熱塑性復(fù)合材料、非熱壓罐成型、3D打印等未來復(fù)合材料技術(shù)正逐漸走向舞臺中央，氫儲罐、城市空中交通飛行器也將成為應(yīng)用復(fù)合材料的新市場。

商用飛機復(fù)合材料的未來

波音787和空客A350中使用的復(fù)合材料占單機重量的50%以上，它們也代表著復(fù)合材料在主承力結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的里程碑。然而，對這兩型飛機需求的不足，抑制了市場對用于制造飛機的復(fù)合材料——包括纖維、樹脂、膠粘劑等材料的需求。此外，由于航空復(fù)合材料供應(yīng)鏈相對比較集中，因此對于需求端的這種變化非常敏感。在這種現(xiàn)實條件下，這兩年的疫情爆發(fā)給服務(wù)于航空復(fù)合材料行業(yè)的材料供應(yīng)商和制造商帶來了諸多挑戰(zhàn)。

2020年4月30日，第二架波音777X首飛成功。從復(fù)合材料的角度來看，777X具有航空航天工業(yè)中最大的碳纖維復(fù)合材料機翼，翼展長達71.8m。

“明日之翼”計劃的首款全尺寸機翼原型件。

疫情可能推遲新款單通道飛機研發(fā)的時間，但并沒有改變空客和波音對未來單通道客機基本材料和工藝技術(shù)的要求。尤其是空客一直在與供應(yīng)商積極溝通，要求加快復(fù)合材料技術(shù)的成熟，并為飛機高速生產(chǎn)做好準備。

想要實現(xiàn)這個目標并非易事，因為航空航天工業(yè)目前已經(jīng)存在很多高品質(zhì)且經(jīng)過數(shù)十年應(yīng)用驗證過的材料。主機或者一些零部件制造商不會主動放棄這些物美價廉的成熟材料，只是其中大部分材料均需要采用熱壓罐固化。如果徹底擺脫熱壓罐固化過程，以目前的技術(shù)水平，需要使用液態(tài)樹脂灌注、樹脂傳遞模塑(RTM)、壓制模塑或索性更換使用熱塑性復(fù)合材料，無論是哪種方式，都需要對材料進行一定程度的鑒定，而材料鑒定是一個既耗時且成本高昂的過程。不過，如果主機制造商的最終回報是高效且具有成本效益的高質(zhì)量機身結(jié)構(gòu)或部件結(jié)構(gòu)，那么就擁有足夠的理由去完成相應(yīng)的材料鑒定。

GKN航宇公司設(shè)計的翼肋成為“明日之翼”演示驗證件上的第14號翼肋部件。

能夠讓廠商付諸這種努力，在航空復(fù)合材料行業(yè)中的一些項目中體現(xiàn)的最為明顯。目前最引人注目的項目就是空客發(fā)展多年的“明日之翼”計劃，該項目由一系列一級供應(yīng)商組成的團隊共同參與，旨在研發(fā)出用于制造單通道飛機機翼的非熱壓罐復(fù)合材料用材體系和工藝技術(shù)?！懊魅罩怼表椖康暮献骰锇榘绹鴦荼劁J航空系統(tǒng)公司（下機翼蒙皮灌注成型）、英國GKN航宇（翼梁、翼肋設(shè)計制造）、法國大合公司（翼梁、翼肋設(shè)計制造）、奧地利FACC公司（襟翼制造）和空客（上機翼蒙皮制造）自身。

空客于2021年9月22日宣布，已經(jīng)開始組裝第一個“明日之翼”的原型件。在整個項目完成過程中，將共制造三個全尺寸機翼原型件。第一個將主要用于了解系統(tǒng)集成；第二個將進行結(jié)構(gòu)測試，并與計算建模結(jié)果進行比對；第三個將完全裝配；并測試規(guī)?；a(chǎn)可行性，并與工業(yè)建模結(jié)果進行比較。

值得注意的是，“明日之翼”項目目前正在評估使用熱塑性復(fù)合材料制造翼肋。這項工作是非常值得關(guān)注的，因為即使在波音787和空客A350中，翼肋也是采用鋁合金制成的。翼肋轉(zhuǎn)向復(fù)合材料將是行業(yè)的重要里程碑，兩家一級航空航天制造商已開發(fā)出用于制造翼肋的復(fù)合材料和工藝。GKN航宇公司已經(jīng)完成了機翼第14翼肋部件的演示驗證件，該部件使用索爾維復(fù)合材料公司提供的碳纖維/聚醚酮酮單向預(yù)浸帶壓制成型工藝。法國大合公司也使用類似工藝開發(fā)了5個翼肋演示驗證件，主要采用了東麗先進復(fù)合材料公司提供的碳纖維/聚芳醚酮單向預(yù)浸帶。

