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2019年航空复合材料产业发展回顾与展望

2020-03-13 16:11:47 中国航空报 陈济桁

 

中国航空报讯:随着人们对结构轻量化、制造自动化、设计多样化、能耗低碳化、废料可回收等需求地不断增加,复合材料正越来越多地进入制造业,在推进工业技术创新的同时,也逐步在多样化的工业产品中应用,引领材料市场蓬勃发展。航空作为先进复合材料用量最大工业领域,在复合材料的研发、制造技术的创新和应用等方面,都起到了核心推动作用。虽然2019年随着波音737MAX系列停飞、停产,全球航空制造业供应链陷入了混乱和停滞。不过,全球航空制造业正在进行和即将到来的新项目,预示着复合材料在未来10年内的使用仍将保持持续增长的态势。

GNK 公司制造A350 飞机。

GNK 公司制造A350 飞机。

全球碳纤维复合材料的需求将继续增长

由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。美国知名咨询机构AJR公司分享了2019年碳纤维复合材料方面的相关数据:2019年, 全球碳纤维产品的总产能约为161200吨,全球碳纤维总需求为123300吨, 其中约85000吨来自工业领域,包括风电能源、汽车、压力容器和基础设施。其中日本东丽公司以57000吨的年产能在碳纤维供应链中独占鳌头,相当于排名第2至第5位厂商总产能之和。到2020年底,全球知名厂商碳纤维产能预计将达到约172000吨。

未来风电能源(2025年为27300吨)、交通运输(2025年为22750吨)、基础设施建设(2025年为20800吨) 和压力容器(2025年为19500吨)对碳纤维的需求最有可能实现快速增加。预计到2025年,航空终端市场将需要30000吨的先进碳纤维,其中15500吨将用于商用飞机。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进行制造。

空客A220 机翼正在北爱尔兰的贝尔法斯特工厂进行制造。

航空制造业对于复合材料产业的影响较大

1、737MAX事件对复合材料供应链产生不确定性影响

2019年全球航空制造业最大的负面事件来自于波音737MAX。灾难发生后,波音倾注了大量资源试图修正错误,但737MAX重新进行适航认证的时间超出预期,直接导致2020年1月该机型正式暂停生产,间接导致波音主要生产商斯普利特航空系统公司将737MAX项目中的员工进行调整和裁员。

生产进度的搁浅在整个航空制造业中产生了严重的连锁反应,对复合材料行业也带来了直接影响。波音的“新型中型客机”(NMA)计划延迟。根据最初的计划,波音本应在2019年巴黎航展中正式宣布NMA计划,并于2025年前后交付使用。但737MAX事件的发生,加之波音公司在777X发动机上遇到问题,显然波音难以启动新项目并倾注大量资源。除了波音自身的问题外,空客的适时出现也使得NMA计划的市场前景变得更加复杂, 空客公司在2019年巴黎航展中公布了新机型A321XLR,可见A321XLR是一款专门与NMA展开市场竞争的机型。它们唯一的区别在于,一款是单通道机型,另一款则为双通道。无论如何,NMA原本计划独占的细分市场份额,都将面临强劲对手的瓜分。

NMA计划之所以重要,是因为它代表了即将到来的全新飞机设计理念,它有望像波音787、777X和空客A350一样,配备由先进碳纤维复合材料制成的主要结构。此外,不止是NMA,从更长远看,波音737和空客A320等单通道飞机有望被改进或替代,这两款机型目前都已经具备转化应用碳纤维复合材料部件的成熟条件, 假如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够与生产单通道飞机的速度相匹配——大约是每月100架,那么航空复合材料制造业有望迎来产能的巨大提升。如果两家公司在未来几年内宣布相关计划, 预计在2028~2030年左右,大面积应用复合材料单通道飞机可能正式投入运营。

不过,737MAX的搁浅仍然带来了时间上的不确定性。波音有可能决定加速737系列飞机的替代升级计划, 比原计划更早地开展复合材料装机替代工作。这样的决定有可能也会促使空客提前作出升级A320系列的决定, 开发下一款全新的飞机。简而言之, 只要737MAX持续停产停运,整个航空制造业供应链的不确定性就会一直存在,航空复合材料供应链也将直接受到影响。但从长远看,无论事态如何发展,复合材料和相关制造技术仍然是未来10年航空制造业内一致看好并重点发展的方向。

