航空航天材料在手表行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢展望

  材料是現(xiàn)代科技發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要支柱，是航空航天工業(yè)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是航空航天工業(yè)發(fā)展速度的決定性因素之一。21世紀(jì)以來，航空航天事業(yè)高速發(fā)展，進(jìn)入的領(lǐng)域也越來越多，與航空航天材料技術(shù)的發(fā)展和突破密不可分[1]。與此同時(shí)，航空航天事業(yè)的發(fā)展也帶動著航空航天材料的進(jìn)步。航空航天材料使用環(huán)境相對多種且惡劣，綜合性能要求高，如用于結(jié)構(gòu)部件的材料[2]對強(qiáng)度、模量、耐高溫、密度等有較高的要求，而用于功能部件的材料則有熱、聲、光、電、磁等方面的嚴(yán)格要求。航空航天材料的進(jìn)步和發(fā)展，也衍生出更為廣泛的、性能更加優(yōu)異的、民用的新材料和新工藝。

  手表是一種集功能和時(shí)尚于一體的產(chǎn)品，其零部件數(shù)量多達(dá)數(shù)百個(gè)，各零部件對材料性能要求各異，因而涉及種類繁多的材料種類，同時(shí)因其屬于首飾類消費(fèi)品和含有高精度機(jī)械零件，其外觀、尺寸、加工性能等的要求特殊。航空航天材料的快速發(fā)展也為手表行業(yè)的材料創(chuàng)新與應(yīng)用帶來了新的機(jī)會。本文綜述了近年來手表行業(yè)應(yīng)用的航空航天材料，探討了航空航天材料在手表行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用，最后對未來航空航天材料在手表行業(yè)的民用化和推廣化方向進(jìn)行了展望。

  1金屬材料

  1.1鋼類材料

  結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼是航空航天鋼材的兩大重要門類。結(jié)構(gòu)鋼具有高的比強(qiáng)度，良好的疲勞性能和工藝性能，且價(jià)格低廉，在航空航天產(chǎn)品中占據(jù)著十分重要的位置，這類結(jié)構(gòu)鋼通常用來制作飛行器的軸、齒輪、起落架、槳轂等關(guān)鍵部件。不銹鋼能耐空氣、水、鹽的水溶液、酸以及其他腐蝕介質(zhì)的腐蝕，這類材料可用來制作航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片、彈性元件、燃油導(dǎo)管等零件。在常規(guī)304L不銹鋼基礎(chǔ)上添加部分Ni和N形成的304N不銹鋼，同時(shí)具有優(yōu)良的力學(xué)性能和很好的抗腐蝕能力，是目前飛行器中的部件與裝置用的優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料。

  在手表行業(yè)中常用的是不銹鋼。一些低端手表常用的不銹鋼為304，中高端手表最常用不銹鋼為316L（圖1），而部分高端手表例如勞力士使用的是904L鋼。304鋼有較好的耐腐蝕性和一定的強(qiáng)度，符合一般手表行業(yè)的要求。但304鋼耐晶間腐蝕性能較差，在一些接縫、表面坑點(diǎn)處易被腐蝕[3]。316L鋼因添加了鉬元素，耐晶間腐蝕等耐腐蝕性能更佳，拋光后相比304鋼更為光亮。904L鋼耐腐蝕性和耐磨損性比316L鋼更強(qiáng)，并且可以高度磨光，因此拋磨后具有更加光亮、美觀的效果，但價(jià)格高，所以有極個(gè)別高端手表品牌使用904L鋼。近年來，一些手表行業(yè)開發(fā)了無鎳不銹鋼，實(shí)現(xiàn)了以氮代鎳，解決了304、316L、904L等不銹鋼易導(dǎo)致的鎳過敏問題[4]。

