科学院院士曹春晓：加强自主创新 实现材料强国
“制造2025” 是推动制造业从大国向强国转变的步，它的提出不仅使人们聚焦于智能化的加工生产，同时也引起了人们对新材料的高度关注与迫切需求。材料作为航空工业实现先进制造的物质基础，在我国航空工业发展中地位不言而喻。先进飞机和发动机的设计，必须依靠先进的航空材料和精湛的制造技术方能实现，面对钛合金、复合材料等航空新材料的发展不断壮大、需求不断攀升，本报记者专访了科学院院士、中航工业航材院研究员曹春晓，就我国航空材料的进一步发展提出了专业见解。
《航空报》：随着航空制造技术的快速发展，我国对航空材料的创新发展也提升到了一个新的高度。当前，我国航空材料的发展水平如何？
曹春晓：的航空材料研究经过多年的发展，应当具备足够的自信。这些年来，为了适应航空发展的需求，我们确确实实做出了许多成绩。我国自主研发的TC21高强度钛合金、石墨烯及其烯合金、复合材料离位增韧技术等在航空材料研究领域已经达到了国际先进水平。当然，从总体上看，我们还在向材料强国迈进的道路上。目前上已在使用的合金，我国基本上都具备研发出来的能力，而且还拥有一些具有自主知识产权的工艺技术。近十年来，我国的钛合金产业发展较快，钛材产量已列居位，整体钛合金发展水平也居于美、俄之后的第三位，然而目前国内的钛合金材料研究原始创新依然不足，要在钛业大国的基础上，迈进钛业强国，需要提升自主创新能力，增强原始创新能力，研发一些具有自主知识产权的可以在国际上叫得响的航空材料。
《航空报》：从近年来钛合金、复合材料的大规模应用趋势，我们不难看出，随着航空工业的进一步发展，对航空材料的需求也在产生了相应的变化，其主要需求有哪些？在军用和民用两方面表现出哪些需求特点？应用情况如何？
曹春晓：随着飞机、发动机的一代又一代发展，对航空产品结构重量系数、推重比等提出了更高的要求，这也带来了对更先进材料的需求不断攀升。出于对材料高比强度等高性能的要求，复合材料和钛合金等先进材料获得了航空界的高度关注。20世纪80年代，复合材料在飞机上的用量还很少，波音777客机的复合材料用量只有10%，钛合金用量才8%；如今，波音787客机复合材料占比已经达到了50%，钛合金达到了15%，在民用飞机领域打破了历史高纪录，跨度之大超乎想象。
提升飞机性能的关键之一就是要减轻飞机的结构重量，对结构轻量化等方面有增无减的刚性需求，使航空应用领域越来越离不开钛。如今，广义的钛合金包括了传统钛合金、钛铝金属键化合物和钛基复合材料，传统钛合金独领风骚的时代正在向“三钛争艳”的盛景逐渐过渡，这意味着钛合金在飞机和航空发动机上的应用范围将进一步扩大，从而促进结构重量的进一步目前减轻和燃油消耗的进一步降低。
民用方面，随着大飞机等项目的开展，对材料安全性、经济性、舒适性、环保性的要求进一步得到提高，新材料的用量不断加大。以钛合金为例，自50年代至今，钛合金的用量不断攀升，除波音787的高纪录以外，空客A350WB也达到了14%，据悉俄罗斯正在研制的MS-21预计钛合金用量将达到25%。同样，复合材料在新世纪也得到了飞速发展，波音787复合材料用量占到了50%，空客A350WB改进以后达到了53%。国内复合材料的用量也在不断攀升，ARJ21的方向舵、C919的升降舵都是用复合材料制成的。
军用方面，材料更多服务于飞机战斗性能的要求。以抗实弹射击能力为例，由于钛合金的抗实弹射击能力显著优于复合材料等原因，据称美国F-22战斗机将复合材料的用量由初的44.7%减至24%，并将钛合金的用量提高至41%，其中用了54个钛合金铸件，其用量已达飞机总重量的7%。此外，另一具有断裂韧性高、疲劳裂纹扩展速率慢等特点的新品种合金——高损伤容限钛合金的出现，也是钛合金在军用飞机上的用量越来越多的重要原因。
《航空报》：航空材料除了要求其高性能、低成本、高效率以外，近年来我们更加关注其低污染、减少消耗、循环利用等方面的环保性，请您谈谈目前我国绿色材料技术的发展情况？
曹春晓：近20年来，国内外对环保材料的呼声越来越高，航空界在继续重视飞机及发动机安全性能的同时，更加关注节省资源、降低成本、保护环境等问题。钛合金由于比强度、耐腐蚀性高于钢和铝合金，使用温度高于复合材料和铝合金，因而受到了绿色航空的欢迎。例如，波音公司为解决787飞机结构重量超重的问题，以达到减重2500千克的目标，再投入3亿美元经费，研究某些部位用钛合金取代铝合金以解决超重问题，终达到钛合金用量占15%，复合材料用量占50%，成功减轻了结构重量，仅凭借飞机结构的轻量化，就降低了8%的耗油量，再加上飞机空气动力学设计与发动机效率的改进，终波音公司兑现了降低油耗20%的承诺。这一方面降低了飞机全寿命使用成本，另一方面又减少了因烧油产生的污染排放，一举两得，波音787的订单量也随之极大提高。
