航空航天领域用化工新材料发展趋势研究

詹宇鹏 王鹏 齐景丽

航空航天工业作为战略性新兴产业，是国家综合竞争力的核心体现，对国民经济发展和工业技术创新具有显著的带动效应。化工新材料作为现代高新技术和产业发展的基石与引领力量，其发展水平直接决定航空航天装备的迭代升级。“一代材料，一代航空航天器”的演进规律表明，化工新材料作为航空航天装备的核心物质基础和性能决定因素，已成为影响装备性能、安全性和成本控制的关键要素。

本文聚焦航空航天领域化工新材料发展，系统分析其发展必要性、技术与应用现状，重点梳理弹性体功能材料、纤维及复合材料、特种工程塑料、特种工程树脂等关键品类的技术特征与应用场景，揭示当前我国该领域存在的核心材料依赖进口、产品质量稳定性不足、产业链协同低效、标准与验证平台缺失等问题。基于此，本文从强化核心技术攻关、优化产业链协同、完善标准体系、构建创新生态四个维度提出发展建议。通过系统推进这些建设性举措，旨在实现航空航天用化工新材料的自主可控、安全高效发展，以期为国防现代化建设提供坚实的材料保障。

一、推进航空航天用化工新材料发展的战略必要性

（一）政策驱动为产业发展提供战略指引

党的二十大报告明确提出“加快建设航天强国”的战略目标，充分肯定我国在载人航天、探月工程、火星探测、北斗卫星导航系统等领域的突破性进展，高度评价国产大飞机C919等标志性成果。《中国制造2025》将航空航天装备列为十大重点发展领域之一，明确指出“新材料是产业升级的基础支撑”，要求突破航空航天用高端化工新材料产业化瓶颈。在“双碳”战略引领下，国家正聚焦航空航天产业链关键环节，着力推进高端“卡脖子”化工新材料国产化替代，为产业高质量发展构建清晰的战略路径。

（二）产业特征决定化工新材料核心地位

航空航天装备需在超高温、超低温、高真空、强腐蚀等极端环境下长期稳定工作，对材料提出“轻质高强、耐高低温、抗疲劳、长寿命”的严苛要求。以商用大飞机为例，一架C919由300万~500万个零部件构成，其中化工新材料重量约占飞机总重量15%，其轻量化程度直接影响整机燃油效率与航程。航天领域材料性能对装备效能影响更为显著，固体火箭发动机壳体采用碳纤维复合材料后，重量较传统金属材料降低约30%，发动机推重比（推进剂质量/发动机总质量）提升至0.93以上，凸显化工新材料对航空航天装备性能的决定性作用。

（三）市场需求为产业发展注入强劲动力

全球航空航天产业的蓬勃发展正催生化工新材料领域的强劲需求，产业链上下游协同效应持续显现。据空中客车发布的《2023至2042年全球航空服务市场预测报告》显示，未来20年，中国航空客运量年均增长率将达到5.2%，是全球平均水平的近两倍，中国新飞机需求量将超过9000架。这将带动航空用化工新材料需求年均增长8%以上。在商业航天领域，我国市场规模已从2015年的不足500亿元跃升至2024年的2万亿元，年均复合增长率超过20%。随着商用卫星组网、可回收火箭等新业态的规模化发展，对低成本、高品质的化工新材料的需求将呈持续增长态势。

（四）材料升级是突破产业瓶颈关键路径

我国航空航天工业虽取得显著成就（如航天发射次数连续多年全球领先、C919实现商业交付），但航空航天领域用材仍呈现“多品种、小批量、高品质”的特点，导致部分关键化工新材料仍依赖进口：高性能碳纤维（T1000级）、对位芳纶等产品进口依存度超50%，严重制约了航空航天装备的自主化进程。例如，导弹用T1000级碳纤维长期依赖日本东丽、美国赫氏等企业；商用大飞机C919的发动机涡轮部件（陶瓷基复合材料）、雷达罩用高端玻璃纤维仍需进口。同时，商用航天、深空探测等新场景对材料提出“低成本、多功能、环境相容”等新需求，亟需通过材料技术升级实现从“能用”到“好用”的跨越。

