随着技术发展，传统的金属材料正在被先进复合材料所代替，复合材料用量已成为新一代民机先进性的重要标志。未来随着国产大飞机行业的技术进步与规模扩张，来自航空航天领域对复合材料加工产品及服务的需求将呈现出高于全球平均水平的增长速度，未来的发展将为复合材料市场带来更强劲的需求动力。

本文将重点阐述新材料在我国航空航天领域的主要应用技术需求和发展现状，介绍晶格、纳米复合材料、多功能材料和结构等研究热点和前沿技术，探讨其应用和发展的趋势，汇总了一些知名企业的概况，为我国航空工程中的新材料应用提供参考。

一、金属材料的主导地位

高温合金、钛合金、高强度钢和铝合金占据了航空工业、 商业等技术材料的 95% 以上，且金属结构材料的质量百分比在各种飞机和发动机中将长期居于首位。预计未来10年左右， 超级合金、钛合金、高强度钢的需求仍将占较大比例。

目前，钛合金是压缩机的主要材料，约占大型商用发动机质量的 25%。例如：RB-211-535E4 高压电子压缩机采用了英国公司生产的 MI829 钛合金；美国几大飞机和发动机制造商正在考虑在飞机和发动机中使用 Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn 钛合金作为复合金属基体。

二、复合材料的优势与主要类型

1.复合材料的优势

（1）可选择性

在复合材料的使用过程中，可根据不同构件预期的使用环境和不同的条件要求等，通过合理选择各种构件的使用材料，满足构件预期使用目的，保证机械、热、声、光、 电、防腐蚀和抗老化等使用性能良好，从而满足大型工程建筑结构设计的实际使用性能。

（2）材料与结构一体化

复合型连接零部件和各种类型材料间的连接结构是同时加工成型的结构，一般不单独加工复合材料部件。这种加工工艺使各种材料连接结构整体性更好，减少了各种材料连接零部件和各种材料结构连接件的数量，缩短了各种材料连接加工成型操作的周期，降低了材料生产成本，提高了材料生产线的可靠性。

（3）复合效应

复合材料性能是由各种不同材料经过不同工艺复合后形成的，不是几种不同材料的简单性能混合，而是按照一种复合工艺效应过程形成的新的物理性能，是其他复合材料不具备的新的复合工艺效应性能。利用复合工艺效应， 复合材料可以有效克服其他单一材料的物理性能缺陷。

2.复合材料的主要类型

航空航天所用的先进新型复合金属材料的主要类型有树脂基金属复合材料、金属树脂基熔融复合材料和氧化碳/硅基碳金属复合材料等，其各种树脂基金属复合材料在现代航空工业技术中的应用最广泛 。

（1）高级树脂基复合材料

先进的复合树脂基新型复合增强材料是以各种高性能复合树脂为主要基体，以各种高性能连续复合纤维为主要材料，通过一定的新型复合材料工艺改造制成的增强复合材料，是一种复合性能明显优于原有复合构件的新型材料。与目前传统的不锈钢和其他铝合金主体结构中的合金材料相比，新型合金材料密度分别约为普通钢的 1/5、普通铝合金的 1/2，且其比强度和比模量都远高于钢。

（2）金属基复合材料

航空航天工业领域广泛使用的复合金属基体的复合材料主要种类是指以氧化铝、镁和钛等轻强度金属为基础基体，以其他高强度第二相合金为基础增强体的金属复合材料。这种复合材料产品具有优异的导电性、导热性、耐压 和耐高温性、横向移动性能、低材料消耗性以及优异的材料可持续加工性。金属基复合材料零件如图 1 所示。

图 1 金属基复合材料零件

三、先进复合材料的应用

1.在大型飞机上的应用

空客 A380 是欧洲空中客车工业公司开发并生产的四轴双引擎 550 座超大型远程支线宽体轻型客机，是目前世界上最大的飞机。其中：25% 的民用飞机机体主要部件由先进的彩色反光复合材料制造工艺设计制成，22% 使用的是彩色反光碳纤维增强塑料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP）。

2.在军用飞机上的应用

先进飞机复合结构材料在军用飞机上的应用已有 30 多年的历史，现在已经从最初的非承重结构部件逐渐发展壮大到包括垂尾、水平翼、安定翼面、方向舵、副翼、前后机身和前后机翼上的蒙皮等二次和主要的非承重结构部件。例如：欧洲的 A400M 飞机属于新型第一代大型军用航空运输机，其复合材料技术和应用已经有了新的技术飞跃。

四、新型复合材料技术

随着新型载人航天航空飞行器不断发展，新型复合材料对高效率、低成本、长使用寿命、高可靠性以及材料和部件结构等整体综合性能要求越来越高。为了充分满足这种复合应用的需求，各种新的新型复合材料应运而生，但是这些新型复合材料的性能并不全面，因此需要在满足提高现有复合材料应用性能的基础上，继续挖掘先进新型复合材料的应用潜力。可以采用超轻复合材料和新型结构复合技术，不断增加复合材料的综合性能，使其满足多功能性的需求。

