中国航空报:随着人们对结构轻量化、制造自动化、设计多样化、低能耗和废物可回收利用的需求日益增加，复合材料越来越多地进入制造业。在推动工业技术创新的同时，它们也逐渐应用于多样化的工业产品中，***材料市场蓬勃发展。航空作为先进复合材料消耗量***大的工业领域，在复合材料的研发、制造技术的创新和应用中发挥了核心作用。虽然2019年波音737MAX系列停飞停产，但全球航空制造供应链陷入混乱和停滞。然而，全球航空制造业正在进行和即将进行的新项目表明，复合材料的使用将在未来10年继续增长。

　　

　　GNK制造A350飞机。

　　全球对碳纤维复合材料的需求将继续增长。

　　美国复合材料世界网站举办的年度碳纤维大会于2019年底在美国田纳西州诺克斯维尔举行。美国知名咨询公司AJR分享了2019年碳纤维复合材料的相关数据:2019年全球碳纤维产品总产能约为16.12万吨，全球碳纤维需求总量为12.33万吨，其中约8.5万吨来自工业领域，包括风电、汽车、压力容器和基础设施。其中东丽日本以年产5.7万吨的产能主导碳纤维供应链，相当于第二***第五家厂商产能总和。到2020年底，全球知名厂商的碳纤维产能预计将达到17.2万吨左右。

　　未来风电(2025年2.73万吨)、交通运输(2025年2.275万吨)、基础设施建设(2025年2.08万吨)、压力容器(2025年1.95万吨)的碳纤维需求***有可能快速增长。预计到2025年，航空终端市场将需要3万吨先进碳纤维，其中1.55万吨用于商用飞机。其余将用于内饰、国防、公务机、通用航空、发动机、旋翼飞机、无人飞机和弹药。

　　空客A220机翼正在北爱尔兰的贝尔法斯特工厂制造。

　　航空制造业对复合材料行业影响很大。

　　1.737MAX事件对复合材料供应链有不确定的影响。

　　2019年全球航空制造业***大的负面事件来自波音737MAX。灾难发生后，波音公司倾注了大量资源试图纠正错误，但737MAX的适航再认证时间超出预期，直接导致该机型于2020年1月正式停产，并间接导致波音主要制造商斯普利特航空系统公司(Split Aviation Systems)对737MAX项目员工进行调整和裁员。

　　生产进度的搁浅在整个航空制造业产生了严重的连锁反应，对复合材料行业也产生了直接影响。波音公司的“新中型客机”(NMA)计划被推迟。按照原计划，波音本应在2019年的巴黎航展上正式公布NMA计划，并在2025年左右交付。但随着737MAX事件的发生，以及波音在777X发动机上遇到的问题，显然波音很难再启动新的项目，也很难再投入大量的资源。除了波音自身的问题，空客的及时出现也使得NMA计划的市场前景更加复杂。空客在2019年的巴黎航展上公布了一款新机型A321XLR， 这表明A321XLR是一种专门与NMA进行市场竞争的机型。两者***的区别就是一个是单通道机型，一个是双通道机型。无论如何，NMA原本计划垄断的市场份额将面临强大竞争对手的瓜分。

　　NMA项目很重要，因为它代表了即将到来的全新飞机设计理念。预计它将像波音787、777X和空客A350一样，配备由先进碳纤维复合材料制成的主体结构。此外，不仅NMA，单通道飞机如波音737和空客A320也有望在更长时间内得到改进或取代。这两个模型现在已经足够成熟，可以改造和应用碳纤维复合材料部件。如果波音和空客为单通道飞机建造和更换复合材料部件的速度能与生产单通道飞机的速度相匹配& mdash& mdash每月100架左右，因此航空复合材料制造业有望迎来产能的巨大增长。如果两家公司在未来几年宣布相关计划， 预计大规模应用复合材料的单通道飞机可能在2028~2030年左右正式投入运营。

　　然而，737MAX的停飞仍然带来了时间上的不确定性。波音公司可能决定加快737系列飞机的更换和升级计划，并比原计划提前开展复合材料的更换工作。这样的决定也可能促使空客提前做出升级A320系列和开发下一款全新飞机的决定。总之，只要737MAX继续停产，整个航空制造供应链的不确定性就会一直存在，航空复合材料供应链也会受到直接影响。但从长远来看，无论形势如何发展，复合材料及相关制造技术仍将是未来10年航空制造业一贯看好和重点发展的方向。

