航空航天用復合材料技術的快速發(fā)展，使研制和應用高性能結(jié)構復合材料、結(jié)構/功能一體化的材料成為可能，先進的復合材料技術將給整個航空航天系統(tǒng)的研發(fā)提供強有力的技術支持。航空航天工業(yè)的一些細分市場過去已經(jīng)經(jīng)歷了不同程度、周期性的衰退，航天工業(yè)的復合材料市場競爭非常激烈，而只有那些既專注于特殊的小微市場又關注市場中的特色產(chǎn)品的公司才能獲得競爭優(yōu)勢。

近日，印度Composite Insights公司分析了全球航空航天能源產(chǎn)業(yè)，并公布其研究成果《全球航空航天復合材料工業(yè)2014~2019：趨勢和預測分析》。該報告指出，全球航空航天業(yè)復合材料的需求在過去三年期間顯著增加，主要歸因于持續(xù)向上的新型和現(xiàn)有的大型商用飛機的生產(chǎn)，以及民用直升機和公務噴氣機市場某些機型的增長。與此同時，整個民用航空業(yè)都開始在每款新一代飛機中更大比例地使用先進復合材料。

Composite Insights公司相關負責人表示，雖然2013年B787客機是增長的主要驅(qū)動力，但Composite Insights預測，A350飛機在未來幾年內(nèi)將成為復合材料顯著增長的主要驅(qū)動力?？湛秃筒ㄒ艄揪媱澙^續(xù)增加組裝量以反映市場需求，2014年及以后制造商交付的飛機數(shù)量再次被設定為增長。無論經(jīng)濟狀況如何，不斷增長的航空旅行需求及燃料價格上升將確保對更新型、更高效飛機的需求，也就是說，民用航空航天用產(chǎn)業(yè)用復合材料的需求與發(fā)展將會更上一層樓。

加強供應鏈管理分散技術風險 

近年來，隨著產(chǎn)業(yè)用復合材料及其加工技術和檢測維修技術的飛速發(fā)展，復合材料在航空航天飛行器上的用量正大幅提高，這一跨越性的轉(zhuǎn)變在整個航空界都激起波瀾，新材料需要新技能、新設備、新方法。先進復合材料及其相關技術經(jīng)過多年應用和發(fā)展進步，不僅日趨成熟而且價格也大幅降低，還為新一代復合材料飛機的出現(xiàn)奠定了基礎。反過來講，復合材料航空材料的發(fā)展也促進了復合材料市場的快速增長，并進而對航空工業(yè)傳統(tǒng)的供應鏈乃至航空結(jié)構維修供應鏈帶來新變化。

哈爾濱工業(yè)大學材料科學與工程學院教授沈軍指出，航空生產(chǎn)供應鏈可簡單地概括為4類主要參加者，包括：負責系統(tǒng)集成和總裝工作的飛機和發(fā)動機制造商（OEM）；直接向OEM出售主要部件及航空結(jié)構件的一級供應商；向一級供應商及OEM出售其生產(chǎn)的部件和零件的二級供應商，以及提供纖維樹脂、預浸帶和金屬材料的原材料供應商。

如今，越來越多的飛機制造商開始采取類似汽車工業(yè)的策略，把重點放在組裝和系統(tǒng)集成方面，而削減內(nèi)部航空結(jié)構的生產(chǎn)能力。實際上，這就意味著飛機制造商將更多地依靠一級供應商來提供設計和供應鏈管理，同時減少與二級供應商的互動，從而把商業(yè)及技術風險轉(zhuǎn)移到它的供應鏈的參與者身上。波音公司最近將威奇托和塔爾薩的生產(chǎn)部分剝離就是最好的例證。

目前一級供應商正在忙于鞏固和擴大飛機制造商逐步放棄的集成和供應鏈管理業(yè)務，這種新型的一級供應商必須具有足夠大的規(guī)模和能力，以獲得必要的投資來保持其競爭力。

材料研究滯后阻礙航空業(yè)發(fā)展 

國內(nèi)復合材料經(jīng)過了多年的發(fā)展歷程，現(xiàn)在已經(jīng)基本自成體系，無論在原材料、構件成型，還是工程應用等方面，都已初具規(guī)模。但是就國內(nèi)目前的現(xiàn)狀看來，幾十年的發(fā)展對于一種高新材料而言，遠遠不夠。不可否認，材料研究的滯后嚴重阻礙了國內(nèi)航空用高性能復合材料研制的步伐，甚至是整個航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

