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航空航天領域用化工新材料發展趨勢研究

詹宇鵬 王鵬 齊景麗

航空航天工業作為戰略性新興產業，是國家綜合競爭力的核心體現，對國民經濟發展和工業技術創新具有顯著的帶動效應。化工新材料作為現代高新技術和產業發展的基石與引領力量，其發展水平直接決定航空航天裝備的迭代升級。“一代材料，一代航空航天器”的演進規律表明，化工新材料作為航空航天裝備的核心物質基礎和性能決定因素，已成為影響裝備性能、安全性和成本控制的關鍵要素。

本文聚焦航空航天領域化工新材料發展，系統分析其發展必要性、技術與應用現狀，重點梳理彈性體功能材料、纖維及復合材料、特種工程塑料、特種工程樹脂等關鍵品類的技術特征與應用場景，揭示當前我國該領域存在的核心材料依賴進口、產品質量穩定性不足、產業鏈協同低效、標準與驗證平臺缺失等問題。基于此，本文從強化核心技術攻關、優化產業鏈協同、完善標準體系、構建創新生態四個維度提出發展建議。通過系統推進這些建設性舉措，旨在實現航空航天用化工新材料的自主可控、安全高效發展，以期為國防現代化建設提供堅實的材料保障。

一、推進航空航天用化工新材料發展的戰略必要性

（一）政策驅動為產業發展提供戰略指引

黨的二十大報告明確提出“加快建設航天強國”的戰略目標，充分肯定我國在載人航天、探月工程、火星探測、北斗衛星導航系統等領域的突破性進展，高度評價國產大飛機C919等標志性成果。《中國制造2025》將航空航天裝備列為十大重點發展領域之一，明確指出“新材料是產業升級的基礎支撐”，要求突破航空航天用高端化工新材料產業化瓶頸。在“雙碳”戰略引領下，國家正聚焦航空航天產業鏈關鍵環節，著力推進高端“卡脖子”化工新材料國產化替代，為產業高質量發展構建清晰的戰略路徑。

（二）產業特征決定化工新材料核心地位

航空航天裝備需在超高溫、超低溫、高真空、強腐蝕等極端環境下長期穩定工作，對材料提出“輕質高強、耐高低溫、抗疲勞、長壽命”的嚴苛要求。以商用大飛機為例，一架C919由300萬~500萬個零部件構成，其中化工新材料重量約占飛機總重量15%，其輕量化程度直接影響整機燃油效率與航程。航天領域材料性能對裝備效能影響更為顯著，固體火箭發動機殼體采用碳纖維復合材料后，重量較傳統金屬材料降低約30%，發動機推重比（推進劑質量/發動機總質量）提升至0.93以上，凸顯化工新材料對航空航天裝備性能的決定性作用。

（三）市場需求為產業發展注入強勁動力

全球航空航天產業的蓬勃發展正催生化工新材料領域的強勁需求，產業鏈上下游協同效應持續顯現。據空中客車發布的《2023至2042年全球航空服務市場預測報告》顯示，未來20年，中國航空客運量年均增長率將達到5.2%，是全球平均水平的近兩倍，中國新飛機需求量將超過9000架。這將帶動航空用化工新材料需求年均增長8%以上。在商業航天領域，我國市場規模已從2015年的不足500億元躍升至2024年的2萬億元，年均復合增長率超過20%。隨著商用衛星組網、可回收火箭等新業態的規模化發展，對低成本、高品質的化工新材料的需求將呈持續增長態勢。

（四）材料升級是突破產業瓶頸關鍵路徑

我國航空航天工業雖取得顯著成就（如航天發射次數連續多年全球領先、C919實現商業交付），但航空航天領域用材仍呈現“多品種、小批量、高品質”的特點，導致部分關鍵化工新材料仍依賴進口：高性能碳纖維（T1000級）、對位芳綸等產品進口依存度超50%，嚴重制約了航空航天裝備的自主化進程。例如，導彈用T1000級碳纖維長期依賴日本東麗、美國赫氏等企業；商用大飛機C919的發動機渦輪部件（陶瓷基復合材料）、雷達罩用高端玻璃纖維仍需進口。同時，商用航天、深空探測等新場景對材料提出“低成本、多功能、環境相容”等新需求，亟需通過材料技術升級實現從“能用”到“好用”的跨越。