大合集團在“明日之翼”項目中負責(zé)的五個翼肋和1個翼梁所在的位置。

大合集團同時還使用真空袋非熱壓罐熱固性復(fù)合材料為“明日之翼”制造了一款2m長的內(nèi)翼梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)使用美國赫式公司的177℃非熱壓罐固化M56環(huán)氧樹脂，預(yù)浸入赫式公司的AS4碳纖維織物和IM7單向碳纖維帶制造而成。翼梁制造的過程使用法國科里奧利復(fù)合材料公司的自動纖維鋪放（AFP）系統(tǒng)，這套系統(tǒng)目前支持材料的陽模制造。鋪層后，翼梁部件利用非熱壓罐工藝固化而成。

大合集團為空客“明日之翼”項目開發(fā)的內(nèi)翼梁結(jié)構(gòu)。

為飛機結(jié)構(gòu)開發(fā)新的復(fù)合材料和工藝的另一項重要工作，就是“潔凈天空2”（Clean Sky 2）計劃。這是一項針對使用復(fù)合材料和非復(fù)合材料的各類飛機零部件和系統(tǒng)技術(shù)的歐盟計劃?！皾崈籼炜?”中，與復(fù)合材料相關(guān)項目主要包括熱塑性復(fù)合材料在機身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用、熱塑性復(fù)合材料焊接技術(shù)、翼盒灌注工藝、3D打印技術(shù)、熱隔膜成型（HDF）等發(fā)展和應(yīng)用。

氫動力相關(guān)研究處于上升期

2020年6月，當法國政府宣布推行總價值170億美元的新冠疫情救助計劃與“潔凈天空2”計劃中發(fā)布的“氫動力航空”研究報告中的目標掛鉤時，氫動力商用飛機的發(fā)展前景突然變得非常明確，需求也變得迫切。法國航空公司也就此表態(tài)，希望到2024年，能夠?qū)鴥?nèi)航班執(zhí)飛過程中的二氧化碳排放量減少一半。

2020年9月，空客宣布啟動ZEROe計劃，該計劃包括三種飛機概念，每一種都由氫能源提供動力：

空客ZEROe計劃的三種飛機概念。

2021年4月，空客宣布了一項全新的ASCEND計劃，意在通過結(jié)合液氫和超導(dǎo)技術(shù)，演示驗證純電或混合電力推進系統(tǒng)?？湛捅硎?，將在其德國子公司UpNext建造一臺地面演示驗證機，其目標是與傳統(tǒng)推進技術(shù)相比，動力系統(tǒng)重量和電力損失至少減少50%，同時將效率提高5%～6%。使用超導(dǎo)技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)是需要長時低溫。ASCEND計劃演示驗證機搭載的動力系統(tǒng)將包含低溫冷卻系統(tǒng)、超導(dǎo)電機、低溫冷卻電機控制單元和超導(dǎo)配電系統(tǒng)（包括電纜和保護結(jié)構(gòu)）等。ASCEND計劃將2022—2023年選擇演示驗證概念方案，2025年制造出演示驗證機，并在2025—2026年確定最終飛機方案，以便完成其2035年前投入使用的目標。

隨著氫燃料推進系統(tǒng)的發(fā)展，無論氫燃料是氣態(tài)或是液態(tài)，復(fù)合材料在氫儲存和輸送中將扮演至關(guān)重要的角色。用于儲存氫能源的復(fù)合材料壓力容器主要為IV型——全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，通常具有聚合物（通常是高密度聚乙烯）襯里以及碳纖維或碳纖維/玻璃纖維混合復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料承擔(dān)全部結(jié)構(gòu)載荷。碳纖維IV型容器強度高、重量輕，由于所用纖維類型要求較高，因此往往比金屬儲罐成本更高。碳纖維在低溫儲罐中的使用更為受限，預(yù)計未來的主要研發(fā)工作將集中在這一領(lǐng)域。

美國環(huán)球氫能公司使用氫燃料電池推進系統(tǒng)改裝超過15架ATR 72 和德·哈維蘭公司的沖-8區(qū)域渦輪螺旋槳飛機。

從事儲氫的科技公司美國環(huán)球氫能，正在開發(fā)用于商用飛機的干碳纖維外包裹儲氫模塊。該公司在2021年7月宣布與冰島航空集團、諾斯特姆航空公司和阿拉斯加海盜航空公司簽署了意向書，推廣使用氫燃料電池推進系統(tǒng)改造超過15架ATR 72和加拿大德·哈維蘭公司的沖-8（Dash 8）系列區(qū)域渦輪螺旋槳飛機。

除了航空航天外，氫動力的發(fā)展所涉及領(lǐng)域非常廣泛，包括汽車/卡車運輸行業(yè)和軌道運輸行業(yè)等。受此影響，儲氫技術(shù)和產(chǎn)品目前也得以迅速發(fā)展。