　　以色列Eviation公司的Alice是一架全复合材料全电动9座飞机。

　　2.淘汰热压罐将是未来航空制造业提高效率的关键。

　　无论是NMA计划还是未来单通道飞机的替代，都还存在未解决的实质性问题。***个问题是未来新飞机是否使用复合材料，以及确定在哪里使用。对于双通道NMA来说，考虑到波音787、777X和空客A350系列的供应链和制造工艺已经非常成熟，几乎可以肯定复合材料将被广泛使用。此外，与传统的铝合金结构相比，航空公司非常愿意接受耐久性更好、燃油经济性更好、维护更容易的复合材料结构，这进一步坚定了制造业继续在大型航空结构中使用复合材料的决心。

　　目前材料和工艺的结合主要是热压罐固化的碳纤维/环氧树脂预浸料，主要是AFP/ATL或手工铺设。但适用于波音787和空客A350的材料和工艺都是本世纪初开发的，比较陈旧。尽管如此，相对成熟和长期证明的材料和工艺的组合仍然比仍在开发和认证中的新材料和工艺更有优势。对于NMA来说，一方面，波音应该是因为有了737MAX在应用新技术上不小心的教训，不想投入太多资源开发新材料和新工艺；另一方面，由于NMA的制造速度可能与波音787(12架/月)和空客A350(10架/月)相似，波音公司面临着开发和验证新材料工艺组合的巨大压力。因此， 现有的成熟技术方案更有可能在NMA胜出。所以，既然大型结构件推崇碳纤维复合材料，那么用哪种材料就成了业内亟待解决的问题。

　　但上述推断很可能受到单通道客机更换计划的影响。波音和空客单通道飞机737和A320仍然是航空制造业***成熟的产品。如果选择大量使用复合材料生产这两种型号，以目前的热压罐固化技术，以100架/月的速度制造飞机用复合材料结构和部件显然是不可行的。因此，新型单通道飞机的研制几乎肯定会采用不蒸压的材料和工艺的组合，从而大大缩短零件的制造时间。

　　这两年出现了一些新的技术，可以肯定的是会在下一代飞机制造中得到广泛应用。这些技术将包括热塑性复合材料、树脂注射成型和树脂传递成型(RTM)。波音和空客都通过各种R&D计划对上述技术进行了开发和测试，力争逐步提高技术成熟度，并计划***迟在2025年实现商用部署。

　　优步自己开发的EVLOT。

　　空客正在通过联合多家公司，启动一些备受瞩目的研究项目，寻找航空制造业的创新解决方案，其中***引人注目的是“明日之翼”项目。该计划的目标是发展一种高生产率的商用飞机机翼结构制造方法，在所有可测量的性能指标上比目前的机翼制造技术高出一个数量级。该项目由GKN航空航天公司、***复合材料中心(NCC)、Norge公司、斯普利特航空系统公司和Solvi复合材料公司共同推进。目前该计划已进入实施阶段，正在评估用RTM制造机翼蒙皮、翼梁、翼肋和中央翼盒的效果。GKN在2019年的巴黎航展上宣布，它已经为“明日之翼”项目生产了演示验证零件， 然后在10月宣布交付规模化验证零件制造工具。“明日之翼”计划的启动意味着在未来的机翼制造过程中可以实现更好的自动化、更少的零件、更短的制造周期、更快的结构检查和更快的工装速度。

　　对于航空制造业来说，机翼结构的树脂浇注技术并不是什么新技术。目前，这种制造方法已经在空客A220和伊尔库特MS- 21两款商用飞机上使用，这两款飞机都是单通道飞机。A220原为庞巴迪研发的C系列公务机，2018年出售给空客。飞机的树脂浸渍机翼由庞巴迪位于北爱尔兰贝尔法斯特的工厂制造(庞巴迪于2019年10月将工厂业务出售给Split Aviation Systems，收购正在进行中)。俄罗斯联合飞机公司正在为俄罗斯市场生产MS-21。它的机翼由Aeroflot Composites制造，使用Solvi提供的单组分树脂系统。空客A220和MS-21的例子表明树脂注射成型对于商用飞机是可行的， 但是这两种飞机的树脂注射速度都比较慢。这项技术必须进一步成熟，以满足高速制造的要求。树脂浇注成型的主要应用对象是机翼。

