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    行業資訊
    2019年航空復合材料產業發展回顧與展望
    • 來源:
    • 發布時間:2020-03-13

    中國航空報訊:隨著人們對結構輕量化、制造自動化、設計多樣化、能耗低碳化、廢料可回收等需求地不斷增加,復合材料正越來越多地進入制造業,在推進工業技術創新的同時,也逐步在多樣化的工業產品中應用,引領材料市場蓬勃發展。航空作為先進復合材料用量最大工業領域,在復合材料的研發、制造技術的創新和應用等方面,都起到了核心推動作用。雖然2019年隨著波音737MAX系列停飛、停產,全球航空制造業供應鏈陷入了混亂和停滯。不過,全球航空制造業正在進行和即將到來的新項目,預示著復合材料在未來10年內的使用仍將保持持續增長的態勢。

    GNK 公司制造A350 飛機。

    GNK 公司制造A350 飛機。

    全球碳纖維復合材料的需求將繼續增長

    由美國復合材料世界網站舉辦的年度碳纖維大會于2019年底在美國田納西州諾克斯維爾舉行。美國知名咨詢機構AJR公司分享了2019年碳纖維復合材料方面的相關數據:2019年, 全球碳纖維產品的總產能約為161200噸,全球碳纖維總需求為123300噸, 其中約85000噸來自工業領域,包括風電能源、汽車、壓力容器和基礎設施。其中日本東麗公司以57000噸的年產能在碳纖維供應鏈中獨占鰲頭,相當于排名第2至第5位廠商總產能之和。到2020年底,全球知名廠商碳纖維產能預計將達到約172000噸。

    未來風電能源(2025年為27300噸)、交通運輸(2025年為22750噸)、基礎設施建設(2025年為20800噸) 和壓力容器(2025年為19500噸)對碳纖維的需求最有可能實現快速增加。預計到2025年,航空終端市場將需要30000噸的先進碳纖維,其中15500噸將用于商用飛機。其余將用于內飾、國防、公務機、通用航空、發動機、旋翼飛機、無人飛機和彈藥。

    空客A220 機翼正在北愛爾蘭的貝爾法斯特工廠進行制造。

    空客A220 機翼正在北愛爾蘭的貝爾法斯特工廠進行制造。

    航空制造業對于復合材料產業的影響較大

    1、737MAX事件對復合材料供應鏈產生不確定性影響

    2019年全球航空制造業最大的負面事件來自于波音737MAX。災難發生后,波音傾注了大量資源試圖修正錯誤,但737MAX重新進行適航認證的時間超出預期,直接導致2020年1月該機型正式暫停生產,間接導致波音主要生產商斯普利特航空系統公司將737MAX項目中的員工進行調整和裁員。

    生產進度的擱淺在整個航空制造業中產生了嚴重的連鎖反應,對復合材料行業也帶來了直接影響。波音的“新型中型客機”(NMA)計劃延遲。根據最初的計劃,波音本應在2019年巴黎航展中正式宣布NMA計劃,并于2025年前后交付使用。但737MAX事件的發生,加之波音公司在777X發動機上遇到問題,顯然波音難以啟動新項目并傾注大量資源。除了波音自身的問題外,空客的適時出現也使得NMA計劃的市場前景變得更加復雜, 空客公司在2019年巴黎航展中公布了新機型A321XLR,可見A321XLR是一款專門與NMA展開市場競爭的機型。它們唯一的區別在于,一款是單通道機型,另一款則為雙通道。無論如何,NMA原本計劃獨占的細分市場份額,都將面臨強勁對手的瓜分。

    NMA計劃之所以重要,是因為它代表了即將到來的全新飛機設計理念,它有望像波音787、777X和空客A350一樣,配備由先進碳纖維復合材料制成的主要結構。此外,不止是NMA,從更長遠看,波音737和空客A320等單通道飛機有望被改進或替代,這兩款機型目前都已經具備轉化應用碳纖維復合材料部件的成熟條件, 假如波音和空客為單通道飛機建造和更換復合材料部件的速度能夠與生產單通道飛機的速度相匹配——大約是每月100架,那么航空復合材料制造業有望迎來產能的巨大提升。如果兩家公司在未來幾年內宣布相關計劃, 預計在2028~2030年左右,大面積應用復合材料單通道飛機可能正式投入運營。

    不過,737MAX的擱淺仍然帶來了時間上的不確定性。波音有可能決定加速737系列飛機的替代升級計劃, 比原計劃更早地開展復合材料裝機替代工作。這樣的決定有可能也會促使空客提前作出升級A320系列的決定, 開發下一款全新的飛機。簡而言之, 只要737MAX持續停產停運,整個航空制造業供應鏈的不確定性就會一直存在,航空復合材料供應鏈也將直接受到影響。但從長遠看,無論事態如何發展,復合材料和相關制造技術仍然是未來10年航空制造業內一致看好并重點發展的方向。