圖1 商用大飛機用化工新材料示意圖

二、航空航天用化工新材料的技術發展現狀

航空航天領域用化工新材料已基本形成“功能導向、品類細分”的產品體系，重點覆蓋彈性體材料、纖維及復合材料、特種工程塑料、特種合成樹脂、特種膠黏劑、特種涂層等六大領域，各品類在裝備中承擔核心功能，其技術水平直接裝備性能等級相匹配。

（一）纖維復合材料助力裝備輕量化

纖維及復合材料通過“高性能纖維增強+樹脂基體復合”的結構，實現“低密度+高比強度+高比模量”的性能組合，是航空航天材料結構輕量化的“主力軍”，其應用比例已成為衡量裝備技術先進性的重要指標。

1.碳纖維及復合材料。碳纖維比強度7~10倍于鋼材料，比模量3倍于鋁合金材料，在機身、機翼、發動機殼體等部位有著廣泛應用。根據纖維絲束數量與力學性能，碳纖維可分為不同品類，具體分類如下表所示：

表1 碳纖維分類情況表

數據來源：作者整理。

在航空領域，碳纖維復合材料的應用比例持續提升，C919機身結構中碳纖維復合材料占比約12%，C929遠程寬體客機占比達50%以上。

表2 航空領域碳纖維應用情況表

數據來源：作者整理。

在航天領域，碳纖維復合材料已成為固體火箭發動機殼體的首選材料，美國“三叉戟”（D5）導彈一級發動機殼體采用碳/環氧復合材料，綜合性能較芳綸復合材料提升30%；我國部分型號導彈三級發動機殼體采用國產T800級碳纖維復合材料，減重超過30%，有效支撐射程提升。目前，我國已實現T300級、T700級及T800級碳纖維量產，但T1000及以上品級產品仍需突破產業化瓶頸，2024年航空航天領域碳纖維消費量僅占全球總消費量的約3%，高端應用領域依然依賴進口。

2.芳綸纖維。芳綸纖維分為對位芳綸（芳綸1414）與間位芳綸（芳綸1313），二者性能與應用場景有顯著差異。對位芳綸的分子鏈呈直線狀，強度是鋼絲的5~6倍（拉伸強度≥3.6GPa），密度僅為鋼絲的1/5，主要用于防彈裝甲、導彈發動機殼體、光纜增強。全球對位芳綸產能集中于美國杜邦（Kevlar系列，全球市場占比38.8%）、日本帝人（Twaron系列），我國泰和新材、中芳特纖等企業已實現千噸級量產，但高性能品種仍需進口。

間位芳綸的分子鏈呈鋸齒狀，耐溫性優異（長期使用溫度-196℃~200℃），阻燃性強（極限氧指數＞28%），主要用于航空航天用蜂窩芯材、發動機隔熱層、電氣絕緣。我國間位芳綸目前已實現國產化，C919客機艙門、客貨艙地板采用酚醛樹脂浸漬的間位芳綸紙蜂窩芯材，單架飛機可減重30公斤以上。

3.玻璃纖維復合材料。玻璃纖維復合材料的力學性能雖低于碳纖維復合材料，但其具有低介電常數（ε=4.5~6.0）、成本相對可控（價格僅為碳纖維的1/5）、透波性能優異等特點，目前主要應用在飛機雷達罩、襟翼、副翼等受力較小且需透波的部位。例如，C919客機雷達罩采用玻璃纖維/環氧樹脂復合材料，可實現X波段雷達波透波率＞90%；我國預警機雷達罩采用高硅氧玻璃纖維/酚醛復合材料，耐溫性達600℃以上，滿足在高超音速條件下飛行需求。