　　由于单通道飞机机身厚度比双通道飞机薄，多年来航空制造业一直难以判断复合材料是否适用于单通道飞机机身。如果用现有的复合材料和工艺来制造更薄的蒙皮，机身的成本和重量是无法承受的。因此，寻找一种能够以适当的成本提供轻薄机身的复合材料和工艺组合，是单通道飞机面临的***大挑战。热塑性复合材料是以机身结构为主要应用对象。

　　在欧洲，这项工作正在通过“清洁天空2”计划中的“下一代多功能机身验证”(MFFD)项目进行推进。该项目旨在***大限度地减少结构紧固件的应用，增加机身、系统、货舱和机舱的集成和一体化。热塑性复合材料可以通过焊接工艺满足上述要求。GKN福克是开发热塑性航空结构***活跃的公司之一。他们在2019年的JEC复合材料展上展示了为湾流航空公司制造的热塑性复合材料机身面板。面板具有互连的网状焊接结构，体现了MFFD项目中设想的多功能性。这表明该技术逐渐成熟，有望应用于单通道商用飞机。

　　特别是，波音公司正试图改造小型结构部件(支架、固定装置、紧固件等)。)从热固性复合材料到热塑性复合材料。ATC制造公司是专门从事连续压缩成型的热塑性复合材料专家，该公司正在领导这项工作。除了机身，热塑性复合材料在现役飞机的其他结构上也取得了重要的应用进展。

　　来自英国的树脂制造商威格斯(Victrex)推出了一种低熔点聚芳醚酮(PAEK AE250)树脂，可以在生产线上预浸碳纤维带和层压板，在复合材料行业引起轰动。目前航空制造业广泛使用的热塑性复合材料的主要树脂成分是聚醚醚酮(PEEK)，其熔融温度为350℃，而PAEK的熔融温度仅为305℃。对于热塑性复合材料来说，降低基体的熔融温度意味着可以加快材料的加热/冷却周期，缩短周期时间，提高制造效率。利用这种温差，可以在PAEK层压板上注射成型PEEK基结构，如肋条和固定夹。2019年9月，Solvi宣布扩大其在加利福尼亚州阿纳海姆工厂的产能， 美国。该工厂主要生产用于PEEK、PEKK或PAEK树脂预浸渍的单向碳纤维带。2016年以来，不断扩建，不断优化工艺流程，工厂产能提升了4倍。欧洲在热塑性复合材料的原材料方面也取得了***新进展。

　　3.传统热固性复合材料仍有发展空间。

　　虽然热塑性复合材料技术发展持续升温，但热固性复合材料仍然是生产大尺寸机身壁板的主力。斯普利特航空系统公司在2019年的巴黎航展上推出了其***新的用于单通道飞机的ASTRA(先进结构技术和革命性结构)机身面板。为了开发这种面板，Split开发了一种新的机身设计，称为“薄板桁架技术”。斯普利特表示，与现有的结构和生产方式相比，雅特可以节省30%的成本，并满足每月60件的交付速度。通过详细的物理性能测试，ASTRA机身满足单通道飞机的所有强度和刚度要求。与Split类似，尽管尺寸更小，但西班牙的MTorres展示了另一种肋加强的“网格/蒙皮结构” 在巴黎航展上。该结构是通过用树脂浸渍干碳纤维制成的。一旦在工装中制成了肋，就可以通过AFP/ATL工艺在其上铺设蒙皮结构，然后将结构整体固化。

　　除了生产工艺创新，碳纤维供应链一直致力于为下一代航空航天设备开发和定位新产品。2017年，东丽推出了具有优异强度和刚性的T1100/3960预浸料。2019年，T1100/3960预浸料已通过Split公司的审查和验证，并已应用于ASTRA机身壁板验证件的制造。美国好时公司也推出了高强高模碳纤维HexTow HM50。2019年1月，日本帝人公司宣布其Tenax碳纤维和热塑性碳纤维单向预浸带(Tenax TPUD)获得波音公司认证，并被列入波音公司合格产品目录。此外，韩国晓星集团在2018年底推出了面向航空航天市场的高强度中模量碳纤维， 并于2019年6月与Saudi Aramco签署谅解备忘录，建立联合碳纤维制造厂。这一系列进展表明，热固性碳纤维复合材料仍是全球厂商竞争的焦点，其市场潜力和发展空间仍值得充分挖掘。