    以色列Eviation 的Alice 是一款全復合材料、全電動9 座飛機。

    以色列Eviation 的Alice 是一款全復合材料、全電動9 座飛機。

    2、擺脫熱壓罐將是未來航空制造業提升效率的關鍵

    無論是NMA計劃,還是未來單通道飛機更替,目前存在著尚未解決的實質性問題。首要的問題就是在未來新飛機中是否需要使用并且確定在哪些部位使用復合材料。對于雙通道的NMA,考慮到波音787、777X和空客A350系列供應鏈和制造工藝流程已經非常成熟,幾乎可以確定會大量應用復合材料。此外,與傳統的鋁合金結構相比,航空公司非常愿意接受耐用性更好、燃油經濟性更佳、更易于維護的復合材料結構,這樣的事實更加堅定了制造業在大型航空結構件中繼續使用復合材料的決心。

    現有的材料和工藝組合,以熱壓罐固化的碳纖維/環氧樹脂預浸料為主,主要通過自動纖維鋪放/纖維帶鋪放(AFP/ATL)或手工完成鋪設。不過,適用于波音787和空客A350的材料與工藝開發于本世紀初期,已經相對老舊。盡管如此,相對成熟并經過長期驗證的材料與工藝組合,仍然比還在開發和認證中的新材料、新工藝更具優勢。對于NMA來說,一方面, 由于有737MAX應用新技術不謹慎的前車之鑒,波音公司應該不希望投入資源開發過多的新材料和新工藝;另一方面,由于NMA的制造速度可能與波音787(12架/月)和空客A350(10架/月)類似,因此波音公司在開發和驗證新材料工藝組合方面壓力不小。所以,現有的成熟技術方案更有可能在NMA中勝出。那么既然大型結構件對碳纖維復合材料推崇備至, 具體使用哪種材料就成為業內需要解決的問題。

    不過,上述的推斷很可能會受到單通道客機替代計劃影響。波音和空客目前的單通道飛機737和A320仍然是航空制造業中最成熟的產品。如果選擇大量使用復合材料生產這兩種機型,那么以目前的熱壓罐固化技術, 實現以100架/月的速度為飛機制造復合材料結構及零部件,顯然是不可行的。因此,開發新型單通道飛機幾乎肯定會采用非熱壓罐的材料與工藝組合,進而大大縮短零部件的制造時間。

    過去的兩年間,一些新技術已經脫穎而出,可以肯定的是它們將在下一代的飛機制造中廣泛應用。這些技術將包括熱塑性復合材料、樹脂灌注成型和樹脂傳遞模塑(RTM)等。波音和空客都通過各類研發計劃開發和測試上述技術,力求將技術成熟度逐步提升,并計劃最晚于2025年前實現商用部署。

    優步公司自行研制的eVLOT

    優步公司自行研制的eVLOT

    空客正通過聯合多家公司以及開啟一些備受矚目的研究計劃尋找航空制造業創新的解決方案,其中最引人注目的是“明日之翼”計劃。該計劃的目標是開發一種高生產率的商用飛機機翼結構制造方法,這種方法要比目前的機翼制造技術在所有可衡量的性能指標方面都實現成數量級的提升。該項目由GKN航宇公司、英國國家復合材料中心(NCC)、諾格公司、斯普利特航空系統公司和索爾維復合材料公司為核心共同推進。目前,該計劃已經進入實施階段,正在評估使用RTM制造機翼蒙皮、翼梁、翼肋和中央翼盒的效果。GKN在2019年巴黎航展中宣布已經為“明日之翼”計劃生產了演示驗證件,此后又在10月宣布交付縮比驗證件制造工具。“明日之翼”計劃的推出意味著在未來機翼制造過程中能夠實現更好的自動化、更少的零件使用、更短的制造周期、更快的結構檢測以及更快的工裝速度。

    對于航空制造業來說,機翼結構樹脂灌注工藝并不是一項新技術,目前已經有兩款商用飛機使用了這種制造方法:空客A220和伊爾庫特MS- 21,均為單通道飛機。A220前身是由龐巴迪公司開發的C系列公務機,于2018年出售給空客公司。該機的樹脂灌注機翼由龐巴迪公司位于北愛爾蘭貝爾法斯特的工廠制造(龐巴迪公司于2019年10月將該工廠業務出售給斯普利特航空系統公司,收購正在進行中)。俄羅斯聯合飛機公司正在為俄羅斯市場生產MS-21。其機翼由俄羅斯航空復合材料公司制造,使用的是索爾維公司提供的單組分樹脂體系。空客A220和MS-21的例證表明,樹脂灌注成型對商用飛機而言是可行的, 但是這兩款飛機的樹脂灌注速度都相對較慢。該技術必須進一步成熟到可以滿足高速率制造的要求。樹脂灌注成型主要應用對象是機翼。