以色列Eviation 的Alice 是一款全复合材料、全电动9 座飞机。

以色列Eviation 的Alice 是一款全复合材料、全电动9 座飞机。

2、摆脱热压罐将是未来航空制造业提升效率的关键

无论是NMA计划,还是未来单通道飞机更替,目前存在着尚未解决的实质性问题。首要的问题就是在未来新飞机中是否需要使用并且确定在哪些部位使用复合材料。对于双通道的NMA,考虑到波音787、777X和空客A350系列供应链和制造工艺流程已经非常成熟,几乎可以确定会大量应用复合材料。此外,与传统的铝合金结构相比,航空公司非常愿意接受耐用性更好、燃油经济性更佳、更易于维护的复合材料结构,这样的事实更加坚定了制造业在大型航空结构件中继续使用复合材料的决心。

现有的材料和工艺组合,以热压罐固化的碳纤维/环氧树脂预浸料为主,主要通过自动纤维铺放/纤维带铺放(AFP/ATL)或手工完成铺设。不过,适用于波音787和空客A350的材料与工艺开发于本世纪初期,已经相对老旧。尽管如此,相对成熟并经过长期验证的材料与工艺组合,仍然比还在开发和认证中的新材料、新工艺更具优势。对于NMA来说,一方面, 由于有737MAX应用新技术不谨慎的前车之鉴,波音公司应该不希望投入资源开发过多的新材料和新工艺;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)类似,因此波音公司在开发和验证新材料工艺组合方面压力不小。所以,现有的成熟技术方案更有可能在NMA中胜出。那么既然大型结构件对碳纤维复合材料推崇备至, 具体使用哪种材料就成为业内需要解决的问题。

 

不过,上述的推断很可能会受到单通道客机替代计划影响。波音和空客目前的单通道飞机737和A320仍然是航空制造业中最成熟的产品。如果选择大量使用复合材料生产这两种机型,那么以目前的热压罐固化技术, 实现以100架/月的速度为飞机制造复合材料结构及零部件,显然是不可行的。因此,开发新型单通道飞机几乎肯定会采用非热压罐的材料与工艺组合,进而大大缩短零部件的制造时间。

过去的两年间,一些新技术已经脱颖而出,可以肯定的是它们将在下一代的飞机制造中广泛应用。这些技术将包括热塑性复合材料、树脂灌注成型和树脂传递模塑(RTM)等。波音和空客都通过各类研发计划开发和测试上述技术,力求将技术成熟度逐步提升,并计划最晚于2025年前实现商用部署。

优步公司自行研制的eVLOT

优步公司自行研制的eVLOT

空客正通过联合多家公司以及开启一些备受瞩目的研究计划寻找航空制造业创新的解决方案,其中最引人注目的是“明日之翼”计划。该计划的目标是开发一种高生产率的商用飞机机翼结构制造方法,这种方法要比目前的机翼制造技术在所有可衡量的性能指标方面都实现成数量级的提升。该项目由GKN航宇公司、英国国家复合材料中心(NCC)、诺格公司、斯普利特航空系统公司和索尔维复合材料公司为核心共同推进。目前,该计划已经进入实施阶段,正在评估使用RTM制造机翼蒙皮、翼梁、翼肋和中央翼盒的效果。GKN在2019年巴黎航展中宣布已经为“明日之翼”计划生产了演示验证件,此后又在10月宣布交付缩比验证件制造工具。“明日之翼”计划的推出意味着在未来机翼制造过程中能够实现更好的自动化、更少的零件使用、更短的制造周期、更快的结构检测以及更快的工装速度。