原航空工業(yè)部首批研究員級高級工程師楊超凡認為，目前，國產(chǎn)碳纖維原絲質(zhì)量不穩(wěn)定，纖維強度較低且離散性較大，航天動力用碳纖維復合材料均為進口碳纖維；PBO增強復合材料是未來先進復合材料主要發(fā)展方向之一，而我國的PBO纖維至今完全依賴進口；國內(nèi)制備C/SiC復合材料的先驅(qū)體樹脂陶瓷產(chǎn)率低，這些短板，嚴重制約了國內(nèi)航空復合材料的發(fā)展。

此外，發(fā)達國家已經(jīng)將無損檢測和質(zhì)量監(jiān)控作為航空復合材料研究與應用的先導課題進行了大量的投入，在以航空航天復合材料為主要對象的新材料、新結(jié)構的檢測技術研究中也取得了一定成果。而在國內(nèi)，復合材料無損檢測技術的研究雖然起步不晚，但因重視不足，投資力度不大，在設備商品化和檢測技術的實際應用方面，與國外還有較大差距，這種狀況勢必成為復合材料開發(fā)和應用的障礙，影響我國航天材料產(chǎn)品的技術水平和競爭能力。

專注特殊小微市場尋求優(yōu)勢所在 

新材料是航空技術的重要基礎，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級換代和高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導，是航空工業(yè)發(fā)展中最具活力和發(fā)展?jié)摿Φ念I域。中國合成樹脂供銷協(xié)會副理事長兼秘書長鄭塏表示，在新一代民用大型客機中，繼鋁、鋼、鈦等材料后，產(chǎn)業(yè)用復合材料將成為四大航空材料之一，并有望坐上飛機材料使用量的“頭把交椅”。

航空航天用復合材料技術的快速發(fā)展，使研制和應用高性能結(jié)構復合材料、結(jié)構/功能一體化的材料成為可能，先進的復合材料技術將給整個航空航天系統(tǒng)的研發(fā)提供強有力的技術支持。中國科學院院士曹春曉表示，航空航天工業(yè)的一些細分市場過去已經(jīng)經(jīng)歷了不同程度、周期性的衰退，航天工業(yè)的復合材料市場競爭非常激烈，而只有那些既專注于特殊的小微市場又關注市場中的特色產(chǎn)品的公司才能獲得競爭優(yōu)勢。

“根據(jù)不同的材料和小微市場情況顯示，目前，行業(yè)內(nèi)相關的競爭元素主要包括產(chǎn)品認證、技術、產(chǎn)品性能、交貨期、服務和價格。依靠新民機項目，用新民機項目作為復合材料的研發(fā)平臺，集中國內(nèi)有關專業(yè)力量，在民機領域內(nèi)建立復合材料有關的材料、設計、制造、試驗等標準，多方位尋求功能一體化，才能真正發(fā)展成為能為民用航空產(chǎn)品提供復合材料的產(chǎn)業(yè)。”曹春曉說。

復合材料在航空領域應用情況 

顯著提高戰(zhàn)斗機作戰(zhàn)性能 

為滿足新一代戰(zhàn)斗機對高機動性、超音速巡航及隱身的要求，進入上世紀90年代后，西方的戰(zhàn)斗機無一例外的開始大量采用復合材料結(jié)構，用量一般都在25％以上，有的甚至達到35％，結(jié)構減重效率達30％。應用部位幾乎遍布飛機的機體，包括垂直尾翼、水平尾翼、機身蒙皮以及機翼的壁板和蒙皮等。如美國第四代戰(zhàn)斗機F-22復合材料用量已達到24%，而EF2000更高達43％，EF2000除鴨翼外，機身、機翼、腹鰭、方向舵都采用復合材料，“濕潤”結(jié)構表面的70％為復合材料，陣風也是如此，70％的“濕潤”表面為復合材料，重量約為947kg。F-35的復合材料幾乎覆蓋了整個飛機外表面。