    由于單通道飛機機身厚度比雙通道飛機薄,因此多年來,航空制造業一直難以判斷復合材料是否適用于單通道飛機的機身。如果使用現有的復合材料和工藝制造更薄的蒙皮,機身的成本和重量均難以承受。因此,找到一種能夠提供輕薄機身且成本恰當的復合材料及工藝組合,是單通道飛機應用復合材料機身所面臨的最大挑戰。熱塑性復合材料則瞄準機身結構作為主要應用對象。

    在歐洲,這項工作正通過“潔凈天空2”計劃中的“下一代多功能機身驗證”(MFFD)項目進行推進。該項目旨在最大限度地減少結構緊固件應用,增加機身、系統、貨艙、機艙的一體性和集成度。熱塑性復合材料可以通過焊接工藝滿足上述要求。GKN Fokker公司是開發熱塑性航空結構最活躍的公司之一,它們在2019年JEC復合材料展覽中展示了為灣流航空公司制造的熱塑性復合材料機身面板。該面板具有互連的網狀焊接結構,體現了MFFD項目中所設想的多功能性。這表明該技術正逐步邁向成熟,有望在單通道商用飛機中應用。

    特別是波音公司正努力將尺寸不大的結構部件(支架、夾具、緊固件等) 由熱固性復合材料轉化為使用熱塑性復合材料。專門從事連續壓制成型的熱塑性復合材料專家ATC制造公司, 正在領導這項工作。除了機身,熱塑性復合材料已經在現役飛機其他結構中取得重要應用進展。

    來自英國的樹脂制造商Victrex推出了一款名為PAEK AE250的低熔點聚芳醚酮(PAEK)樹脂,可在生產線中預浸碳纖維帶和層壓板,在復合材料行業中引起轟動。目前航空制造業中廣泛使用的熱塑性復合材料主要樹脂成分為聚醚醚酮(PEEK),其熔融溫度為350℃,而PAEK的熔融溫度僅為305℃,對于熱塑性復合材料來說,降低基體的熔融溫度意味著可加快材料的加熱/冷卻周期,縮短循環時間,提高制造效率。利用這種溫度的差距,可實現在PAEK層壓板上注塑成型PEEK基結構,如肋條、固定夾等。索爾維公司于2019年9月宣布擴大其在美國加利福尼亞州阿納海姆工廠的產能。該工廠主要生產用于PEEK、PEKK或PAEK樹脂預浸的碳纖維單向帶。自2016年以來,不斷地擴建和工藝流程的持續優化,已經使該工廠的產能提升了4倍。在熱塑性復合材料的原材料方面,歐洲也取得了最新進展。

    3、傳統的熱固性復合材料仍有發展空間

    盡管熱塑性復合材料技術發展熱度持續升溫,但熱固性復合材料目前仍然是生產大尺寸 機身面板的主力軍。斯普利特航空系統公司在2019年的巴黎航展中推出了其最新研發用于單通道飛機的ASTRA(先進結構技術和革命性結構)機身面板。為開發這款面板, 斯普利特公司研發了一種名為“薄板桁條技術”的新機身設計。斯普利特公司表示,與現有的結構和生產方法相比,ASTRA可以節省30%的成本, 并且可滿足每月60件的出貨速度。通過物理性能詳細測試,ASTRA機身滿足了對單通道飛機的所有強度和剛度要求。與斯普利特類似,雖然尺寸較小, 西班牙MTorres公司在巴黎航展上展出了另外一種肋條增強“網格/蒙皮結構”。該結構是通過樹脂浸漬干碳纖維制成的。一旦在工裝中制造了肋條, 就可以通過AFP/ATL工藝在其上鋪放蒙皮結構,然后再將結構整體固化。