  1.2銅合金

  銅合金具有高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，并且具有低摩擦因數(shù)、好的加工成形性、易連接、易光亮加工等優(yōu)點(diǎn)，通過適當(dāng)?shù)暮辖鸹凸に?，可獲得很寬的力學(xué)性能范圍[5]，廣泛應(yīng)用于航空航天零件，例如導(dǎo)電結(jié)構(gòu)件、精密電測儀器零件、彈性元件、宇航線纜、彈簧管等。銅合金按照組成成分可分為工業(yè)純銅、黃銅、青銅和白銅。航空航天器件在使用加工過程中會有短時(shí)間或瞬時(shí)耐高溫軟化的性能方面的要求，因此該領(lǐng)域應(yīng)用的銅合金在高溫工作時(shí)應(yīng)具備高的強(qiáng)度和硬度。為使材料耐高溫性能加強(qiáng)，通過添加鉻、鋯、鎂、錫、銀等合金元素，也就是微合金化，以提高銅材的耐高溫性能，是主要趨勢之一[6]。也由此衍生出錫磷青銅、鋁青銅、鉛黃銅、錳白銅等，以達(dá)到高強(qiáng)度、高耐磨性、高耐蝕性等目的，從而應(yīng)用于各領(lǐng)域。

  手表行業(yè)對銅合金的應(yīng)用十分廣泛。早在19世紀(jì)末，銅合金就被用于制作手表外觀件，但當(dāng)時(shí)合金制造技術(shù)相對落后，銅合金易又被腐蝕氧化，外觀易失去光亮表面。后期由于出現(xiàn)了性能更為優(yōu)異、耐腐蝕性更佳的鋼材，在手表外觀件制作上，銅合金逐漸被替代。而在近幾年，手表業(yè)內(nèi)刮起了一陣復(fù)古風(fēng)，很多品牌采用一些青銅材料來制作一些復(fù)古款手表，例如柏萊士、沛納海、寶名、飛亞達(dá)等，所提倡的主題是隨著時(shí)間的流逝，青銅表慢慢氧化，帶有佩戴人的個(gè)人“DNA”，所呈現(xiàn)的腐蝕痕跡也各有不同，呈現(xiàn)出歲月的標(biāo)記，如圖2所示。此外，青銅強(qiáng)度較高、耐蝕性和耐磨性良好，可切削加工和熱加工，滿足復(fù)古手表的一般要求。

  銅合金在手表領(lǐng)域的另一重要應(yīng)用是機(jī)芯零件，常用材料為鉛黃銅和鈹青銅。其中鉛黃銅常被大量應(yīng)用于手表機(jī)芯的夾板、條盒輪、輪片等零件；鈹青銅則應(yīng)用于時(shí)輪簧、日歷撥頭、擺輪等。由于機(jī)芯零件屬于精密件，尺寸小，形狀各異，精度要求極高，因此對材料的切削性和尺寸穩(wěn)定性要求高。比如，鉛黃銅因加入鉛元素大大增加了材料的易切削性，具體表現(xiàn)為易切削、加工精度高、對刀具磨損小、加工毛刺少、易去除等等。而尺寸不穩(wěn)定是由于材料的殘余內(nèi)應(yīng)力和在其上施加的工作應(yīng)力共同作用下，內(nèi)部產(chǎn)生松弛過程使其到達(dá)較平衡狀態(tài)的結(jié)果。比如夾板加工厚度不均時(shí)，由于破壞內(nèi)部潛在應(yīng)力的均衡而導(dǎo)致的變形；夾板加工后的孔徑收縮和孔位坐標(biāo)尺寸變化等[7]。材料的尺寸穩(wěn)定性與其力學(xué)性能、金相組織、工藝等相關(guān)，因此，制造高精度機(jī)械機(jī)芯，適宜的材料是必不可少的。