大幅增加無人戰(zhàn)斗機載油量 

無人戰(zhàn)斗機是未來航空武器的一個重點發(fā)展方向。國外目前研制的無人機以復合材料和傳統(tǒng)鋁合金的混合結(jié)構為主，如“捕食者”、“全球鷹”等均是如此。其中“全球鷹”的機翼和尾翼由石墨/環(huán)氧復合材料制造，復合材料占結(jié)構重量的65%。為滿足采購政策、隱身性能、機動性、生存力對材料的特殊需求，盡可能提高燃油裝載量，無人戰(zhàn)斗機結(jié)構的一個顯著特點就是大量應用復合材料。以波音公司的X-45A為例，除機身的龍骨、梁和隔框采用高速切削鋁合金外，其余的機體結(jié)構都是由復合材料制成。諾斯羅普格魯門公司的X-47A的機體除一些接頭采用鋁合金外，整個機體幾乎全部采用了復合材料。

明顯增大運輸機有效載重量 

大型軍用運輸機C-17中復合材料主要用于次要結(jié)構，如雷達罩、整流罩、操縱面、口蓋、翼梢小翼蒙皮等，復合材料重量約為7258k，占該機結(jié)構重量的8.1%。而歐洲EADS正在研究的A400M屬于新一代大型軍用運輸機，在材料應用技術上有了一個新的飛躍，主要表現(xiàn)為先進復合材料占結(jié)構重量的35%~40%。與C-17不同的是，在A400M上，碳纖維復合材料用于一些主承力結(jié)構，而C-17的復合材料結(jié)構重量比僅為8%，且主要用于操縱面及次要結(jié)構。A400M的機身仍由傳統(tǒng)的鋁合金制成，但卻開創(chuàng)了采用碳纖維復合材料制造大型運輸機機翼的先河，機翼長達19米，令業(yè)界頗為矚目。

極大提升民用飛機市場競爭力 

波音、空客兩家大型民用客機制造商均將其視為實現(xiàn)新飛機機體減重及降低直接運營成本的有效途徑，降低油耗、易于實現(xiàn)結(jié)構/艙內(nèi)材料的一體化。如在新一代波音787飛機上，復合材料用量將達到50%，創(chuàng)大型客機復合材料的應用紀錄。歐洲空中客車公司在新近研制的A380型寬體客機的機翼和機身結(jié)構上均采用了先進復合材料，用量已占結(jié)構重量的25%，其中碳纖維增強復合材料占22%，另采用了3%玻璃纖維增強的鋁合金層板復合材料Glare。在機翼前緣等處還采用了聚苯硫醚熱塑性復合材料。該公司目前正在研制的新一代客機A350，復合材料的應用比例也將達到39%。

高超聲速飛行器上天關鍵 

高超聲速技術主要指研制高超聲速（Ma>5）飛行器所需的相關技術。以NASA開發(fā)的第二代可重復使用航天飛機為例，油箱內(nèi)襯為復合材料。在推進系統(tǒng)中將采用陶瓷基復合材料發(fā)射斜軌、金屬基復合材料機匣以及樹脂基復合材料涵道。此外還將采用復合材料電子設備艙。第三代可重復使用航天飛機將為智能結(jié)構，具有自適應熱防護系統(tǒng)及智能化無損檢測裝置，自愈合的飛機結(jié)構及表面。發(fā)動機材料將可能使用經(jīng)冷卻的復合材料、金屬基復合材料加力燃燒室殼體、超高溫復合材料。結(jié)構材料將包括超高溫樹脂基復合材料、低成本耐腐蝕熱防護系統(tǒng)復合材料液氧油箱。

減重同時改善直升機抗墜毀性 

直升機采用復合材料不僅可減重，而且對于改善直升機抗墜毀性能意義重大，因而復合材料在直升機結(jié)構中應用更廣、用量更大，不僅機身結(jié)構，而且由槳葉和槳轂組成的升力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)也大量采用樹脂基復合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升機均大量采用了復合材料，如頃轉(zhuǎn)旋翼飛機V-22用復合材料近3000公斤，占結(jié)構總重的45％左右，法德合作研制的“虎”式武裝直升機，復合材料用量更高達77％。此外，先進復合材料在航空發(fā)動機上也得到成功應用。航空發(fā)動機使用碳纖維增強樹脂基復合材料取代金屬材料可以有效減輕發(fā)動機重量，降低燃料消耗，增加航程。

