復(fù)合材料市場的藍(lán)海

曲小

神奇的大自然總是源源不斷地饋贈(zèng)給人類創(chuàng)造的靈感。受到蜂巢結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，復(fù)合材料從眾多航空材料中脫穎而出。

眾所周知，所有的蜂巢都擁有統(tǒng)一的建造角度和模式：正六角形房孔，相鄰的房孔共用一堵蠟和絲制成的墻，孔底由3個(gè)完全相同的菱形組成。這種構(gòu)造不僅非常節(jié)省材料，還具有極佳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。受此啟發(fā)，2005年全球首架全復(fù)合材料飛機(jī)就使用了蜂窩狀的碳纖維層合板。這種新材料在保證強(qiáng)度、剛度和耐熱性的前提下，比過去飛機(jī)上廣泛使用的鋁、鋼和鈦合金材料的重量減少了約一半。

正因?yàn)榫邆溥@些優(yōu)勢，復(fù)合材料如今已經(jīng)成為商用航空領(lǐng)域的“新寵”。2013年，首架A350XWB完成首飛，在這款機(jī)型中復(fù)合材料所占的比重高達(dá)52%，這是繼波音787之后復(fù)合材料在大型民用客機(jī)上又一次成功的應(yīng)用。時(shí)至今日，一些先進(jìn)機(jī)型的復(fù)合材料所占比重已經(jīng)超過了傳統(tǒng)金屬材料，大量采用復(fù)合材料已是大勢所趨。

黃金十年

從波音787項(xiàng)目開始，復(fù)合材料作為一種新型航空材料被廣泛應(yīng)用于新機(jī)型研發(fā)中，也正是從那時(shí)開始，航空復(fù)合材料迎來了其發(fā)展的黃金十年。

簡單來說，復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上具有不同性質(zhì)的組分經(jīng)過特定的復(fù)合工藝后形成的含有兩相或多相結(jié)構(gòu)的材料。盡管各組分在性能上有很大的差異，各自發(fā)揮著不同的作用，但是它們之間可以相互協(xié)同形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，從而使復(fù)合材料的綜合性能要優(yōu)于各個(gè)組成材料。從結(jié)構(gòu)上來講，復(fù)合材料是由起增強(qiáng)作用的相-增強(qiáng)體和起聯(lián)結(jié)作用的連續(xù)相-基體組成。

從性能上來看，比強(qiáng)度和比模量高是復(fù)合材料最顯著的優(yōu)點(diǎn)。如高模量碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度為鋼的5倍、鋁合金的4倍、鈦合金的3.5倍，其比模量為鋼、鋁、鈦的4倍甚至更高。其次，耐疲勞性好也是復(fù)合材料的重要優(yōu)點(diǎn)。常用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的疲勞極限是其抗拉強(qiáng)度的70%～80%，而大多數(shù)金屬材料僅為30%～50%。

當(dāng)然，復(fù)合材料也有一定的缺點(diǎn)。從力學(xué)角度來講，復(fù)合材料目前存在的主要問題是對于疲勞損傷的檢測存在一定難度。常規(guī)金屬材料在進(jìn)行疲勞檢測時(shí)有一套成熟的方法，但對于復(fù)合材料而言，目前還沒有很好的方法對其進(jìn)行檢查。金屬材料是一種均質(zhì)材料，出現(xiàn)裂縫可以很直觀地判斷出來。復(fù)合材料是一些纖維，由很多層疊合而成，是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，里面出現(xiàn)一些小缺陷時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)。所以，制定復(fù)合材料無損探傷方面的研究和檢查規(guī)范就變得十分重要。

廣闊市場

隨著全球航空運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，2018年全球航空業(yè)復(fù)合材料需求量達(dá)到了265.9萬噸。從市場規(guī)模來看，2018年全球航空業(yè)復(fù)合材料市場的產(chǎn)值達(dá)到了285億美元。由此可見，通過近10年的發(fā)展，航空復(fù)合材料市場已經(jīng)成為全球復(fù)合材料市場中最大的單體市場。據(jù)預(yù)測，未來20年，全球航空復(fù)合材料市場將保持6%的年均增長速度，發(fā)展前景十分看好。

具體來看，航空復(fù)合材料可以分為4個(gè)次級市場，分別對應(yīng)于民用運(yùn)輸機(jī)、軍用固定翼飛機(jī)、通用和商務(wù)航空以及直升機(jī)四大領(lǐng)域。其中，民用運(yùn)輸機(jī)由于重量大、數(shù)量多，在航空復(fù)合材料市場中占據(jù)了絕對的支配地位，約占80%的市場份額。

根據(jù)《2022年前航空航天材料市場全球預(yù)測》，通用和商務(wù)航空這一次級市場是增長最快的細(xì)分市場。根據(jù)霍尼韋爾公司和龐巴迪公司的預(yù)測，到 2024年，全球?qū)⒃黾?300架公務(wù)機(jī)，總價(jià)值近2700億美元。因此，飛機(jī)交付數(shù)量的增加將進(jìn)一步推動(dòng)航空復(fù)合材料市場的增長。

從地域來看，亞太地區(qū)將成為未來增長最快的市場。預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)，其增速將引領(lǐng)全球。近年來，中國、日本和印度等亞洲國家持續(xù)加大了對航空業(yè)的發(fā)展力度，因此該地區(qū)對于復(fù)合材料的需求將繼續(xù)增長。其中，日本和印度正分別以原材料獲取的便利性和低廉的勞動(dòng)力成本，大力吸引投資者建設(shè)生產(chǎn)設(shè)施。

