航空復合材料行業發展概況及特點趨勢挑戰
經過40多年的研究與發展，我國先進復合材料的技術水平不斷提高，復合材料在各類型飛機上的使用范圍不斷擴大，復合材料用量也隨著應用范圍的擴大而快速增加。隨著飛機對結構輕量化、高性能化、結構功能一體化的要求日益提升，復合材料在飛機的應用占比將持續增加，航空復材零部件制造業將迎來更大的發展機遇。
1、復合材料及其在航空零部件領域的應用
復合材料是指由兩種或兩種以上具有不同物理、化學性質的材料，以微觀、介觀或宏觀等不同的結構尺度與層次，經過復雜的空間組合而形成的新型材料。目前，航空復材零部件制造業所使用的復合材料主要為碳纖維增強的樹脂基復合材料。復合材料相比金屬材料的特點主要有：
（1）比強度和比模量較高
復合材料表現出與金屬材料不同的力學性能特征，比強度是指材料強度與密度的比值，比模量是指材料彈性模量與密度的比值，高比強度和比模量意味著較少的材料能承受較高的載荷。由上表可知高強度復合材料的比強度是鈦合金的近5倍，比模量是鈦合金的近4倍，遠超金屬材料，因此在相同的強度要求下，使用高強度復合材料相比金屬材料能大幅降低航空器結構重量，增加航空器航程，充分體現出節能減排的效益。
（2）各向異性和性能可設計性
層壓復合材料是由單向預浸帶逐層疊合并固化而成的，宏觀上表現出非均勻性和各向異性。單向帶沿纖維方向的性能與垂直纖維方向的性能差別很大，因此按不同的方向鋪設不同比例的單向帶，可以設計出不同性能的層壓板來滿足不同的結構要求，這種性能可設計性也叫性能“剪裁"。通過這種“剪裁”，可以使復合材料的效率充分發揮。例如在主承力方向，可以適當增加纖維含量比例以達到提高承載能力的效果，而不需要額外增加結構的重量。各向異性也給結構設計、分析和制造增加了困難，這是復合材料結構設計的特點之一。
（3）損傷、斷裂和疲勞
復合材料的各向異性、脆性和非均質性，特別是層間性能遠低于層內性能等特點，使復合材料層壓板的失效機理與金屬完全不同，因而它們的損傷、斷裂和疲勞性能也有很大差別。另外，復合材料構件制造目前主要靠人工鋪疊和熱壓成形，再加上加工、運輸過程中可能受到的外來物沖擊，其制件會比金屬制件更易帶有程度不等的缺陷或損傷。
（4）環境影響
除了極高的溫度，一般不考慮濕熱對金屬強度的影響，但復合材料結構必須考慮濕熱環境的聯合作用。這是因為復合材料的基體通常為高分子材料，濕熱的聯合作用會降低其玻璃化轉變溫度（使用上限溫度），從而引起由基體控制的力學性能（如壓縮、剪切等）的明顯下降。
（5）導電性
金屬有著良好的導電性，復合材料的導電性則差得多。因此對復合材料的結構設計必須有專門的防雷擊措施，油箱部位要有專門的防靜電設計，同時對安裝大量儀器儀表的設備艙和雷達罩，要進行特殊的電磁相容性設計。
綜上，復合材料在航空器應用的最主要原因在于減輕航空器重量、增加航程，同時復合材料還具備耐腐蝕性、可設計性、抗疲勞性、熱膨脹系數低、電磁屏蔽性好等優點；但是復合材料同時存在材料昂貴、在濕熱條件下性能降低、易發生沖擊損傷等劣勢。
2、行業發展情況
（1）復合材料在軍用飛機上的應用
復合材料在軍機應用的部件從小受力構件向主承力構件發展，應用情況分為四個階段：第一階段是應用于受載不大的簡單零部件，如各類口蓋、舵面、阻力板、起落架艙門等；第二階段是應用于承力較大的尾翼等次級主承力結構件，如垂直安定面、水平安定面、全動平尾、鴨翼等；第三階段是應用于主承力結構，如機翼盒段、機身等；第四階段是應用于起落架系統等。根據中國航空工業集團公司復合材料技術中心主編的《航空復合材料技術》，2000年前后世界先進軍機中復合材料用量占全機結構重量的20%-50%不等，如B-2隱形轟炸機使用的復合材料占飛機總重量高達50%。