4.陶瓷基復合材料。陶瓷基復合材料（CMC）以碳化硅（SiC）、氧化鋁（Al?O?）等陶瓷為基體，以碳纖維或陶瓷纖維為增強體，兼具耐高溫（長期使用溫度1200℃~1600℃）、低密度（2.0~3.0g/cm3）、耐腐蝕等特性，是航空發動機熱端部件（渦輪葉片、燃燒室）的理想材料。目前，美國通用電氣（GE）已將SiC纖維增強復合材料用于LEAP發動機渦輪外環，我國C919客機發動機即采用該材料，減重效果達20%。

（二）特種工程塑料可應對極端環境

特種工程塑料具備“耐高溫、耐腐蝕、尺寸穩定、輕量化”等特性，可替代金屬材料用于結構件與功能部件，有效降低裝備重量并提升可靠性。航空航天領域常用特種工程塑料的性能與應用如表所示：

表3 特種工程塑料應用情況表

數據來源：作者整理。

1.聚酰亞胺（PI）。PI是目前耐溫性最好的工程塑料之一，耐溫范圍-269℃~400℃，用于發動機隔熱層、電氣絕緣部件，在航空航天領域應用廣泛。“神舟”飛船返回艙隔熱層采用PI泡沫材料，密度僅0.1g/cm3，熱導率＜0.03W/(m·K)；C919客機機艙內部采用PI纖維制作椅罩、門簾，單架飛機減重30公斤以上；衛星太陽能電池基板采用PI薄膜，耐輻射劑量達10?Gy，有效提升衛星在軌壽命。

2.聚苯硫醚（PPS）。PPS是我國國產化程度最高的特種工程塑料，自給率達到80%以上，其玻璃纖維增強品種熱變形溫度達260℃，可在200℃以下長期使用。美國波音公司用玻璃纖維增強PPS制造AIWS巡航導彈殼體，減重25%；我國慣性導航系統殼體采用短切碳纖維增強PPS，替代原鋁合金殼體，減重30%，同時提升減振性能。我國浙江新和成、重慶聚獅等企業已實現PPS量產，但高端纖維級PPS樹脂仍需進口，產品性能離散性較大，可靠性需進一步提升。

3.聚醚醚酮（PEEK）。PEEK兼具耐高溫與可加工性，是航空航天領域替代金屬的關鍵材料。美國洛克希德?馬丁公司將碳纖維增強PEEK復合材料用于F-35戰斗機尾翼，減重20%。

（三）橡膠彈性體保障密封阻尼可靠

彈性體材料承擔“密封、阻尼、耐燒蝕、導熱”等核心功能，需在極端溫度、介質與振動環境下穩定工作，主要包括密封材料、阻尼材料、導熱橡膠、耐燒蝕橡膠四大類。

1.密封材料。密封材料是航空航天裝備防泄漏關鍵，需適配液壓油、推進劑（四氧化二氮、偏二甲肼）、液氫/液氧等介質。以硅橡膠為例，其空間級品種（6701~6710系列）可耐受空間高真空（10??Pa）、強輻射（10?Gy）與高低溫交變（-150℃~200℃），已應用于“天宮”空間站對接機構密封，不同密封材料應用場景如下表所示：

表4 密封材料應用情況表

數據來源：作者整理。

2.阻尼材料。阻尼材料用于降低裝備振動（航天產品振動頻率范圍0~2000Hz），避免零部件因振動失效。丁基橡膠、硅橡膠用于降低裝備振動（振動頻率0~2000Hz），我國ZN-33硅橡膠阻尼材料在-50℃~150℃范圍內阻尼系數β≥0.3，已應用于運載火箭等航天裝備，但寬溫寬頻高阻尼材料仍需持續優化改進。主要品種與性能如下表所示：

表5 阻尼材料應用情況表

數據來源：作者整理。

3.耐燒蝕橡膠。耐燒蝕橡膠主要用于航天器返回艙、火箭噴管等部位，通過“融化-蒸發”過程帶走熱量，實現熱防護。我國“神舟”系列飛船返回艙采用硅橡膠基耐燒蝕材料，由硅橡膠基體與酚醛空心微球、玻璃纖維填料復合而成，實現1100℃以上高溫的熱防護。