此外，在材料的循环利用方面，国外对钛合金、高温合金的回收、循环利用已经较为成熟，而国内这方面的工作急需进行改进与提高。我国生产的钛合金价格之所以高于国外进口，很大程度是由于国外钛合金回收利用率很高，而我国钛合金的回收利用率很低。根据这个情况，中航工业主动采取了相应的措施，于2007年成立中航上大金属再生科技有限公司，专门对钛合金等昂贵金属进行循环利用，目前已经成功研发了十几个牌号的再生高温合金和高强钢，并已投入小批量销售。
《航空报》：站在材料界发展的角度，您如何理解“制造2025”概念的提出？要实现这一宏伟目标，我国在航空材料创新方面应当如何发展？
曹春晓：在“制造2025”的概念里所涵盖的应当是整个制造过程的重要环节，包括设计、材料、加工等多个环节紧密结合所产生的效果。制造工艺与材料是密不可分的，因此在“制造2025”的概念里，对材料的关注应当摆在重要的位置上。现如今，随着飞机及发动机性能的不断提升，材料难度要求也在不断加大。现代先进航空发动机性能、可靠性和推重比的提高，其材料和制造技术的贡献率约占50%~60%。我们讲“长空铸剑，材料当先”，关键技术研究先行，材料的创新更要先行，特别是要加强新材料的工程应用研究和试验验证。
所谓材料创新不单指成分的创新，实际上材料创新的过程离不开工艺，要多在工艺创新上想办法、下功夫。在我看来，工艺创新可以起到多快好省、事半功倍的效果。例如TC11钛合金通过工艺创新，使得材料在强度不变的基础上，显著提高了韧性，这往往是靠成分调整无法做到的。
目前，我国在材料创新方面的瓶颈主要存在于工艺创新方面，工艺能力欠缺容易导致材料性能、合格率、批生产稳定性等各方面上不去。我国制造业的自动化、数字化、智能化水平较国外存在一定差距，人工操作的不稳定性，是影响产品合格率的重要因素之一。因此，减少人为因素的影响，避免各种因素造成的产品质量的波动，提升智能化加工水平，是我们赶超国际先进水平的必经之路。
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《航空报》：随着航空制造技术的快速发展，我国对航空材料的创新发展也提升到了一个新的高度。当前，我国航空材料的发展水平如何？
曹春晓：的航空材料研究经过多年的发展，应当具备足够的自信。这些年来，为了适应航空发展的需求，我们确确实实做出了许多成绩。我国自主研发的TC21高强度钛合金、石墨烯及其烯合金、复合材料离位增韧技术等在航空材料研究领域已经达到了国际先进水平。当然，从总体上看，我们还在向材料强国迈进的道路上。目前上已在使用的合金，我国基本上都具备研发出来的能力，而且还拥有一些具有自主知识产权的工艺技术。近十年来，我国的钛合金产业发展较快，钛材产量已列居位，整体钛合金发展水平也居于美、俄之后的第三位，然而目前国内的钛合金材料研究原始创新依然不足，要在钛业大国的基础上，迈进钛业强国，需要提升自主创新能力，增强原始创新能力，研发一些具有自主知识产权的可以在国际上叫得响的航空材料。
《航空报》：从近年来钛合金、复合材料的大规模应用趋势，我们不难看出，随着航空工业的进一步发展，对航空材料的需求也在产生了相应的变化，其主要需求有哪些？在军用和民用两方面表现出哪些需求特点？应用情况如何？
曹春晓：随着飞机、发动机的一代又一代发展，对航空产品结构重量系数、推重比等提出了更高的要求，这也带来了对更先进材料的需求不断攀升。出于对材料高比强度等高性能的要求，复合材料和钛合金等先进材料获得了航空界的高度关注。20世纪80年代，复合材料在飞机上的用量还很少，波音777客机的复合材料用量只有10%，钛合金用量才8%；如今，波音787客机复合材料占比已经达到了50%，钛合金达到了15%，在民用飞机领域打破了历史高纪录，跨度之大超乎想象。