    除生產工藝創新,碳纖維供應鏈一直致力于為下一代的航空航天裝備開發和定位新產品。2017年, 日本東麗公司推出T1100/3960預浸料, 具有出色的強度和剛度。2019年,T1100/3960預浸料已經通過斯普利特公司的考核驗證,并且已經應用于制造ASTRA機身面板驗證件。美國赫式公司也推出了高強高模碳纖維HexTow HM50。日本帝人公司在2019年1月宣布,其Tenax碳纖維和熱塑性碳纖維單向預浸帶(Tenax TPUD)獲得波音公司的認證,并且已經列入波音的合格產品目錄。此外,韓國曉星集團曾在2018年底推出了一款面向航空航天市場的高強中模碳纖維,并于2019年6月與沙特阿美公司簽署諒解備忘錄,建立聯合碳纖維制造廠。這一系列進展表明,熱固性碳纖維復合材料依然是全球廠商競爭的焦點,其市場潛力和發展空間仍值得充分挖掘。

    新興航空市場發展有助于復合材料行業持續增長

    航空制造業在未來20年對于新飛機的需求量仍然是較大的,不僅如此, 一些新興航空市場的出現,也對先進復合材料技術發展的推動作用明顯。

    1、超聲速飛機“歸來”,先進復合材料是應用關鍵

    超聲速飛機雖然一直不是主流, 但在全球商用航空市場中仍占據冰山一角。現在有幾家公司正試圖恢復超聲速飛機往日的榮光,其中,美國Boom航宇公司正在研發全復合材料的超聲速飛機,命名為“序幕”(Overture)。Boom公司在2019年的巴黎航展中表示,Boom即將完成XB-1原型機的研發工作,該機是“序幕”的縮比驗證機,將于2020年夏天正式推出。“序幕”的最高時速為2.2馬赫,巡航高度為60000英尺(約19354米),僅需7個小時即可將運送55~75名旅客從悉尼飛抵洛杉磯,從華盛頓特區飛往倫敦僅需3.5小時。另外,“序幕”將使用普羅米修斯燃料公司提供的一項創新技術——利用可再生資源產生的電能將大氣中的二氧化碳轉化為飛機燃料,從而使飛機實現零碳排放超聲速飛行。

    超聲速飛機的歸來,對飛機結構設計有了新的要求:除了繼續追求輕量化外,對于結構尖端邊緣部位的熱防護也尤其關鍵,先進復合材料也是超聲速飛機能否完美“歸來”的關鍵。

    2、航空電氣時代到來,先進復合材料是核心技術

    城市空中交通(UAM)作為新興航空市場的潛力正在被逐步挖掘,雖然整體規模不大,但這一領域在2019年仍明顯展現了增長態勢。UAM包括各種小型飛機(可容納4~10名乘客), 飛機的工作范圍有所不同,具體取決于飛行器的大小及其推進系統,其目標是在城市內或城市間運送人員或物資。優步公司正在自行研發的電動垂直起降飛機(eVTOL)最大續航里程僅為60英里(96千米)。考慮到對結構重量對電池電量影響,在eVTOL中使用輕質復合材料結構已經成為剛需。因此, 超過150家eVTOL的開發商正在大力投資和招募復合材料工程人才。這一領域面臨的挑戰是,eVTOL市場很可能需要建立與商用航空市場同等嚴格的認證標準,但同時產品定位上又要求取得更高產量,逐步延伸至汽車領域。在這種需求的驅動下,人們追求復合材料制造流程的自動化,以實現生產效率提升、成本降低、質量提高并達到產品合格率要求。盡管發展迅速,但在eVTOL投入運營前,仍有許多工作要做:包括產品認證、空域管理、安全標準、起降位置等還有待制訂和確定。首批eVTOL可能要到2024~2025年前后才被允許投入運營。

    除eVTOL外,UAM領域內另一種將極大消耗復合材料的產品是全電動商用飛機。2019年巴黎航展中展出了Alice,是由以色列Eviation公司開發的全電動、全復合材料飛機。Alice是一款9座的支線客機,其巡航速度約為445千米/時,續航里程為1000千米。公司預計將于2020年底或2021年初獲得認證。

    Alice的誕生預示著商用航空運輸的一個新興領域——全電動支線運輸機時代即將到來。eVTOL和電動飛機(混合動力推進系統)的發展,不僅是能源系統的一次革命,同時也是對飛行器布局和結構設計的創新。從現有的發展趨勢判斷,先進復合材料無疑是主要結構用材的“種子選手”,是航空電氣時代的核心技術之一。

    作為21世紀第三個10年的開局, 復合材料行業在經過了產業調整和行業洗牌后,即將開啟全新篇章。由航空航天帶動發展的先進復合材料,已經逐步向汽車、風電能源、船舶甚至軌道運輸行業輻射,中低端復合材料也將在醫療器械、文娛體育等民用產品中取得廣泛應用,釋放產能過剩的壓力。總體來看,未來10年,復合材料將呈現性能不斷突破、應用全面普及的多元化發展態勢,成為推動材料科學、技術和產業的進步主要動能。

    來源:中國航空新聞網

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