对于航空制造业来说,机翼结构树脂灌注工艺并不是一项新技术,目前已经有两款商用飞机使用了这种制造方法:空客A220和伊尔库特MS- 21,均为单通道飞机。A220前身是由庞巴迪公司开发的C系列公务机,于2018年出售给空客公司。该机的树脂灌注机翼由庞巴迪公司位于北爱尔兰贝尔法斯特的工厂制造(庞巴迪公司于2019年10月将该工厂业务出售给斯普利特航空系统公司,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。其机翼由俄罗斯航空复合材料公司制造,使用的是索尔维公司提供的单组分树脂体系。空客A220和MS-21的例证表明,树脂灌注成型对商用飞机而言是可行的, 但是这两款飞机的树脂灌注速度都相对较慢。该技术必须进一步成熟到可以满足高速率制造的要求。树脂灌注成型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,因此多年来,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的机身。如果使用现有的复合材料和工艺制造更薄的蒙皮,机身的成本和重量均难以承受。因此,找到一种能够提供轻薄机身且成本恰当的复合材料及工艺组合,是单通道飞机应用复合材料机身所面临的最大挑战。热塑性复合材料则瞄准机身结构作为主要应用对象。

在欧洲,这项工作正通过“洁净天空2”计划中的“下一代多功能机身验证”(MFFD)项目进行推进。该项目旨在最大限度地减少结构紧固件应用,增加机身、系统、货舱、机舱的一体性和集成度。热塑性复合材料可以通过焊接工艺满足上述要求。GKN Fokker公司是开发热塑性航空结构最活跃的公司之一,它们在2019年JEC复合材料展览中展示了为湾流航空公司制造的热塑性复合材料机身面板。该面板具有互连的网状焊接结构,体现了MFFD项目中所设想的多功能性。这表明该技术正逐步迈向成熟,有望在单通道商用飞机中应用。

特别是波音公司正努力将尺寸不大的结构部件(支架、夹具、紧固件等) 由热固性复合材料转化为使用热塑性复合材料。专门从事连续压制成型的热塑性复合材料专家ATC制造公司, 正在领导这项工作。除了机身,热塑性复合材料已经在现役飞机其他结构中取得重要应用进展。

来自英国的树脂制造商Victrex推出了一款名为PAEK AE250的低熔点聚芳醚酮(PAEK)树脂,可在生产线中预浸碳纤维带和层压板,在复合材料行业中引起轰动。目前航空制造业中广泛使用的热塑性复合材料主要树脂成分为聚醚醚酮(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加快材料的加热/冷却周期,缩短循环时间,提高制造效率。利用这种温度的差距,可实现在PAEK层压板上注塑成型PEEK基结构,如肋条、固定夹等。索尔维公司于2019年9月宣布扩大其在美国加利福尼亚州阿纳海姆工厂的产能。该工厂主要生产用于PEEK、PEKK或PAEK树脂预浸的碳纤维单向带。自2016年以来,不断地扩建和工艺流程的持续优化,已经使该工厂的产能提升了4倍。在热塑性复合材料的原材料方面,欧洲也取得了最新进展。

3、传统的热固性复合材料仍有发展空间

尽管热塑性复合材料技术发展热度持续升温,但热固性复合材料目前仍然是生产大尺寸 机身面板的主力军。斯普利特航空系统公司在2019年的巴黎航展中推出了其最新研发用于单通道飞机的ASTRA(先进结构技术和革命性结构)机身面板。为开发这款面板, 斯普利特公司研发了一种名为“薄板桁条技术”的新机身设计。斯普利特公司表示,与现有的结构和生产方法相比,ASTRA可以节省30%的成本, 并且可满足每月60件的出货速度。通过物理性能详细测试,ASTRA机身满足了对单通道飞机的所有强度和刚度要求。与斯普利特类似,虽然尺寸较小, 西班牙MTorres公司在巴黎航展上展出了另外一种肋条增强“网格/蒙皮结构”。该结构是通过树脂浸渍干碳纤维制成的。一旦在工装中制造了肋条, 就可以通过AFP/ATL工艺在其上铺放蒙皮结构,然后再将结构整体固化。

除生产工艺创新,碳纤维供应链一直致力于为下一代的航空航天装备开发和定位新产品。2017年, 日本东丽公司推出T1100/3960预浸料, 具有出色的强度和刚度。2019年,T1100/3960预浸料已经通过斯普利特公司的考核验证,并且已经应用于制造ASTRA机身面板验证件。美国赫式公司也推出了高强高模碳纤维HexTow HM50。日本帝人公司在2019年1月宣布,其Tenax碳纤维和热塑性碳纤维单向预浸带(Tenax TPUD)获得波音公司的认证,并且已经列入波音的合格产品目录。此外,韩国晓星集团曾在2018年底推出了一款面向航空航天市场的高强中模碳纤维,并于2019年6月与沙特阿美公司签署谅解备忘录,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依然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。