城市空中交通

城市空中交通(UAM)有時也稱為先進空中交通(AAM)，該領(lǐng)域正在不斷發(fā)展和成熟過程中?？v覽全球，目前全球有100多家公司致力于開發(fā)用于空中出租車或貨運服務(wù)的UAM飛行器，但只有少數(shù)公司獲得了足夠的資金來生產(chǎn)飛行器原型機或概念驗證機。比較有代表性的有美國貝塔科技公司、喬比航空、德國Lilium、德國Volocopter公司、英國垂直航空公司等。

英國垂直航空公司是一家專注于零排放航空的全球航空航天和技術(shù)公司，已獲得超過2億美元的外部融資，用于支持VA-X4 eVTOL飛行器的生產(chǎn)和認證。

盡管從技術(shù)上講，UAM的數(shù)量可能不會像汽車那樣多，但預(yù)期的市場總量代表了航空航天復(fù)合材料行業(yè)前所未有的變化，即使是每年增加1000架UAM飛行器，航空結(jié)構(gòu)所需的復(fù)合材料也將要求高產(chǎn)能。正因為如此，復(fù)合材料行業(yè)預(yù)計對更高效、一致性更好、自動化程度更高、成本效益更好的航空結(jié)構(gòu)制造需求更加迫切，整個行業(yè)也將面臨范式轉(zhuǎn)變。復(fù)合材料制造邁向上述真正的“工業(yè)化”，被認為是該行業(yè)整體成熟的必要條件，但由于缺乏強大的市場驅(qū)動力，這使工業(yè)化進程變得虛幻而不切實際。不過，隨著UAM領(lǐng)域的發(fā)展，復(fù)合材料行業(yè)目前擁有了實現(xiàn)工業(yè)化的潛在驅(qū)動力。

所有UAM飛行器制造商都必須在設(shè)計制造中大量使用復(fù)合材料。鑒于制造商目前大多是仍處于原型機設(shè)計或演示驗證階段，使用的材料和工藝都主要專注于使用合格技術(shù)，包括人工鋪放和熱壓罐固化。如果每年UAM飛行器的市場需求為數(shù)百架數(shù)量級，那么這種技術(shù)已經(jīng)足以滿足需求。但隨著市場的增長和年產(chǎn)量的擴張，必須開發(fā)使用其他材料和工藝技術(shù)才能實現(xiàn)產(chǎn)量擴張需求。非熱壓罐材料和工藝，包括熱塑性復(fù)合材料等，幾乎肯定會因為UAM的發(fā)展而加速成熟和應(yīng)用。

為應(yīng)對UAM領(lǐng)域每年可能需要的大量高模量/高強度碳纖維，整個復(fù)合材料行業(yè)需要做到：通過自動纖維/纖維帶鋪放工藝提高自動化程度，擴大壓縮和拉擠工藝的使用，戰(zhàn)略性地使用纖維增強增材制造工藝、自動粘合和焊接工藝、實時在線檢測技術(shù)，增加使用低能耗材料，大量使用回收材料，大力開發(fā)和采用可持續(xù)能源、材料和工藝策略，盡量少或者不產(chǎn)生廢物等。喬比航空也在其公開聲明中也發(fā)表過類似觀點。

復(fù)合材料供應(yīng)鏈顯然正在密切關(guān)注UAM市場。整個2021年，一些纖維、樹脂和預(yù)浸料供應(yīng)商已顯著轉(zhuǎn)向UAM領(lǐng)域，特別是在商用航空需求因新冠疫情影響持續(xù)下降的現(xiàn)狀下。UAM有望在未來幾年甚至幾十年成為復(fù)合材料和工藝創(chuàng)新與發(fā)展的主要驅(qū)動力。

結(jié)束語

與2020年相比，2021年全球航空航天復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展略顯平淡。其主要原因還是新冠疫情的影響導(dǎo)致航空航天市場產(chǎn)生較大波動，增漲放緩，加上波音等頭部廠商分心解決737MAX系列復(fù)飛、787系列質(zhì)量問題，新需求迫切性降低，新技術(shù)發(fā)展放緩，因此航空航天業(yè)對于復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展的推動力有所減弱。

總的來看，航空航天領(lǐng)域依然對復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展具有重要的牽引作用。技術(shù)發(fā)展雖然出現(xiàn)短暫停滯，但正是這樣的機會讓已經(jīng)形成共識的先進工業(yè)技術(shù)擁有了成熟的窗口期，熱塑性復(fù)合材料、非熱壓罐成型、3D打印等未來將在復(fù)合材料行業(yè)扮演重要角色的核心技術(shù)正逐漸走向舞臺中央。此外，氫儲罐、城市空運交通正飛速發(fā)展，復(fù)合材料將在未來幾年收獲更多的市場機遇和份額空間。

凜冬即將過去，復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展依然值得期待。（作者：陳濟桁，航空工業(yè)發(fā)展研究中心）

關(guān)鍵詞： 復(fù)合材料 航空航天