（四）特種合成樹脂是復材性能基礎

特種合成樹脂是纖維復合材料的基體，其性能直接決定復合材料的耐溫性、力學性能與工藝性，航空航天領域常用特種合成樹脂的性能與應用如下表所示：

表6 合成樹脂性能與應用情況表

數據來源：作者整理。

1.聚酰亞胺樹脂是目前耐溫性最好的樹脂基體之一。目前應用較廣泛的是第二代（PMR-Ⅱ-50、KH-307）材料，其長期使用溫度為370℃，主要用于火箭發動機部件；目標材料是第三代，長期使用溫度達到426℃以上，正處于研發階段，用于深空探測探測器。

2.聚芳基乙炔（PAA）是最具潛力的高溫燒蝕樹脂，理論成炭率達90%，吸水率僅0.1%~0.2%，400℃下層間拉伸強度1.4MPa，是碳/酚醛材料的4.7倍。

（五）膠黏劑與涂層是裝備關鍵環節

1.特種膠黏劑在航空航天領域承擔結構粘接、密封防護、耐極端溫度等關鍵功能，需在嚴苛環境下保持性能穩定。典型應用包括：（1）環氧結構膠：用于機身主結構粘接，具有優異的機械性能和環境適應性；（2）聚酰亞胺高溫膠：專為高溫部件設計，可在 230℃環境下保持剪切強度＞13MPa；（3）超低溫膠黏劑（NHJ-44）：專為液氫貯箱開發，-253℃極端低溫條件下剪切強度＞20MPa。

表7 特種膠黏劑性能與應用情況表

數據來源：作者整理。

2.特種涂層在裝備表面防護、熱控和隱身等方面具有重要作用，主要包括環境防護涂層、防熱涂層、熱控涂層及隱身涂層。其中：（1）環境防護涂層（TL-19系列）采用四防復合體系（防鹽霧/防濕熱/防霉菌/防靜電），通過體積電阻率≤1×10?Ω·cm的導靜電設計，成功應用于艦載導彈殼體防護；（2）防熱體系包含：1）有機硅基防熱涂層（密度≤0.9g/cm3，熱導率0.16W/m·K）專用于火箭噴管熱防護；2）環氧基耐沖刷涂層（剪切強度≥5MPa），用于導彈彈體前緣極端工況；（3）熱控涂層（ACR-1系列）為白色防靜電熱控涂層，通過太陽吸收率αs≤0.25與發射率ε=0.86~0.90的精確調控，實現衛星天線10年以上在軌熱控穩定性；（4）隱身技術體系包括：1）鐵氧體基雷達隱身涂層（吸波頻段8~18GHz，反射衰減≥20dB），滿足新一代戰斗機雷達散射截面控制需求；2）羰基鐵基紅外隱身涂層（發射率≤0.3），有效降低導彈彈體紅外特征信號。

三、航空航天用化工新材料發展面臨的主要問題

目前，我國航空航天領域化工新材料研發已取得階段性成果，但在自主可控能力、性能穩定性與可靠性、產業鏈上下游協同等方面仍面臨諸多挑戰，制約產業高質量發展進程。主要問題如下：

（一）核心產品國產化率低，性能存在差距

一是部分高端材料依賴進口。T1000及以上級碳纖維、對位芳綸等“卡脖子”產品進口依存度超50%，例如導彈用T1000級碳纖維仍需從日本東麗、美國赫氏等國外企業進口。

二是產品質量穩定性不足。國產碳纖維批次間強度波動大，部分高端應用需“挑著用”；特種工程塑料（如PEEK等）的耐高溫性能、抗疲勞性較國際先進水平低10%以上，無法滿足裝備長周期使用的需求。

（二）產業鏈協同低效，創新轉化滯后

一是產學研用銜接不足。高校、科研院所的基礎研究與企業工程化需求脫節，例如碳纖維預浸料工藝研發與飛機結構設計缺乏聯合開發，導致成果轉化率不足30%，產業轉化周期長，平均周期為日本、歐洲等發達國家的2倍以上。