我國從20世紀60年代開始進行復合材料在飛機結構上應用的研究；70年代中期成功研制某殲擊機復合材料進氣道壁板，這是我國研發出的第一個復合材料飛機構件；1985年帶有復合材料垂尾的戰斗機成功首飛；1995年成功研制帶有整體油箱的復合材料機翼。當前國內幾乎所有在役軍機在不同部件上均有采用復合材料。根據中國復合材料學會發布的《軍工復合材料深度研究報告》，在四代機之前的軍機上，復合材料的應用范圍限于尾翼、鴨翼等次承力結構上，用量占結構重量的比例在10%以下；在新一代軍機上，復合材料主要應用在機翼、鴨翼、尾翼、垂尾、中機身壁板、腹鰭、武器艙門等處，用量達到結構重量的約19%。預計隨著相關復合材料和結構材料技術的突破，未來國產軍機將在機翼、機身等主承力結構上更多地采用復合材料，用量占比將提高到25%左右。
（2）復合材料在民用飛機上的應用
民用飛機作為以載客飛行和運營為目的的交通工具，對安全可靠性和經濟性要求更加嚴格，對結構減重也有迫切的需求，從20世紀70年代初也開始加入了應用復合材料的進程。復合材料在大型民機上的應用，以美國為例，大致經歷了四個階段：第一階段主要應用于受力較小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構件；第二階段主要應用于受力較小的部件如升降舵、方向舵、襟副翼等，該階段約于80年代中期結束，我國ARJ21支線飛機的復合材料技術水平大致在這個階段；第三階段復合材料應用在受力較大的部件上，主要是垂尾和平尾等；第四階段復合材料進入飛機最主要受力部件機翼、機身等的運用，波音787飛機的復合材料用量為50%，超過了鋁、鈦、鋼的用量總和，主要應用在機翼、機身、垂尾、平尾、機身地板梁、后承壓框等部位，是第一個采用復合材料機翼和機身的大型商用客機，代表了飛機結構復合材料化的發展趨勢。
復合材料在國內民用飛機上尚未實現大量應用，在材料工藝穩定性控制手段不足和有關試驗數據尚不十分充分的情況下，提高復合材料的應用比例還需要大量實踐的積累。根據中國商飛官方網站數據，C919的復合材料用量占比為12%，相比國外先進機型仍存在一定差距；CR929的復合材料用量占比超過50%，可與國外先進機型比肩。
3、發展趨勢及特點
（1）復合材料實現技術突破，國產化率提高，有望突破“卡脖子”環節
復合材料是引領結構材料革命的典型代表，是反映國家航空航天制造能力、關系國家戰略安全的新型軍民兩用材料，國際嚴格禁運。因此，各類國家級戰略規劃重點強調要提高核心零部件及關鍵基礎材料相關自主研發生產能力和制造工藝水平，加快提升國產化率，以實現自主保障。
在碳纖維方面，我國T1000級碳纖維材料已取得了重大突破，完全擁有研發和生產百噸級T1000碳纖維的能力，打破了西方國家的技術壟斷，對我國的國防科技工業發展也起到重大的推動作用。
在玻璃纖維方面，我國已成功實現浸潤劑原料及配方技術的國產化替代，已有85%的浸潤劑化工原料已能夠自主制造；目前我國已掌握國際領先的玻璃纖維配方技術，顯著提升了產品的強度、耐腐蝕性和耐高溫性等。
作為碳纖維的前驅體，高質量的聚丙烯腈原絲是制備高性能碳纖維的前提條件。國外先進企業生產聚丙烯腈原絲的工藝以干噴濕紡工藝為主。干噴濕紡具有較高的牽伸倍數，有利于形成致密化和均質化的絲條，為生產高性能聚丙烯腈原絲創造了有利條件。目前國內公司已突破相關技術壁壘，預計未來國產替代可獲突破性進展。
在芳綸纖維方面，國內廠商已突破對位芳綸關鍵技術，基本型對位芳綸（Kevlar29級）實現穩定批量生產和供應，高強型對位芳綸（Kevlar129級）實現國產化供應，打破了國外企業壟斷的局面。預計未來芳綸纖維國產化將進入快速提升期，有利于促進復合材料國產率的提升。
（2）復合材料零部件趨于大型化、整體化、結構功能一體化，制造技術趨于自動化
要實現復合材料用量的突破，必須在機身、機翼等大型部件上實現復合材料的應用，并向大型化、整體化、結構功能一體化進行發展。大型化、整體化、結構功能一體化的大尺寸整體構件具備如下優點：①整體構件系將原本的大型零部件組合整合為一個或幾個零部件，有效減少了零部件結構的連接和分段，在實現高承載效率的同時，大幅度地降低了零部件重量，節省了制造成本；②整體成型技術的應用可大幅減少緊固件以及連接件數量，降低裝配成本，縮短裝配流程，節約裝配時間，提升生產效率。