新兴航空市场发展有助于复合材料行业持续增长

航空制造业在未来20年对于新飞机的需求量仍然是较大的,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发展的推动作用明显。

1、超声速飞机“归来”,先进复合材料是应用关键

超声速飞机虽然一直不是主流, 但在全球商用航空市场中仍占据冰山一角。现在有几家公司正试图恢复超声速飞机往日的荣光,其中,美国Boom航宇公司正在研发全复合材料的超声速飞机,命名为“序幕”(Overture)。Boom公司在2019年的巴黎航展中表示,Boom即将完成XB-1原型机的研发工作,该机是“序幕”的缩比验证机,将于2020年夏天正式推出。“序幕”的最高时速为2.2马赫,巡航高度为60000英尺(约19354米),仅需7个小时即可将运送55~75名旅客从悉尼飞抵洛杉矶,从华盛顿特区飞往伦敦仅需3.5小时。另外,“序幕”将使用普罗米修斯燃料公司提供的一项创新技术——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,从而使飞机实现零碳排放超声速飞行。

超声速飞机的归来,对飞机结构设计有了新的要求:除了继续追求轻量化外,对于结构尖端边缘部位的热防护也尤其关键,先进复合材料也是超声速飞机能否完美“归来”的关键。

2、航空电气时代到来,先进复合材料是核心技术

城市空中交通(UAM)作为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年仍明显展现了增长态势。UAM包括各种小型飞机(可容纳4~10名乘客), 飞机的工作范围有所不同,具体取决于飞行器的大小及其推进系统,其目标是在城市内或城市间运送人员或物资。优步公司正在自行研发的电动垂直起降飞机(eVTOL)最大续航里程仅为60英里(96千米)。考虑到对结构重量对电池电量影响,在eVTOL中使用轻质复合材料结构已经成为刚需。因此, 超过150家eVTOL的开发商正在大力投资和招募复合材料工程人才。这一领域面临的挑战是,eVTOL市场很可能需要建立与商用航空市场同等严格的认证标准,但同时产品定位上又要求取得更高产量,逐步延伸至汽车领域。在这种需求的驱动下,人们追求复合材料制造流程的自动化,以实现生产效率提升、成本降低、质量提高并达到产品合格率要求。尽管发展迅速,但在eVTOL投入运营前,仍有许多工作要做:包括产品认证、空域管理、安全标准、起降位置等还有待制订和确定。首批eVTOL可能要到2024~2025年前后才被允许投入运营。

除eVTOL外,UAM领域内另一种将极大消耗复合材料的产品是全电动商用飞机。2019年巴黎航展中展出了Alice,是由以色列Eviation公司开发的全电动、全复合材料飞机。Alice是一款9座的支线客机,其巡航速度约为445千米/时,续航里程为1000千米。公司预计将于2020年底或2021年初获得认证。

Alice的诞生预示着商用航空运输的一个新兴领域——全电动支线运输机时代即将到来。eVTOL和电动飞机(混合动力推进系统)的发展,不仅是能源系统的一次革命,同时也是对飞行器布局和结构设计的创新。从现有的发展趋势判断,先进复合材料无疑是主要结构用材的“种子选手”,是航空电气时代的核心技术之一。

作为21世纪第三个10年的开局, 复合材料行业在经过了产业调整和行业洗牌后,即将开启全新篇章。由航空航天带动发展的先进复合材料,已经逐步向汽车、风电能源、船舶甚至轨道运输行业辐射,中低端复合材料也将在医疗器械、文娱体育等民用产品中取得广泛应用,释放产能过剩的压力。总体来看,未来10年,复合材料将呈现性能不断突破、应用全面普及的多元化发展态势,成为推动材料科学、技术和产业的进步主要动能。

责任编辑:实习生 张若瑛