图1 商用大飞机用化工新材料示意图

二、航空航天用化工新材料的技术发展现状

航空航天领域用化工新材料已基本形成“功能导向、品类细分”的产品体系，重点覆盖弹性体材料、纤维及复合材料、特种工程塑料、特种合成树脂、特种胶黏剂、特种涂层等六大领域，各品类在装备中承担核心功能，其技术水平直接装备性能等级相匹配。

（一）纤维复合材料助力装备轻量化

纤维及复合材料通过“高性能纤维增强+树脂基体复合”的结构，实现“低密度+高比强度+高比模量”的性能组合，是航空航天材料结构轻量化的“主力军”，其应用比例已成为衡量装备技术先进性的重要指标。

1.碳纤维及复合材料。碳纤维比强度7~10倍于钢材料，比模量3倍于铝合金材料，在机身、机翼、发动机壳体等部位有着广泛应用。根据纤维丝束数量与力学性能，碳纤维可分为不同品类，具体分类如下表所示：

表1 碳纤维分类情况表

数据来源：作者整理。

在航空领域，碳纤维复合材料的应用比例持续提升，C919机身结构中碳纤维复合材料占比约12%，C929远程宽体客机占比达50%以上。

表2 航空领域碳纤维应用情况表

数据来源：作者整理。

在航天领域，碳纤维复合材料已成为固体火箭发动机壳体的首选材料，美国“三叉戟”（D5）导弹一级发动机壳体采用碳/环氧复合材料，综合性能较芳纶复合材料提升30%；我国部分型号导弹三级发动机壳体采用国产T800级碳纤维复合材料，减重超过30%，有效支撑射程提升。目前，我国已实现T300级、T700级及T800级碳纤维量产，但T1000及以上品级产品仍需突破产业化瓶颈，2024年航空航天领域碳纤维消费量仅占全球总消费量的约3%，高端应用领域依然依赖进口。

2.芳纶纤维。芳纶纤维分为对位芳纶（芳纶1414）与间位芳纶（芳纶1313），二者性能与应用场景有显著差异。对位芳纶的分子链呈直线状，强度是钢丝的5~6倍（拉伸强度≥3.6GPa），密度仅为钢丝的1/5，主要用于防弹装甲、导弹发动机壳体、光缆增强。全球对位芳纶产能集中于美国杜邦（Kevlar系列，全球市场占比38.8%）、日本帝人（Twaron系列），我国泰和新材、中芳特纤等企业已实现千吨级量产，但高性能品种仍需进口。

间位芳纶的分子链呈锯齿状，耐温性优异（长期使用温度-196℃~200℃），阻燃性强（极限氧指数＞28%），主要用于航空航天用蜂窝芯材、发动机隔热层、电气绝缘。我国间位芳纶目前已实现国产化，C919客机舱门、客货舱地板采用酚醛树脂浸渍的间位芳纶纸蜂窝芯材，单架飞机可减重30公斤以上。

3.玻璃纤维复合材料。玻璃纤维复合材料的力学性能虽低于碳纤维复合材料，但其具有低介电常数（ε=4.5~6.0）、成本相对可控（价格仅为碳纤维的1/5）、透波性能优异等特点，目前主要应用在飞机雷达罩、襟翼、副翼等受力较小且需透波的部位。例如，C919客机雷达罩采用玻璃纤维/环氧树脂复合材料，可实现X波段雷达波透波率＞90%；我国预警机雷达罩采用高硅氧玻璃纤维/酚醛复合材料，耐温性达600℃以上，满足在高超音速条件下飞行需求。

