创新设计对轻量化材料的需求

轻金属材料

       采用轻量化材料设计制造的结构能够减轻装备的重量，会显著降低能源消耗，是实现节能环保的直接手段。

       在汽车行业，2010年汽车保有量已达7500万辆，到2020年将跃升至2亿辆。85%-90%的汽车仍是以石油为动力能源。汽车保有量的迅速增加，环境污染和资源消耗问题成为汽车行业可持续发展的一大威胁。约75%的油耗与整车质量有关，汽车质量每下降10%，油耗下降8%，排放减少4%，降低汽车质量可以效降低油耗以及排放。

       目前全球轿车平均质量约为1200-1400kg，汽车发达国家力争在2015年将中型轿车整车质量减轻到1000kg以下。我国自主品牌的轿车单车自质量比同类国外轿车平均重8%-10%；商用车平均重10%-15%。在当今发动机技术水平难以提升、新能源汽车无法大规模产业化的背景下，汽车轻量化技术成为节能、环保的主要手段之一。未来汽车的创新设计首先要关注对轻量化新材料的使用，轻质材料将会越来越多的应用到汽车领域。如铝合金、镁合金、钛合金等有色金属材料，这是汽车工业的未来发展方向。

       在汽车工业发达国家，铝合金材料已成为实现汽车轻量化目标的主要应用材料。如果汽车上凡是可用铝合金制造的零件都用铝合金替代，则每辆车平均用铝量将达到454kg，最多可降低9.08吨的尾气排放。在汽车行业，虽然镁合金较铝更轻，可作为铝合金的替代品。但镁合金的研究和发展还很不充分，应用也有限；目前汽车应用多是镁合金铸件，90%以上是压铸件。

       在航空航天工业，铝合金主要用于制造飞机的蒙皮、隔框、长梁和桁条等，制造运火箭和宇宙飞行器结构件。钛合金是航空航天制造工程领域首选的金属材料，兼具钢、不锈钢、铝等结构材料的优良性能，同时具有高比强度和耐高温、耐腐蚀的特点。钛合金在飞机结构制造中广泛用于蒙皮、机翼的承力框、紧固件、底盘、机翼襟翼、吊架、液压管路等。在直升机主要用于旋翼、驱动部件和控制系统等。在飞机和直升机结构制造中，钛合金基本可以代替所有钢制零件，减轻结构重量20-35%。在火箭、飞船及太空系统和轨道器上，钛合金主要用于制造火箭发动机的姿态矫正器、月球探测器的扭力杆、轨道飞行器的翼梁和边框、固体燃料的容器和液体推进剂火箭发动机的机匣、蒙皮、高压气罐和紧固件等。我国钛合金的研究和生产还处于发展阶段，应用技术水平与发达国家相比存在较大差距，钛合金研究和制造工艺仍处于技术突破的关键时期。

复合材料

       复合材料已经发展为与金属材料、高分子材料、无机非金属材料并列的四大材料体系之一。一个国家的复合材料工业水平，已经成为衡量其科技与经济实力的主要标志之一。

       复合材料及相关产业是世界经济产业链中重要的一环。全世界复合材料相关行业市场已经达到850亿美元，复合材料产业作为新兴产业已成为许多国家发展的重点。据相关统计数据显示，全球碳纤维市场需求将保持13%的增长，预计2018年，世界丙烯晴碳纤维材料的需求量可能达到10万吨，将成为未来发展的主流材料。

       在汽车行业，碳纤维复合材料几乎是目前可知的最能让汽车减重的完美材料，采用碳纤维复合材料可使汽车的轻量化取得突破性进展， 2009年宝马宣布与德国领先碳纤维制造商SGL（西格里）集团成立合资公司，为电动汽车Megacity Vehicle研发碳纤维零部件；2011年日本东丽集团与戴姆勒合作研发汽车碳纤维复合材料零部件，用于奔驰SL系列车型。可以预见，未来创新设计中复合材料将成为汽车制造的主要材料。

       在航空航天领域，可以说复合材料是航空工业结构的未来。目前存在着一种飞机结构复合材料化的趋势。各类飞机结构的主体材料将是复合材料而非金属材料，飞机设计讲究“为减轻每1g质量而奋斗”的理念。根据波音和空客公开的研究资料，2020年飞机结构件将全部采用复合材料。这一趋势将从根本上改变飞机结构设计和制造传统。能否适应这一重大变革，势必影响和决定一个国家航空制造业的成败兴衰。在该领域进行战略性的创新设计，才能引领航空工业的发展。

       我国复合材料的应用规模和水平，设计理念，方法和手段，材料的基础和配套，制造工艺和设备相比较国外发达国家仍然严重落后。如我军战斗机复合材料最大用量尚不足10%；我国至今尚未批量生产的复合材料机翼问世；最新研制的ARJ21支线客机复合材料用量不足2%。高模量的碳纤维和芳纶纤维长期依赖进口，成为制约我国航空航天技术发展的重要因素。

       在我国，已建成的碳纤维产能已经突破1万吨，但实际产量仅为2000吨，企业产能利用率仅有0.2%，而国际上利用率为0.7-0.9%。碳纤维在航空领域的市场尚未打开，在能源领域也未形成稳定市场，国产碳纤维每年有40%用于结构的加固和补强上。

       我国国产的复合材料性能、质量、规格、价格以及供货能力等方面还远不能满足国防、航空航天以及民用领域的需求。为了缩小与国际先进水平的差距，需要重点研究原材料技术（基体和增强体等原材料是先进复合材料的基础和前提，尤其是增强纤维技术最为重要。我国目前生产模量大于700GPa，强度大于5.5GPa的高模高强碳纤维，仍非常困难）、低成本技术等。