二是上下游供給不協調。原料生產端（如聚酰亞胺單體二酐、碳纖維原絲油劑）依賴進口，產品端普通品種同質化競爭（如T300級碳纖維產能過剩），高端品種供給不足，形成“低端飽和、高端短缺”的結構性過剩格局。

（三）標準體系不統一，驗證平臺缺失

一是標準碎片化。國家部委及相關企業對材料測試標準不統一，生產及應用單位需重復檢測，大幅增加研發成本，配套供應效率低下。

二是驗證平臺不足。航空航天用新材料適航檢測、極端環境模擬平臺稀缺，例如eVTOL用復合材料驗證周期長達18個月（美國僅9個月），中試平臺在復合改性、跨學科集成方面支撐能力薄弱，制約技術迭代速度。

四、推動航空航天用化工新材料高質量發展的建議

錨定“自主可控、安全高效”戰略目標，聚焦關鍵核心領域短板產品，通過技術攻關突破、產業鏈協同創新、標準體系構建、創新生態培育等多維協同發力，系統推進產業基礎高級化和產業鏈現代化升級。

（一）強化核心技術攻關，提升自主可控能力

一是聚焦“卡脖子”產品突破。重點推進T1000級碳纖維、對位芳綸、聚酰亞胺樹脂等產品的工程化和規模化，突破原絲制備、碳化工藝、復合改性等關鍵技術，爭取2030年前實現高端碳纖維國產化率超70%。

二是布局前沿材料技術。研發耐高溫（500℃以上）聚芳醚酮、多功能一體化復合材料、超低介電透波材料，滿足商用航天、深空探測等新應用場景需求。

（二）優化產業鏈協同，提升創新轉化效率

一是構建產學研用聯合體。由龍頭企業牽頭，聯合高校、科研院所、下游裝備企業組建創新平臺，開展“定制化研發”，將成果轉化周期縮短至12個月以內。

二是推動產業鏈垂直整合。支持材料企業向上游延伸（如配套碳纖維原絲生產）、向下游拓展（如復合材料構件制造），形成“原料—材料—部件—裝備”協同體系，降低中間成本，提升產品穩定性。

（三）完善標準與平臺，支撐產業規范化發展

一是統一行業標準。由國家相關部委聯合制定《航空航天用化工新材料通用技術規范》，統一性能測試、質量評價、適航認證標準，建立“一次檢測、多端認可”機制，降低企業合規成本。

二是建設公共服務平臺。布局國家航空航天材料大數據中心（整合成分-工藝-性能數據）、極端環境模擬驗證平臺（超高溫、深低溫、高輻射），為企業提供中試、檢測、認證全流程服務，縮短技術迭代周期。

（四）構建創新生態環境，激發產業發展活力

一是強化政策支持。延續新材料首批次保險補償機制，對航空航天用高端材料給予研發補貼，鼓勵企業參與國家重大工程（如C929、探月工程）的材料驗證。

二是培育復合型人才。在高校開設“航空航天材料”特色專業，推行“雙導師制”（高校教授+企業導師），培養既懂材料科學又熟悉裝備應用的人才；建立行業人才流動機制，促進技術人員跨領域交流。

五、結語

航空航天用化工新材料是建設航天強國的戰略支撐，其發展水平直接關系國家戰略安全和產業核心競爭力。當前，我國已具備堅實的產業基礎與政策優勢，需以核心技術攻關為突破口，以產業鏈協同為紐帶，以標準平臺為支撐，以創新生態為保障，推動化工新材料實現從“跟跑”到“并跑”再到“領跑”的跨越式發展。隨著碳纖維、芳綸、聚酰亞胺等關鍵材料的工程化突破，我國將構建自主可控、安全高效的航空航天用材產業體系，為國產大飛機規模化運營和商用航天產業化發展提供堅實支撐，全面增強我國在全球航空航天領域的戰略主動權和產業話語權。

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