4.陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料（CMC）以碳化硅（SiC）、氧化铝（Al₂O₃）等陶瓷为基体，以碳纤维或陶瓷纤维为增强体，兼具耐高温（长期使用温度1200℃~1600℃）、低密度（2.0~3.0g/cm³）、耐腐蚀等特性，是航空发动机热端部件（涡轮叶片、燃烧室）的理想材料。目前，美国通用电气（GE）已将SiC纤维增强复合材料用于LEAP发动机涡轮外环，我国C919客机发动机即采用该材料，减重效果达20%。

（二）特种工程塑料可应对极端环境

特种工程塑料具备“耐高温、耐腐蚀、尺寸稳定、轻量化”等特性，可替代金属材料用于结构件与功能部件，有效降低装备重量并提升可靠性。航空航天领域常用特种工程塑料的性能与应用如表所示：

表3 特种工程塑料应用情况表

数据来源：作者整理。

1.聚酰亚胺（PI）。PI是目前耐温性最好的工程塑料之一，耐温范围-269℃~400℃，用于发动机隔热层、电气绝缘部件，在航空航天领域应用广泛。“神舟”飞船返回舱隔热层采用PI泡沫材料，密度仅0.1g/cm³，热导率＜0.03W/(m·K)；C919客机机舱内部采用PI纤维制作椅罩、门帘，单架飞机减重30公斤以上；卫星太阳能电池基板采用PI薄膜，耐辐射剂量达10⁶Gy，有效提升卫星在轨寿命。

2.聚苯硫醚（PPS）。PPS是我国国产化程度最高的特种工程塑料，自给率达到80%以上，其玻璃纤维增强品种热变形温度达260℃，可在200℃以下长期使用。美国波音公司用玻璃纤维增强PPS制造AIWS巡航导弹壳体，减重25%；我国惯性导航系统壳体采用短切碳纤维增强PPS，替代原铝合金壳体，减重30%，同时提升减振性能。我国浙江新和成、重庆聚狮等企业已实现PPS量产，但高端纤维级PPS树脂仍需进口，产品性能离散性较大，可靠性需进一步提升。

3.聚醚醚酮（PEEK）。PEEK兼具耐高温与可加工性，是航空航天领域替代金属的关键材料。美国洛克希德・马丁公司将碳纤维增强PEEK复合材料用于F-35战斗机尾翼，减重20%。

（三）橡胶弹性体保障密封阻尼可靠

弹性体材料承担“密封、阻尼、耐烧蚀、导热”等核心功能，需在极端温度、介质与振动环境下稳定工作，主要包括密封材料、阻尼材料、导热橡胶、耐烧蚀橡胶四大类。

1.密封材料。密封材料是航空航天装备防泄漏关键，需适配液压油、推进剂（四氧化二氮、偏二甲肼）、液氢/液氧等介质。以硅橡胶为例，其空间级品种（6701~6710系列）可耐受空间高真空（10⁻⁸Pa）、强辐射（10⁵Gy）与高低温交变（-150℃~200℃），已应用于“天宫”空间站对接机构密封，不同密封材料应用场景如下表所示：

表4 密封材料应用情况表

数据来源：作者整理。

2.阻尼材料。阻尼材料用于降低装备振动（航天产品振动频率范围0~2000Hz），避免零部件因振动失效。丁基橡胶、硅橡胶用于降低装备振动（振动频率0~2000Hz），我国ZN-33硅橡胶阻尼材料在-50℃~150℃范围内阻尼系数β≥0.3，已应用于运载火箭等航天装备，但宽温宽频高阻尼材料仍需持续优化改进。主要品种与性能如下表所示：

表5 阻尼材料应用情况表

数据来源：作者整理。

3.耐烧蚀橡胶。耐烧蚀橡胶主要用于航天器返回舱、火箭喷管等部位，通过“融化-蒸发”过程带走热量，实现热防护。我国“神舟”系列飞船返回舱采用硅橡胶基耐烧蚀材料，由硅橡胶基体与酚醛空心微球、玻璃纤维填料复合而成，实现1100℃以上高温的热防护。