航空復材應用歷程 

軍用飛機 

第一階段：復合材料主要用于受力較小或非承力件，如艙門、口蓋、整流罩以及襟副翼、方向舵等。

第二階段：復合材料主要用于垂尾、平尾等尾翼一級的次承力部件，以F-14硼/環(huán)氧復合材料研制成功作為標志，此后F-15、F-16、F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了復合材料尾翼，此時復合材料用量大約只占全機結(jié)構重量的5%。

第三階段：復合材料開始應用于機翼、機身等主要的承力結(jié)構，受力很大，規(guī)模也很大，主要以美國原麥道公司研制成功FA-18復合材料機翼作為里程碑，此時復合材料用量已提高到了13%，軍機結(jié)構的復合材料化進程進一步得到推進。

此后世界各國所研制的軍機機翼一級的部件幾乎無一例外地都采用了復合材料，其復合材料用量不斷增加，如美國的AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、法國的“陣風”（Rafale）、瑞典的JAS-39、歐洲英、德、意、西四國聯(lián)合研制的“臺風”（EF2000）、俄羅斯的C-37等。

需要指出的是，繼機翼、機身采用復合材料之后，飛機的最后一個重要部件——起落架也開始了應用復合材料，向著全機結(jié)構的復合材料化又邁進了一步。復合材料用在起落架上是代鋼而不是代鋁，可有更大的減重空間，一般可達40%左右。

民用客機 

第一階段：采用復合材料制造受力很小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構件。

第二階段：制造升降舵、方向舵、襟副翼等受力較小的部件。

第三階段：制造垂尾、平尾受力較大的部件，突破了尾翼級部件在大型客機上的試用，隨后B777設計應用了復合材料垂尾、平尾，共用復合材料9.9噸，占結(jié)構總重的11%。

第四階段：在飛機最主要受力部件機翼、機身上正式使用復合材料，如波音公司正在研制的B787“夢想”飛機，其復合材料用量達50％。A380超大型客機，其復合材料用量達25%，主要應用部位包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、機身地板梁和后承壓框等，開創(chuàng)了先進復合材料在大型客機上大規(guī)模應用的先河。

航空復材零件制造成型技術 

1.樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形技術（RTM）。樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型技術是一種低成本復合材料制造方法，最初主要用于飛機次承力結(jié)構件，如艙門和檢查口蓋。

2.樹脂浸漬技術（RFI）。RFI工藝是一種樹脂膜熔滲和纖維預制體相結(jié)合的低成本復合材料成型技術。該技術由于只采用傳統(tǒng)的真空袋壓成型方法，免去了RTM工藝所需的樹脂計量注射設備及雙面模具的加工，在制造出優(yōu)異的制品的同時大大降低了制品的成本，目前主要應用于飛機雷達天線罩。RFI適用于大平面或不太復雜的曲面。A380的機翼后緣和后壓力隔框，波音787機身的大部分隔框，GEnx的風扇機匣都是采用RFI技術制造。RFI的關鍵工藝技術包括：預形件成型、樹脂流動模擬及控制、編織及縫合設備研究。

3.纖維纏繞（Filament Winding）。航空航天用復合材料的研究現(xiàn)狀、制備方法、原理和運用該工藝主要用于空心、圓形及橢圓零件，如管路及油箱。纖維束通過一個樹脂池浸漬后纏繞到芯軸上，纏繞方向和速度由纖維進給裝置控制。這是一項已經(jīng)發(fā)展較為成熟的技術，無論是在自動化、速度、厚度變化、質(zhì)量和纖維方向上都得到了巨大改進。它是筒形件的低成本快速制造方法。在GEnx風扇包容機匣預形件的制造中，采用了一種編織帶纏繞技術，即將編織好的石墨纖維帶通過滾筒在芯軸上纏繞數(shù)十層，制成預形件。

4.自動鋪帶技術（ATL）。ATL采用有隔離襯紙的單向預浸帶，剪裁、定位、鋪疊、輥壓均采用數(shù)控技術自動完成，由自動鋪帶機實現(xiàn)。按所鋪放構件的幾何特征，自動鋪帶機可分為平面鋪帶和曲面鋪帶，系統(tǒng)由臺架系統(tǒng)和鋪帶頭組成。