由于大型化、整體化、結構功能一體化整體構件成型工藝復雜、設計和生產難度高，傳統的手糊成型、卡板定位、人工組裝已難以滿足制造精度和周期要求，自動鋪絲鋪帶技術、熱隔膜成型以及自動化組裝等自動化制造技術應運而生。近年來，我國航空復材零部件自動化制造技術的應用取得了一定的發展，目前已基本實現了數控下料、激光投影鋪疊、數控銑切、自動化超聲探傷等基本的自動化生產技術。但由于基礎薄弱、技術積累缺乏，我國航空復材零部件制造業與歐美國家相比自動化水平仍然偏低，自動化鋪絲鋪帶技術、熱隔膜成型以及自動化組裝等自動化制造技術尚不能實現批量應用。因此，自動化制造技術的應用研究仍是我國航空復材零部件制造業需要積極開展的工作。
（3）航空復材零部件制造技術向低成本方向發展
航空復材零部件制造向低成本方向發展所涉及的主要技術，包括如下方面：
A、液體成型技術
復合材料制件相對于傳統的金屬構件制造成本要高很多，因此降低制造成本一直是航空復材零部件制造領域所追求的目標。液體成型技術是一種極具潛力的低成本制造技術，區別于傳統的熱壓罐成型工藝，液體成型技術采用纖維常溫或升溫固化的工藝，可以極大地節省預浸料低溫存放及熱壓罐工作過程中大量的能源消耗。液體成型技術中，樹脂轉移模塑成形工藝作為一種閉模成型工藝，可以通過多個芯模的組裝，一次成型較為復雜的復合材料構件，并且成品的表面質量相對于熱壓罐成型更好，生產效率也較高；真空輔助樹脂灌注成型技術工藝不需要專門的模具，系利用真空將樹脂吸入干纖維預成型體，制造成本較低，通過優化工藝可以制造出與熱壓罐固化工藝相當的復材零件，也是一種很有潛力的技術。就目前來看，國內的液體成型技術雖取得了一定的研究進展，但離批量應用尚有一定距離，在模具設計、流道布置等方面也需要相應的技術積累。
B、自動鋪絲鋪帶技術
目前在國內的航空復材零部件生產過程中，鋪疊環節高度依賴于手工作業，操作風險較高，材料利用率較低，且無法應用于超大部件。目前國內的自動鋪絲鋪帶設備的應用較少，相比國外復材零部件的自動化水平偏低。
自動鋪絲鋪帶技術系利用自動鋪帶（不同帶寬的預浸料）或自動纖維鋪放（干態或預浸的纖維束、絲束等）技術直接將纖維、絲束和不同帶寬的預浸料按照設計要求鋪放成形，然后通過傳統的熱壓罐技術或先進的液體成形技術得到最終的結構制品。自動鋪放的復合材料鋪層結構與手工鋪放的基本一致，但效率和精度更高，并且纖維的連續性不受手工鋪放的限制，因此結構完整性更優越。自動鋪帶及絲束鋪放的材料利用率可達到80%-97%，遠高于人工鋪疊的材料利用率。因此，發展自動鋪絲鋪帶技術有助于提高材料利用率，降低材料成本，是航空復材零部件制造業未來發展的重點方向。
4、挑戰
（1）行業整體技術水平與國外先進水平存在差距
近年來，我國航空復材零部件自動化制造技術的應用取得了一定的發展，目前已基本實現了數控下料、激光投影鋪疊、數控銑切、自動化超聲探傷等基本的自動化生產技術。但由于起步較晚、產業基礎較弱、技術積累缺乏，我國航空復材零部件制造業與歐美國家相比自動化水平仍然偏低。此外，在質量檢測方面，國外可以通過人工視覺技術對鋪疊階段質量進行自動化檢驗，有助于提高生產合格率，而國內仍以人工巡檢為主，檢驗效率低且問題反饋速度較慢，可能導致更高的報廢成本。綜上，國內航空復材零部件制造業相比國外先進外水平仍有差距。
（2）專業人才隊伍較為缺乏
我國航空零部件產業的發展基礎較為薄弱，專業技術人才和管理人才明顯不足。隨著航空復材零部件市場需求快速增長，業內企業的經營規模將持續擴大，產品、技術等全方位的競爭也將日趨激烈，專業人才缺乏的矛盾將會更加突出。
（3）具備國際競爭力的民營企業較少
國內航空復材零部件制造企業大多規模較小、實力有限，具備國際競爭力的民營航空復材零部件制造企業較少。未來隨著我國航空制造業的快速發展，以及國家鼓勵和引導非公有制資本進入國防科技工業建設領域等政策的深化，國內民營航空復材零部件制造企業仍有較大的提升空間。
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