  1.3鈦合金

  鈦合金密度低，比強(qiáng)度高，耐腐蝕，低溫力學(xué)性能好，自20世紀(jì)中期鈦合金開始工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用以來，被廣泛適用于航空航天領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)器件。特別是密度低的特性，對減重要求迫切的航空航天業(yè)極為重要，加上其比強(qiáng)度高、耐腐蝕，因而多被應(yīng)用于緊固件、燃料貯箱、構(gòu)件、火箭殼體、支撐件等，常用的鈦合金牌號包括TC4、TB3等。隨著航空航天業(yè)的發(fā)展，對高溫鈦合金的需求越來越高，促使了該類材料的深入研究和發(fā)展，TA15、TA12、TC11、TA32等高溫鈦合金便在此間被開發(fā)出來[8]，這些高溫鈦合金多被用于航空發(fā)動機(jī)組件，加上其強(qiáng)度高于鋁合金，近期也開始部分替代鋁合金作為火箭發(fā)動機(jī)連接部的支撐部件。

  航空航天鈦合金的發(fā)展也推動了手表行業(yè)的進(jìn)步。鈦的密度約是不銹鋼的60%，又具有耐腐蝕和生物友好的特性，很適合制作手表的外觀件，如圖3所示。手表業(yè)內(nèi)已有較多品牌的高端金屬表應(yīng)用鈦材質(zhì)，特別是這些品牌的運(yùn)動表款，比如萬國、帝舵、歐米茄、飛亞達(dá)等。鈦材質(zhì)手表相比常見的316L手表，手腕負(fù)重感小，不含鎳，不會引起部分人群過敏，獲得許多客戶的青睞。此外，一些手表機(jī)芯零件也開始嘗試使用鈦合金制造，比如RichardMille使用了鈦合金來制作機(jī)芯的橋板、底板等關(guān)鍵部件，使整表質(zhì)量大為減輕；2019年Swatch集團(tuán)發(fā)布了Nivachron鈦合金游絲，該游絲擁有極佳的防震與抗沖擊性，延展性也極高，并且溫差變化很小，性能優(yōu)異。

  1.4鋁合金

  鋁合金具有比鈦合金還低的密度、高的比強(qiáng)度和比剛度、高彈性、高導(dǎo)熱導(dǎo)電等特性，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在航空航天工業(yè)中，鋁合金是首選的輕量化材料，用量巨大，一些飛機(jī)上鋁合金用材更是高達(dá)80%。我國早在20世紀(jì)中期便對航空航天用高性能鋁合金展開了深入系統(tǒng)的研究，開發(fā)出2系、7系、超塑性等一系列上百種鋁合金[9]。這些鋁合金用來制造機(jī)身框、機(jī)翼壁板、起落架、鉚釘、蒙皮、骨架等。

  鋁合金具有質(zhì)輕、儲層本低、比強(qiáng)度高、易加工等特點(diǎn)[10]，但由于其表面拋光后效果不佳，易出現(xiàn)泛白、砂眼等缺陷，且耐磨性和耐蝕性較差，目前在手表行業(yè)尚未大規(guī)模應(yīng)用。

  2非金屬材料

  2.1碳纖維

  碳纖維是采用有機(jī)纖維高溫碳化、石墨化制成，碳量可高達(dá)90%以上，性能優(yōu)異，具有強(qiáng)度高、模量高、耐腐蝕、機(jī)械性能好、質(zhì)量小等特點(diǎn)[11]，有“黑色黃金”的美譽(yù)。航空航天飛行器的運(yùn)動速度高、載荷大，對材料強(qiáng)度和抗變形能力都有極高的要求，在這種對密度、剛度、質(zhì)量、疲勞特性、化學(xué)穩(wěn)定性等方面有嚴(yán)格限制的領(lǐng)域，碳纖維材料具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，例如T300-1000、M40-3000等。碳纖維材料在使用時(shí)，大多用碳纖維與樹脂復(fù)合而成，形成碳纖維復(fù)合材料。在航空航天領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料常被用于衛(wèi)星承力筒、艙體壁板、太陽翼基板、天線反射面、發(fā)動機(jī)殼體等。