　　新兴航空市场的发展有助于复合材料行业的持续增长。

　　未来20年航空制造业对新飞机的需求还是比较大的。不仅如此，一些新兴航空市场的出现也对先进复合材料技术的发展起到了明显的推动作用。

　　1.先进复合材料是超音速飞机应用的关键。

　　虽然超音速飞机一直不是主流，但在全球商用航空市场上仍然占据着冰山一角。目前，几家公司都在试图恢复超音速飞机过去的辉煌。其中，美国Boom航空航天公司正在研制一种全复合材料超音速飞机，命名为“Overture”。Boom在2019年巴黎航展上表示，Boom即将完成XB-1原型机的研发工作，这是一架“前奏”规模验证机，将于2020年夏天正式推出。“前奏”的***高速度为2.2马赫，巡航高度为6万英尺(约19354米)。从悉尼运送55-75名乘客到洛杉矶只需要7个小时，从华盛顿特区飞到伦敦只需要3.5个小时。此外，“前奏”将使用普罗米修斯燃料公司提供的一项创新技术& mdash& mdash 利用可再生资源产生的电能，将大气中的二氧化碳转化为飞机燃料，使飞机以超音速飞行，碳排放为零。

　　随着超音速飞机的返回，对飞机结构设计有了新的要求:除了继续追求轻量化，结构尖缘的热防护尤为关键，先进的复合材料也是超音速飞机***返回的关键。

　　2.随着航电时代的到来，先进复合材料是核心技术。

　　城市空中交通(UAM)作为一个新兴航空市场的潜力正在被逐步挖掘。虽然整体规模不大，但这一领域在2019年仍明显呈现增长趋势。UAM包括各种小型飞机(可容纳4~10名乘客)。飞机的工作范围是不同的，取决于飞机的大小及其推进系统。它的目标是在城市内部或城市之间运送人员或物资。优步正在自行开发的电动垂直起降飞机(电动垂直起降)***大续航里程仅为60英里(96公里)。考虑到结构重量对电池容量的影响，在电动垂直起降采用轻质复合材料结构已成为当务之急。因此， 超过150家电动垂直起降开发商正在投资和招聘复合材料工程人才。该领域的挑战在于，电动垂直起降市场很可能需要建立与商用航空市场同样严格的认证标准，但同时产品定位要求更高的产出，并逐渐延伸到汽车领域。在这种需求的驱动下，人们追求复合材料制造过程的自动化，以提高生产效率，降低成本，提高质量，满足产品合格率的要求。尽管发展迅速，但在电动垂直起降投入运营之前，仍有许多工作要做，包括产品认证、空域管理、安全标准、起降位置等。，尚待制定和确定。首批电动垂直起降可能要到2024~2025年左右才能获准投入运营。

　　除了电动垂直起降，无人机领域另一个将大量消耗复合材料的产品是全电动商用飞机。爱丽丝在2019年的巴黎航展上展出。它是由以色列Eviation公司开发的全电动、全复合材料飞机。爱丽丝是9座支线飞机，巡航速度约445 km/h，续航里程1000km。该公司预计将于2020年底或2021年初获得认证。

　　爱丽丝的诞生预示着商业航空运输的一个新领域& mdash& mdash全电动进料输送机时代即将到来。电动垂直起降和电动飞机(混合动力推进系统)的发展不仅是能源系统的革命，也是飞机布局和结构设计的创新。从目前的发展趋势来看，先进复合材料无疑是主要结构材料的“种子选手”，是航电时代的核心技术之一。

　　作为21世纪第三个十年的开端，复合材料行业在经过产业调整和洗牌后，即将开启新的篇章。航空航天带动的先进复合材料逐渐辐射到汽车、风电、船舶甚***轨道交通行业，低端复合材料也将广泛应用于医疗器械、娱乐、体育等民用产品，释放产能过剩压力。总体而言，未来10年，复合材料将呈现性能不断突破、应用全面的多元化发展趋势，成为推动材料科学技术和产业进步的主要动能。

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