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、废料可回收等需求的不断增加，复合材料正越来越多的进入制造业，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，航空工业中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涨的态势。陈济桁先生分为上下两篇对航空材料产业进行回顾和展望，数据解析 | 2019年航空复合材料产业发展回顾与展望（上）本文是下篇。
二、航空工业对于复合材料产业的影响较大
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”（sheet stringer technology）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。
图 1 在2019年巴黎航展上展出的ASTRA机身面板，采用了一种全新结构设计，斯普利特公司表示其能够满足下一代单通道飞机对强度、成本和生产率的要求。（图片来源：复合材料世界）
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。这一想法来自斯坦福大学名誉教授、复合材料领域资深专家、航空航天学教授史蒂芬·蔡（Stephen Tsai），他将肋条设计成网格状结构，每个肋条的宽度和高度固定，肋条的间距固定。肋条结构通过MTorres自动纤维铺放（AFP）设备，首先在第一层沿一个方向（A）上连续铺放碳纤维带，在垂直相交方向（B）上不连续铺放。随后在第二层将铺放顺序交换，在A方向上不连续铺放，在B方向连续铺放，逐层交替，以此类推，直到层叠厚度达到肋条所需厚度为止。通过这种方式，每个肋条的相交处都能够满足有连续碳纤维带增强。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。
图 2 MTorres为下一代飞机机身结构开发的“网格/蒙皮结构”上的肋骨相交处。肋条由连续和不连续的碳纤维带的交替层铺叠而成。（图片来源：复合材料世界）
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年末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。
三、新兴航空市场发展有助于复合材料行业持续增长
未来20年商用航空市场有望实现大幅增长。波音公司于2019年6月发布了《2019-2038年商用航空市场展望》，根据波音的预测，未来20年，全球将需要32420架单通道飞机，8340架双通道飞机，2240架支线飞机和1040架货运飞机。空客也发布了《2019-2038年全球航空市场预测》，将飞机分为大型、中型、小型3类，得出的结论与波音类似。空客预计，未来20年全球将需要29724架新小型飞机、5373架新中型飞机和4116架新大型飞机，其中包括共计855架大中型货运飞机。可以说，航空工业在未来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。可惜，自2003年“协和”飞机退役以来，目前已经没有超声速民航飞机还在运营。不过，现在有几家公司正试图恢复超音速飞机往日的荣光，其中最著名的就是美国Boom航宇公司。该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，根据官方最新消息，该机将于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。Boom公司表示，根据目前民航市场的机票价格衡量，按照每个座位单位里程价格计算，“序幕”的机票价格将极具竞争力。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音速飞行。
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，先进复合材料是几乎是不二之选，也是超声速飞机能否完美“归来”的关键。
图 3 Boom正在开发全复合材料超声速客机“序幕”，可在60000英尺的高度上以最高2.2马赫的速度飞行。（图片来源：Boom航宇公司）
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年仍明显展现了增涨态势。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（Uber）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。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公里。飞机尾部装有主推进器螺旋桨，而机翼末端配有2个额外的辅助旋翼推进器。公司预计这架定价400万美元的飞机将于2020年底或2021年初获得认证。
图 4 以色列Eviation的Alice是一款全复合材料、全电动9座飞机，航程为1000千米，巡航速度约445千米/时。该机有望在2021年初进行认证。（图片来源：复合材料世界）
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。尽管Alice只能容纳9名乘客，但其背后的技术正不断发展，未来有望取得突破，最终达到与目前支线客机相当的水平。波音与发动机制造商赛峰集团（Safran）的一些举措也侧面印证了这一点，两家公司于2019年9月宣布了对电力系统公司（EPS）的联合投资，该公司主要生产电力和混合电力储能系统，这些将适用于飞机推进系统。EPS也是继波音2018年投资锂电池技术公司Cuberg后，投资的第2家先进电池解决方案公司。此外，赛峰近期还投资了英国OXIS能源公司，该公司是市面上高能量密度电池系统锂硫电池技术的领导者。
图 5 空客E-Fan X混合动力演示验证机的渲染图。其发动机之一将由2兆瓦的电动机提供动力，并辅以发电机。（图片来源：空客）
空客公司正在研发混合动力演示验证机E-FanX。在这款测试飞机中，四个喷气发动机之一将被一个总功率达到2兆瓦的电动机取代。电动推进单元由发电系统和电池供电。当需要大功率时（例如在起飞时），发电机和电池共同提供能量。E-FanX有望在2021年首飞。
当汽车工业大踏步迈进电气时代之际，航空工业也兴起了电气化浪潮。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。
四、总结
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，未来十年，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。
（航空工业发展中心 陈济桁）