  碳纖維還可以編織成各種織物形態(tài)，從而呈現(xiàn)不同的花紋，帶來一定的美觀效果。由于碳纖維復(fù)合材料具有獨(dú)特的紋理，近幾年也受到手表行業(yè)的青睞。一個(gè)碳纖維復(fù)合材料手表部件，質(zhì)量只有幾克，不僅質(zhì)量輕，在機(jī)械表現(xiàn)、抗壓方面都有很好表現(xiàn)，除此之外，碳纖維復(fù)合材料還會呈現(xiàn)出一種不規(guī)則花紋的外觀效果和獨(dú)特質(zhì)感，如圖4所示，這些都能帶給消費(fèi)者額外價(jià)值的感觀。AudemarsPiguet（AP）、萬國（IWC）、宇舶、Bell&ROSS等品牌在其產(chǎn)品中都有用到碳纖維復(fù)合材料。雖然碳纖維復(fù)合材料具有上述優(yōu)異的性能，但由于材料本身不夠致密，不能直接與表玻璃或底蓋結(jié)合起到防水的作用。通常的做法是在碳纖維復(fù)合材料內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)小巧的金屬內(nèi)膽，表玻璃、底蓋與金屬內(nèi)膽結(jié)合形成密閉的腔體，以達(dá)到手表的防水要求。

  2.2非晶合金

  非晶合金雖然由金屬元素構(gòu)成，但其的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有類似玻璃的長程無序狀態(tài)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，故也稱為“金屬玻璃”。非晶合金常作為一種軟磁合金用于航空航天工業(yè)，按其組成可分為鐵基、鈷基和鐵鎳基合金，按其性能分為高磁導(dǎo)率和高飽和磁感型合金。非晶態(tài)軟磁具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力、高電阻率、低鐵心損耗等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于開關(guān)電源變壓器、磁頭和電感元件、配電變壓器等，可以節(jié)省大量能源[12]。除此之外，近些年的研究發(fā)現(xiàn)鈦基非晶合金具有硬度高、密度低、耐高溫、斷裂韌性好等特點(diǎn)，被用來制備多種航空航天結(jié)構(gòu)零件[13]，比如飛行器的殼體。

  非晶合金相比同成分晶體金屬，擁有更高的強(qiáng)度、硬度，以及生物友好性[14]，因此適合用來生產(chǎn)手表外觀件，如圖5所示。非晶合金硬度較高，加工難度較大，一般采用鑄造成型的方式制造零件，因此可以做成許多復(fù)雜形狀，增加外觀件的美觀效果，打破設(shè)計(jì)局限，降低加工成本。此外，非晶合金還具有高的彈性極限，可以用于一些功能零件的制作，比如手表扣的彈性件、手表圈口等。目前，應(yīng)用非晶合金的手表品牌正在逐漸增加，包括沛納海、歐米茄、華為智能表等。

  2.3玻璃

  玻璃作為一種常見材料，在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，航空航天業(yè)也不例外。比如各類飛行器上的窗口玻璃、飛機(jī)上的風(fēng)擋、座艙蓋、衛(wèi)星反射鏡等，均有使用玻璃材料。又因?qū)?、電、磁、熱、化學(xué)等方面有著各種各類的高要求，航空航天業(yè)衍生出了對特種玻璃的需求，比如超低膨脹系數(shù)的微晶玻璃、高純合成的石英玻璃、特殊色散玻璃等。超低膨脹微晶玻璃主要是指以Li2O、Al2O3、SiO2為主要成分的玻璃經(jīng)過嚴(yán)格的受控晶化處理后形成以的β-石英固溶體為主晶相的透明微晶玻璃[15]，具有低的膨脹系數(shù)、高透光率和微晶結(jié)構(gòu)，質(zhì)地均勻致密、力學(xué)性能優(yōu)良，常被用于大型反射式官學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡、光電雷達(dá)、平行光管等。高純合成石英玻璃是采用化學(xué)氣相沉積法制備的高純度石英玻璃，其純度高，耐高溫、耐輻照、無缺陷，可用于生產(chǎn)衛(wèi)星窗口玻璃、太空攝像機(jī)鏡頭等航空航天器件。特殊色散玻璃是一類偏離光學(xué)玻璃“正常線”的玻璃，因具有較大的相對色散偏離值，可單獨(dú)作為透鏡材料消除二級光譜，降低光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜性，提高成像幾何精度，可應(yīng)用到高精度、長焦距和大視場的立體測繪相機(jī)等光學(xué)系統(tǒng)中[16]。

