的发展需要永恒的创新，需要缩短新材料研制与应用周期来迎接新的科技革命。新材料的创新可以采用渐进式创新的模式来逐渐完善和改革，或者采用颠覆性创新的模式，带来新的革命。我们应该突破材料科学、技术和工程之间的结合部，跨越技术创新死亡之谷，缩短新材料研制与应用周期，从而抓住机遇，应对挑战，迎接新的科技革命。

文章来源： 国泰君安产业观察，一堂历史，无双荷叶We