（四）特种合成树脂是复材性能基础

特种合成树脂是纤维复合材料的基体，其性能直接决定复合材料的耐温性、力学性能与工艺性，航空航天领域常用特种合成树脂的性能与应用如下表所示：

表6 合成树脂性能与应用情况表

数据来源：作者整理。

1.聚酰亚胺树脂是目前耐温性最好的树脂基体之一。目前应用较广泛的是第二代（PMR-Ⅱ-50、KH-307）材料，其长期使用温度为370℃，主要用于火箭发动机部件；目标材料是第三代，长期使用温度达到426℃以上，正处于研发阶段，用于深空探测探测器。

2.聚芳基乙炔（PAA）是最具潜力的高温烧蚀树脂，理论成炭率达90%，吸水率仅0.1%~0.2%，400℃下层间拉伸强度1.4MPa，是碳/酚醛材料的4.7倍。

（五）胶黏剂与涂层是装备关键环节

1.特种胶黏剂在航空航天领域承担结构粘接、密封防护、耐极端温度等关键功能，需在严苛环境下保持性能稳定。典型应用包括：（1）环氧结构胶：用于机身主结构粘接，具有优异的机械性能和环境适应性；（2）聚酰亚胺高温胶：专为高温部件设计，可在 230℃环境下保持剪切强度＞13MPa；（3）超低温胶黏剂（NHJ-44）：专为液氢贮箱开发，-253℃极端低温条件下剪切强度＞20MPa。

表7 特种胶黏剂性能与应用情况表

数据来源：作者整理。

2.特种涂层在装备表面防护、热控和隐身等方面具有重要作用，主要包括环境防护涂层、防热涂层、热控涂层及隐身涂层。其中：（1）环境防护涂层（TL-19系列）采用四防复合体系（防盐雾/防湿热/防霉菌/防静电），通过体积电阻率≤1×10⁷Ω·cm的导静电设计，成功应用于舰载导弹壳体防护；（2）防热体系包含：1）有机硅基防热涂层（密度≤0.9g/cm³，热导率0.16W/m·K）专用于火箭喷管热防护；2）环氧基耐冲刷涂层（剪切强度≥5MPa），用于导弹弹体前缘极端工况；（3）热控涂层（ACR-1系列）为白色防静电热控涂层，通过太阳吸收率αs≤0.25与发射率ε=0.86~0.90的精确调控，实现卫星天线10年以上在轨热控稳定性；（4）隐身技术体系包括：1）铁氧体基雷达隐身涂层（吸波频段8~18GHz，反射衰减≥20dB），满足新一代战斗机雷达散射截面控制需求；2）羰基铁基红外隐身涂层（发射率≤0.3），有效降低导弹弹体红外特征信号。

三、航空航天用化工新材料发展面临的主要问题

目前，我国航空航天领域化工新材料研发已取得阶段性成果，但在自主可控能力、性能稳定性与可靠性、产业链上下游协同等方面仍面临诸多挑战，制约产业高质量发展进程。主要问题如下：

（一）核心产品国产化率低，性能存在差距

一是部分高端材料依赖进口。T1000及以上级碳纤维、对位芳纶等“卡脖子”产品进口依存度超50%，例如导弹用T1000级碳纤维仍需从日本东丽、美国赫氏等国外企业进口。

二是产品质量稳定性不足。国产碳纤维批次间强度波动大，部分高端应用需“挑着用”；特种工程塑料（如PEEK等）的耐高温性能、抗疲劳性较国际先进水平低10%以上，无法满足装备长周期使用的需求。

（二）产业链协同低效，创新转化滞后

一是产学研用衔接不足。高校、科研院所的基础研究与企业工程化需求脱节，例如碳纤维预浸料工艺研发与飞机结构设计缺乏联合开发，导致成果转化率不足30%，产业转化周期长，平均周期为日本、欧洲等发达国家的2倍以上。