  在手表行業(yè)，玻璃多用來制作手表表鏡，如圖6所示，即表面的透明鏡片，用來保護(hù)手表表盤；有時(shí)也會用于生產(chǎn)手表底蓋的底玻璃。手表玻璃按材質(zhì)大致可分為合成玻璃、礦物水晶玻璃、藍(lán)寶石玻璃3類。藍(lán)寶石玻璃的物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，硬度高，耐劃傷、抗老化、耐腐蝕性能優(yōu)異，質(zhì)感高級美觀，常用于高端手表。合成玻璃俗稱亞克力，不耐磨、易傷，質(zhì)感差，但韌性好、不易碎，常用于低端手表。礦物水晶玻璃的抗磨能力良好，抗垂直打擊能力強(qiáng)于藍(lán)寶石玻璃，常用于中低端手表。最近，一些手表品牌熱衷于開發(fā)水晶玻璃來制作手表外觀件，其透明質(zhì)感高級美觀，別具一格。

  2.4陶瓷

  陶瓷材料是用天然或合成化合物經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無機(jī)非金屬材料[17]。陶瓷的種類很多，目前尚無統(tǒng)一的分類方法，按照成分分類包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硼化物陶瓷、碳化物陶瓷等。陶瓷材料具有密度較小、熔點(diǎn)高、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[18]，因此在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，比如耐高溫的發(fā)動機(jī)渦輪葉片、飛機(jī)外殼部件、太陽能電池板、導(dǎo)彈的單體、燃燒室等。此外還有一些特殊的功能陶瓷，比如壓電陶瓷，是一種依靠壓電效應(yīng)能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料，通常表現(xiàn)出比天然材料具有更大的壓電效應(yīng)，常用于航空航天領(lǐng)域制作制動器和傳感器[19]。

  陶瓷材料由于其特別的色澤及外觀效果、高強(qiáng)度、高耐蝕、高耐磨的特性，在手表領(lǐng)域多用于制備手表外觀件。特別是陶瓷豐富、高級和亮眼的色彩，使得陶瓷得到許多高端手表品牌的青睞。手表業(yè)廣泛使用的陶瓷材料為氧化鋯，而氧化鋯因選擇不同著色劑會使其呈現(xiàn)不同的顏色[20]。目前，關(guān)于制備彩色氧化鋯陶瓷著色劑的選擇主要有過渡金屬氧化物、稀土元素氧化物和尖晶石型氧化物[21-22]，通過不同的著色劑材料的選擇和配比，可調(diào)試出不同外觀效果的色彩[23]。勞力士品牌手表就是依靠其獨(dú)特的陶瓷著色與調(diào)色技術(shù)，在時(shí)尚界陶瓷飾品領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭，特別是“綠水鬼”手表系列，其圈口高級感十足的綠色使其在奢侈品行業(yè)一直被宣傳翻價(jià)，大大增加品牌價(jià)值。