提升飞机性能的关键之一就是要减轻飞机的结构重量，对结构轻量化等方面有增无减的刚性需求，使航空应用领域越来越离不开钛。如今，广义的钛合金包括了传统钛合金、钛铝金属键化合物和钛基复合材料，传统钛合金独领风骚的时代正在向“三钛争艳”的盛景逐渐过渡，这意味着钛合金在飞机和航空发动机上的应用范围将进一步扩大，从而促进结构重量的进一步目前减轻和燃油消耗的进一步降低。
民用方面，随着大飞机等项目的开展，对材料安全性、经济性、舒适性、环保性的要求进一步得到提高，新材料的用量不断加大。以钛合金为例，自50年代至今，钛合金的用量不断攀升，除波音787的高纪录以外，空客A350WB也达到了14%，据悉俄罗斯正在研制的MS-21预计钛合金用量将达到25%。同样，复合材料在新世纪也得到了飞速发展，波音787复合材料用量占到了50%，空客A350WB改进以后达到了53%。国内复合材料的用量也在不断攀升，ARJ21的方向舵、C919的升降舵都是用复合材料制成的。
军用方面，材料更多服务于飞机战斗性能的要求。以抗实弹射击能力为例，由于钛合金的抗实弹射击能力显著优于复合材料等原因，据称美国F-22战斗机将复合材料的用量由初的44.7%减至24%，并将钛合金的用量提高至41%，其中用了54个钛合金铸件，其用量已达飞机总重量的7%。此外，另一具有断裂韧性高、疲劳裂纹扩展速率慢等特点的新品种合金——高损伤容限钛合金的出现，也是钛合金在军用飞机上的用量越来越多的重要原因。
《航空报》：航空材料除了要求其高性能、低成本、高效率以外，近年来我们更加关注其低污染、减少消耗、循环利用等方面的环保性，请您谈谈目前我国绿色材料技术的发展情况？
曹春晓：近20年来，国内外对环保材料的呼声越来越高，航空界在继续重视飞机及发动机安全性能的同时，更加关注节省资源、降低成本、保护环境等问题。钛合金由于比强度、耐腐蚀性高于钢和铝合金，使用温度高于复合材料和铝合金，因而受到了绿色航空的欢迎。例如，波音公司为解决787飞机结构重量超重的问题，以达到减重2500千克的目标，再投入3亿美元经费，研究某些部位用钛合金取代铝合金以解决超重问题，终达到钛合金用量占15%，复合材料用量占50%，成功减轻了结构重量，仅凭借飞机结构的轻量化，就降低了8%的耗油量，再加上飞机空气动力学设计与发动机效率的改进，终波音公司兑现了降低油耗20%的承诺。这一方面降低了飞机全寿命使用成本，另一方面又减少了因烧油产生的污染排放，一举两得，波音787的订单量也随之极大提高。
此外，在材料的循环利用方面，国外对钛合金、高温合金的回收、循环利用已经较为成熟，而国内这方面的工作急需进行改进与提高。我国生产的钛合金价格之所以高于国外进口，很大程度是由于国外钛合金回收利用率很高，而我国钛合金的回收利用率很低。根据这个情况，中航工业主动采取了相应的措施，于2007年成立中航上大金属再生科技有限公司，专门对钛合金等昂贵金属进行循环利用，目前已经成功研发了十几个牌号的再生高温合金和高强钢，并已投入小批量销售。
《航空报》：站在材料界发展的角度，您如何理解“制造2025”概念的提出？要实现这一宏伟目标，我国在航空材料创新方面应当如何发展？
曹春晓：在“制造2025”的概念里所涵盖的应当是整个制造过程的重要环节，包括设计、材料、加工等多个环节紧密结合所产生的效果。制造工艺与材料是密不可分的，因此在“制造2025”的概念里，对材料的关注应当摆在重要的位置上。现如今，随着飞机及发动机性能的不断提升，材料难度要求也在不断加大。现代先进航空发动机性能、可靠性和推重比的提高，其材料和制造技术的贡献率约占50%~60%。我们讲“长空铸剑，材料当先”，关键技术研究先行，材料的创新更要先行，特别是要加强新材料的工程应用研究和试验验证。
所谓材料创新不单指成分的创新，实际上材料创新的过程离不开工艺，要多在工艺创新上想办法、下功夫。在我看来，工艺创新可以起到多快好省、事半功倍的效果。例如TC11钛合金通过工艺创新，使得材料在强度不变的基础上，显著提高了韧性，这往往是靠成分调整无法做到的。
目前，我国在材料创新方面的瓶颈主要存在于工艺创新方面，工艺能力欠缺容易导致材料性能、合格率、批生产稳定性等各方面上不去。我国制造业的自动化、数字化、智能化水平较国外存在一定差距，人工操作的不稳定性，是影响产品合格率的重要因素之一。因此，减少人为因素的影响，避免各种因素造成的产品质量的波动，提升智能化加工水平，是我们赶超国际先进水平的必经之路。
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