1.超轻材料和结构

（1）高级网格加固结构

这种结构因其具有高度的自动可视化设计性和优越的潜在应用性而备受关注。20 世纪 90 年代，斯坦福大学的一篇论文中给出了一种以网格纤维材料增强层和 CFRP 为纤维加强层的各向同体异性层网格纤维加强筋结构，提高了网格结构的比应力强度和结构比模量，增强了网格结构的耐腐蚀性，且采用这种自动化结构制造工艺方法可以大大降低制造成本。

（2）点阵复合材料

哈佛大学的埃文斯教授、剑桥大学的阿什比教授以及麻省理工学院的吉布森教授等 10 余人，率先成功提出了三维空间中晶体网格结构（分子结构）的点阵复合材料概念。这类复合材料的高比强度、高比刚度和多功能性越来越受我国材料科学的重视。近年来，轻复合金属纤维泡沫复合材料和新型蜂窝结构的点阵复合材料夹芯板已广泛应用于载人航空和空间航天主体结构，尤其是大型航空主体结构。点阵芯材结构如图 2 所示。

图 2 点阵芯材结构

（3）纳米纤维复合材料

纳米体系材料因其独特的化学性质，在实际应用和科学理论等方面具有很大的科学研究价值，具有广阔的应用发展前景。近年来，它已逐渐成为我国材料科学技术领域的重要研究发展方向，被誉为 21 世纪最具发展前途的化学材料。

2.复合材料的连接方式

航天和化工等行业中，同一台设备会用到多种不同的材料。实现不同材料之间的连接，特别是焊接难以相融的 材料，是设备整体设计中须解决的问题。目前，较为常用的连接方式有铆接、螺接和常规焊接等。

五、我国航空工程新材料的发展建议

中国的先进新型复合金属材料，是为了满足实际国防和民用航空航天的市场需求而逐步发展起来的新型材料。受各应用领域的材料系统功能划分和企业自主创新开发的影响，新型材料仍然存在原材料使用品种和工艺档次多、材料成熟化程度参差不齐、材料性能低或者与同类高水平材料重复以及性价比低等突出问题，且原材料的进口供应链也不能满足国内市场需求。另外，国内先进航空复合材料的产品性能、质量、规格、价格和售后供应服务能力远远不能完全满足国防、航空航天和民用工业领域的实际需求。特别是中国项目加入世贸组织后，在保护自主研发知识产权、创新和不断提高市场竞争力等方面遭受了严峻挑战。

目前，我国正在大力发展支线军用飞机、支线民用飞机和大型商用支线客机等航空设备。这些应用领域的不断发展迫切需要先进的复合材料。虽然经过多年的研究发展，我国的航空复合材料逐渐发展形成了一个技术体系，已经基本满足了航空航天应用型号的相关技术标准要求，但是与发达国家仍然存有一定的技术差距。因此，有必要对金属复合结构材料的一些关键技术领域进行重点基础研究和技术创新， 从而为国防和航天工业的发展建立必要的物质保障。

六、行业数据

根据《2020年全球碳纤维复合材料市场报告》数据显示，2020年全球小丝束碳纤维市场基本是被日本垄断，以日本东丽为代表的三家日本公司就占据了49%的小丝束市场份额。

在大丝束市场，主要的市场份额被美国的Hexcel、德国的SGL以及日本的三菱占据着，中国的大丝束生产企业蓝星也占据着少部分市场份额排在第四的位置。国内上市碳纤维企业情况，目前从研发、营收、产能等综合条件来看的光威复材是碳纤维行业的龙头企业，但是中简科技的研发实力比较强而且是国内第一家做到ZT7系列（90%以上都是供给军用领域）量产的公司。

ZT7系列是目前国内量产性能最高的高价值碳纤维产品，这点也可以从公司的产能看出，100吨（12K）的产线可以销售到约3.89亿元的销售额，毛利率高达80%，加上公司新增的1000吨（12K）的产能，公司的弹性是比较大的。此外在中复神鹰（IPO）和恒神股份（新三板）在国内的也是比较靠前碳纤维企业。其实中国和海外碳纤维企业现在主要的差距是碳纤维是产业化的水平差距较大。

2020年全球的碳纤维需求为10.7万吨，同比仅增加了3%，主要是疫情对民用航空市场需求带来的不利影响，飞机订单大量减少，航空航天领域的碳纤维需求下降了30%，但是风电叶片、压力容器、碳碳复合材料等领域的增势强劲，弥补了航空航天领域负增长，最终实现了2020年的微增长。

根据《2020全球碳纤维复合材料市场报告》的数据，预计2025年就会进入20万吨，2030年会进入40-50万吨，未来10年的年复合增速可达到15%，行业增速较快。