  2.5塑料

  塑料是以天然樹脂或合成樹脂為基材，加入其他助劑制成的一種有機(jī)高分子材料。塑料助劑包括增強(qiáng)劑、增塑劑、固化劑、填料、穩(wěn)定劑等，塑料助劑的加入可以改善塑料的性能。例如，填料的加入可以提高塑料的強(qiáng)度、硬度、降低成本、提高耐熱性等；增塑劑可以增加塑料的柔韌性、伸長率等；固化劑則用于熱固性塑料，賦予材料較高的力學(xué)性能、耐熱性等[24]。塑料具有質(zhì)輕、優(yōu)異的電絕緣性、較好的絕熱性、突出的成形性、良好的耐腐蝕性、較低的成本等特性，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也極為廣泛多樣，比如航空用儀器儀表、雷達(dá)與通信裝置、整流罩、適配器、導(dǎo)彈殼體、方向舵、尾梁和旋翼等，所用塑料種類包括聚四氟乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯硫醚、有機(jī)硅塑料、不飽和聚酯等等[25-26]。

  塑料質(zhì)輕、成形性多樣、成本低、易加工、佩戴舒適、調(diào)色容易等特點(diǎn)在運(yùn)動手表、智能手表、兒童手表等方面也有廣泛應(yīng)用。但由于其質(zhì)感較差，主要集中在低端手表上，常用塑料包括PC、ABS、TPU等。近年來，卡西歐還推出了用玉米和蓖麻籽制作的生物塑料表殼，同時(shí)也有越來越多植物和其他原材料制成的塑料被研發(fā)出來，以迎合消費(fèi)者對于環(huán)保的需求。

  3結(jié)束語

  航空航天材料的發(fā)展給手表行業(yè)的材料發(fā)展帶來了許多機(jī)會，但對于手表行業(yè)的材料，有著自身的獨(dú)特需求，包括高的耐腐蝕性以避免手表與人體汗液長期接觸而銹蝕，高的硬度以避免手表在佩戴過程中被磨花，好的生物相容性以避免和皮膚接觸形成的過敏，美的外觀效果以符合消費(fèi)者的審美要求，輕便舒適以給消費(fèi)者帶來良好的佩戴體驗(yàn)。此外，手表行業(yè)還特別關(guān)注成本、易加工性、尺寸穩(wěn)定性等，這需要手表行業(yè)的材料工作者立足本行業(yè)，對航空航天材料進(jìn)行創(chuàng)新的應(yīng)用?；谇笆鰞?nèi)容，結(jié)合手表行業(yè)材料應(yīng)用現(xiàn)狀對后續(xù)研究方向與思路提出展望。

  （1）滿足手表基本性能要求且具有特別外觀效果的航空航天材料。目前此類材料較少，比如銅合金、陶瓷材料等，雖然外觀特殊，但是不耐腐蝕或是脆性大，容易產(chǎn)生銅綠或是磕裂損害，影響外觀。特別是銅合金，需要規(guī)范保養(yǎng)和儲存，針對此類情況，必須對銅合金腐蝕過程和條件深入研究，并制訂相對的儲存和加工規(guī)范。

  （2）提高部分航空航天材料致密度。比如碳纖維材料和非晶合金，致密度相對較低，致使外表面接觸的腐蝕汗液易滲入內(nèi)部破壞零件或是表面出現(xiàn)砂眼，破壞美觀性。非晶合金近期作為手表行業(yè)的熱門材料，應(yīng)用情況正在逐漸增加。

  （3）功能性航空航天材料的應(yīng)用，比如高彈性材料、形狀記憶合金，高彈性材料可用于手表彈性件、旋轉(zhuǎn)清響圈口等；形狀記憶合金可使手表在不同環(huán)境呈現(xiàn)不同效果或功能展現(xiàn)。

  （4）航空航天密封材料的應(yīng)用，目前許多手表存在密封不嚴(yán)、防水失效的情況。航空航天密封材料的種類繁多，密封性能優(yōu)異的材料也有多種，但需要降低成本、工藝簡化、尺寸精確化，從而可應(yīng)用于包括手表行業(yè)在內(nèi)的民用領(lǐng)域內(nèi)。