5.自動鋪絲技術（AFP）。自動鋪絲技術相對較新并在近年格外受到關注。它兼顧了自動鋪疊與纖維纏繞的優(yōu)點。能夠制造復雜形狀結(jié)構件，對纖維角度不限制。而且具有極大減少生產(chǎn)成本的潛力。

航空復材無損檢測方法 

1.渦流檢測法。渦流檢測法的基本原理是渦流探頭中線圈通以交變電流后能產(chǎn)生交變磁場。此方法適用于可以導電的碳纖維增強復合材料，對照標準試樣，可以檢測出碳纖維增強復合材料的含量與缺陷，而對玻璃纖維增強復合材料以及凱夫拉纖維增強復合材料不適用。

2.射線檢測法。射線檢測法是航空航天復合材料無損檢測的主要技術之一，具有4個分支不同的檢測方法：X射線照相檢測法，根據(jù)穿過不同材料的衰減量不同引起透射射線強度的變化，而在膠片上呈現(xiàn)明暗不同的影像，從而檢測出被測物體中存在的缺陷；X射線實時成像檢測法，該方法的特點在于檢測效率高，可實現(xiàn)缺陷的在線檢測，且圖像處理后可進行缺陷的自動評定；X射線計算機斷層掃描法，即工業(yè)CT技術，工業(yè)CT技術對固體火箭發(fā)動機的絕熱層和藥柱中的氣孔、夾雜、裂紋及脫粘等常見缺陷具有很高的檢測靈敏度，并能準確測定器尺寸和部位；X射線斷層形貌成像法，X射線旋轉(zhuǎn)硬毛成像法作為一種X射線斷層形貌成像法，已經(jīng)應用在直升機不減的質(zhì)量評價中以及衛(wèi)生微博反射器復合材料的碳纖維取向測量中，精度達到±0.1°。

3.超聲波檢測法。該方法主要利用復合材料本身或其缺陷性的聲學性質(zhì)對超聲波傳播的影響來檢測材料內(nèi)部和表面的缺陷，具有靈敏度高、穿透性強、檢驗速度快、成本低和對人體無害的等優(yōu)點。

4.光學檢測法。該方法可以檢測出在試樣加載時引起溫度變化或表面變形的缺陷，具有紅外線熱成像法、激光全息無損檢測法和剪應力成像法三種技術。其中，紅外線成像法可用于檢查噴漆發(fā)動機渦輪葉片和機舵的質(zhì)量，精度高，測量范圍廣；激光全息無損檢測法是一種干涉計量數(shù)，其干涉計量精度與激光波長同數(shù)量級，因此極微小的變形也能被檢測出來；剪應力成像法可以自動指出航空航天復材諸如脫粘和分層等缺陷。

5.聲發(fā)射檢測法。聲發(fā)射技術已經(jīng)成為研究復合材料斷裂機理的一種重要手段。目前采用該技術可以檢測沒跟碳纖維或玻璃纖維絲束的質(zhì)量。此外，聲發(fā)射技術還可以對老舊飛機疲勞裂紋擴展的動態(tài)過程進行監(jiān)測。

航空復材市場分布情況 

航空復合材料由纖維和樹脂材料組成，根據(jù)纖維強度劃分，纖維加強型材料可分為碳纖維增強復合材料（CFRP）、玻璃鋼（GFRP）等，2013年，CFRP占整個航空復合材料市場的54.3%，GFRP占25.8%，預計到2018年，CFRP所占份額會增長到67.2%，玻璃鋼會減少至17.3%。

根據(jù)用途不同，航空復合材料可分為機身復合材料、航空發(fā)動機復合材料、飛機內(nèi)部復合材料。2013年，機身所用復合材料占總體的64.6%，航空發(fā)動機復合材料占6.9%，飛行器內(nèi)部占28.5%；預期到2018年，機身所占比重會提高到77.4%，航空發(fā)動機占4.8%，飛行器內(nèi)部占17.8%。

新的復合航空材料制造方法有非熱壓罐工藝（OOA），真空袋成型技術（VBO），壓縮鑄造法等。例如，非熱壓罐工藝（OOA）技術，使復合航空材料大量應用在航空器上成為可能，傳統(tǒng)的熱壓處理對零件的大小和產(chǎn)量都有限制，且工序繁雜，加工時間長，加工溫度高。使用OOA方法制造復合材料，可有效克服這些問題，并降低成本，降低廢品率。(中國紡織報)