七、五大碳纤维名企

第五名.吉林化纤

总市值：113亿

吉林化纤成立于1996年，前身为始创于1960年的吉林化纤厂。已发展成以化学纤维生产销售为主，集国有资产经营、纺织服装、设计研发、建筑安装、商业贸易等科工贸一体化的大型综合性企业。是中国纤维材料龙头之一。

尤其是在碳纤维领域，公司目前不仅拥有碳纤维原丝年产能1.6万吨，碳丝年产能2000吨，还手握碳纤维原丝及碳丝扩建项目，届时全部建成后原丝总年产能有望达到5万吨，碳纤维原丝产品涵盖主流规格，特别是24K到50K大丝束的开发，有望实现对军工、航空航天、体育休闲、汽车、压力容器、风电等各个领域的全覆盖。

而鉴于今年上半年净利同比上涨150.1%的强劲增长态势，风哥认为吉林化纤有望充分受益于碳纤维国产化机遇。

第四名.中简科技

总市值：205亿

中简科技成立于2008年，专业从事高性能碳纤维及相关产品的研发、生产和销售。不仅是中国少有的自主掌握碳纤维技术的高新技术企业，更是我国高性能碳纤维核心供应商之一。近3年毛利率始终稳定在80%，远远高于行业平均水平。

能取得如此优秀的业绩，中简在技术上的突破功不可没。要知道，碳纤维核心技术，以往主要掌握在美国和日本你手里，这其中，又以日本东丽公司最厉害。但自从中简科技的ZT700诞生开始，中国碳纤维技术终于能和日本分庭抗礼。

而正是凭借过硬的研发能力，中简科技一举成为我国航空航天权威机构的核心供应商，相关设备国产化率高达98%。

而随着公司在上半年提前进行产能布局，风哥觉得，相关定增项目建成后，有利于满足国内高端市场需求，进一步提高中简科技核心竞争力。

第三名.金博股份

总市值：290亿

金博股份成立于2005年，专业从事碳基复合材料及产品的研发、生产和销售。不仅是国内领先的碳基复合材料及产品供应商，更是碳复材热场全球龙头。今年上半年实现净利同比大增177.5%，ROE连续6年高于行业平均水平，赚钱能力强。

辉煌业绩的背后，主要得益于公司凭借先进碳基复合材料的低成本制造核心技术，相继打入隆基、晶科等光伏巨头供应链。从而使得公司的碳碳热场业务，在强大的技术支撑下，近三年净利复合增长高达69%，产品毛利率达到60%，大幅领先全行业。

而随着公司于近期签下25亿元热场碳大订单，风哥认为在碳基复合材料的旺盛需求下，金博股份成长空间有望进一步打开。

第二名.光威复材

总市值：363亿

光威复材成立于1992年，以高端装备设计制造为支撑，目前已形成了碳纤维、织物、树脂以及复合材料制品的完整产业链布局。产品广泛覆盖在航空航天、电子通信以及兵器装备等领域。是国内最大的碳纤维军品供应商，市场份额达到70%，被誉为军品高端制造的独角兽。毛利率连续6年高于行业平均。

要知道，军用碳纤维对于稳定性的要求远高于民用碳纤维产品，而正是凭借公司十余年的技术深耕，使得中国碳纤维技术达到国际先进水平，其中公司自研的T700全球领先。同时，公司今年上半年高强度碳纤维高效制备技术产业化项目相继建成投产。

风哥认为，随着新技术工艺磨合逐渐成熟，叠加我国航空装备建设的提速，光威复材军品业务收入将维持快速增长态势。

第一名.中航高科

总市值：454亿

中航高科成立于2015年，前身为创建于1956年的南通机床厂。主营航空新材料、高端智能装备的研发、生产和制造。尤其在航空复合材料领域具有较强核心竞争力。ROE近三年高于行业平均水平。

而中航高科最吸引风哥的，便是公司在碳纤维赛道的绝对地位。早在2015年，公司在国内航空预浸料市场占有率，就已经接近100%，形成绝对垄断地位。这背后，得益于公司技术积累和渠道资源构建的强大护城河。

一方面，公司背靠大股东航空工业集团，拥有强大的渠道协作优势。其次，中航高科目前拥有国内最全牌号的先进复材树脂，且先后承担多型号军机复合材料原材料和结构件的研制攻关，研发实力强大。

风哥认为，随着航空装备更新换代对碳纤维复材应用渗透率的带动，有望驱动公司业绩持续高增长。

八、结语

新材料是航空工程以及其他相关领域的重要物质基础， 能够提高航空设备和零件的各方面性能，使设备满足使用需求。在今后的发展中，需要不断研究相关材料，加快推动先进技术、先进设备与先进工艺的互相融合，以促进航空航天事业的发展。

来源：前沿材料，格菲研究院，股掌柜风哥