二是上下游供给不协调。原料生产端（如聚酰亚胺单体二酐、碳纤维原丝油剂）依赖进口，产品端普通品种同质化竞争（如T300级碳纤维产能过剩），高端品种供给不足，形成“低端饱和、高端短缺”的结构性过剩格局。

（三）标准体系不统一，验证平台缺失

一是标准碎片化。国家部委及相关企业对材料测试标准不统一，生产及应用单位需重复检测，大幅增加研发成本，配套供应效率低下。

二是验证平台不足。航空航天用新材料适航检测、极端环境模拟平台稀缺，例如eVTOL用复合材料验证周期长达18个月（美国仅9个月），中试平台在复合改性、跨学科集成方面支撑能力薄弱，制约技术迭代速度。

四、推动航空航天用化工新材料高质量发展的建议

锚定“自主可控、安全高效”战略目标，聚焦关键核心领域短板产品，通过技术攻关突破、产业链协同创新、标准体系构建、创新生态培育等多维协同发力，系统推进产业基础高级化和产业链现代化升级。

（一）强化核心技术攻关，提升自主可控能力

一是聚焦“卡脖子”产品突破。重点推进T1000级碳纤维、对位芳纶、聚酰亚胺树脂等产品的工程化和规模化，突破原丝制备、碳化工艺、复合改性等关键技术，争取2030年前实现高端碳纤维国产化率超70%。

二是布局前沿材料技术。研发耐高温（500℃以上）聚芳醚酮、多功能一体化复合材料、超低介电透波材料，满足商用航天、深空探测等新应用场景需求。

（二）优化产业链协同，提升创新转化效率

一是构建产学研用联合体。由龙头企业牵头，联合高校、科研院所、下游装备企业组建创新平台，开展“定制化研发”，将成果转化周期缩短至12个月以内。

二是推动产业链垂直整合。支持材料企业向上游延伸（如配套碳纤维原丝生产）、向下游拓展（如复合材料构件制造），形成“原料—材料—部件—装备”协同体系，降低中间成本，提升产品稳定性。

（三）完善标准与平台，支撑产业规范化发展

一是统一行业标准。由国家相关部委联合制定《航空航天用化工新材料通用技术规范》，统一性能测试、质量评价、适航认证标准，建立“一次检测、多端认可”机制，降低企业合规成本。

二是建设公共服务平台。布局国家航空航天材料大数据中心（整合成分-工艺-性能数据）、极端环境模拟验证平台（超高温、深低温、高辐射），为企业提供中试、检测、认证全流程服务，缩短技术迭代周期。

（四）构建创新生态环境，激发产业发展活力

一是强化政策支持。延续新材料首批次保险补偿机制，对航空航天用高端材料给予研发补贴，鼓励企业参与国家重大工程（如C929、探月工程）的材料验证。

二是培育复合型人才。在高校开设“航空航天材料”特色专业，推行“双导师制”（高校教授+企业导师），培养既懂材料科学又熟悉装备应用的人才；建立行业人才流动机制，促进技术人员跨领域交流。

五、结语

航空航天用化工新材料是建设航天强国的战略支撑，其发展水平直接关系国家战略安全和产业核心竞争力。当前，我国已具备坚实的产业基础与政策优势，需以核心技术攻关为突破口，以产业链协同为纽带，以标准平台为支撑，以创新生态为保障，推动化工新材料实现从“跟跑”到“并跑”再到“领跑”的跨越式发展。随着碳纤维、芳纶、聚酰亚胺等关键材料的工程化突破，我国将构建自主可控、安全高效的航空航天用材产业体系，为国产大飞机规模化运营和商用航天产业化发展提供坚实支撑，全面增强我国在全球航空航天领域的战略主动权和产业话语权。

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