此外，隨著空運(yùn)量的增加，尤其是廉價(jià)航空公司數(shù)量的增長，未來幾年，亞太地區(qū)對新飛機(jī)的需求也將不斷增長，很多航空航天材料供應(yīng)商都積極采用各種策略來提供更好的服務(wù)，如新產(chǎn)品研發(fā)、企業(yè)并購、企業(yè)合資和戰(zhàn)略合作等，以增加其市場份額。

集群效應(yīng)

如今，在主要商用飛機(jī)制造商波音和空客的大本營——埃弗雷特和圖盧茲周邊已經(jīng)形成了較為成熟的復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)集群，尤其在空客施塔德工廠周邊，這種產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)十分顯著。

位于德國漢堡市的施塔德工廠是空客專門從事復(fù)合材料部件制造的工廠。該工廠成立于1983年，目前主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)所有空客系列飛機(jī)的垂直尾翼以及A350的外翼上翼面和機(jī)身等復(fù)合材料部件。經(jīng)過30多年的發(fā)展，施塔德工廠周邊聚集了7類23家復(fù)合材料生產(chǎn)和研發(fā)機(jī)構(gòu)。德國政府還在此地專門成立了CFK Nord復(fù)合材料研究中心，使施塔德地區(qū)成為世界知名的“復(fù)材谷”。

具體來看，圍繞施塔德工廠有10家企業(yè)進(jìn)行相關(guān)的生產(chǎn)工作。此外，這里還有生產(chǎn)設(shè)備支持、檢驗(yàn)檢測、技術(shù)咨詢等幾十家配套企業(yè)。目前，“復(fù)材谷”涵蓋了從復(fù)合材料原材料生產(chǎn)到零部件制造、機(jī)構(gòu)件裝配、復(fù)合材料回收再利用的全過程，相關(guān)培訓(xùn)和檢測機(jī)構(gòu)也一應(yīng)俱全。

在“復(fù)材谷”中，從預(yù)浸料生產(chǎn)開始就實(shí)現(xiàn)了“門對門”的配套。園區(qū)內(nèi)的赫氏預(yù)浸料工廠和空客廠區(qū)的直線距離只有300米，與Oellerich復(fù)合材料零件廠的直線距離只有250米，這極大地方便了預(yù)浸料的運(yùn)輸和存儲，降低了零部件報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)，大大降低了生產(chǎn)成本。

正視差距

近年來，在C919大型客機(jī)項(xiàng)目的帶動(dòng)下，我國復(fù)合材料研制和生產(chǎn)單位紛紛加大了研發(fā)投入力度。從客觀上來說，在項(xiàng)目的帶動(dòng)下，我國航空復(fù)合材料行業(yè)的整體水平有了一定的提高。

在C919項(xiàng)目中，復(fù)合材料的應(yīng)用范圍涵蓋了方向舵等次承力結(jié)構(gòu)和飛機(jī)平尾等主承力結(jié)構(gòu)，主要包括雷達(dá)罩、機(jī)翼前后緣、活動(dòng)翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后機(jī)身、尾翼等部件。其中，尾翼主盒段和后機(jī)身前段使用了先進(jìn)的第三代中模高強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料，主承力結(jié)構(gòu)、高溫區(qū)、增壓區(qū)使用復(fù)合材料在國內(nèi)民用飛機(jī)研制中也屬首次。

碳/碳復(fù)合材料是碳纖維及其織物增強(qiáng)的碳基體復(fù)合材料，具有低密度、高強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)、抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。用碳/碳復(fù)合材料制造的機(jī)輪剎車系統(tǒng)，耐高溫，性能好，使用壽命是金屬材料的2～4倍，重量卻只有1/4。在C919項(xiàng)目之前，國內(nèi)企業(yè)幾乎沒有能力開展此類材料的研制和生產(chǎn)工作。在C919項(xiàng)目的帶動(dòng)下，我國攻克了相關(guān)技術(shù)，具備了飛機(jī)機(jī)輪剎車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)、測試、部件制造及系統(tǒng)總裝能力。

在看到成績的同時(shí)，我們也必須正視差距。這種差距不僅體現(xiàn)在復(fù)合材料的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力上，也體現(xiàn)在原材料生產(chǎn)、設(shè)備制造、檢驗(yàn)檢測等諸多環(huán)節(jié)。

首先，客觀來講，我國對復(fù)合材料的研究起步較晚，盡管近年來一直在加速發(fā)展，但追趕仍需要相當(dāng)長的時(shí)間。

其次，我國復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈仍然存在比較明顯的短板，尤其是在產(chǎn)學(xué)研合作方面有待加強(qiáng)。如何將產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)理順，對我國航空材料業(yè)未來的發(fā)展來說，是一個(gè)十分重要的課題。在經(jīng)濟(jì)全球化的大背景下，盡管在材料的選擇上可以進(jìn)行全球采購，但是一些關(guān)鍵材料必須要進(jìn)行自主研發(fā)，才能不受制于人。

可喜的是，在C919等大型項(xiàng)目的帶動(dòng)下，我國在材料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研合作探索已經(jīng)取得了一定的成績。例如，大連理工大學(xué)運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部承擔(dān)了C919飛機(jī)尾翼、中央復(fù)合材料壁板等多個(gè)部位的試驗(yàn)項(xiàng)目。針對C919飛機(jī)對于大型復(fù)合材料構(gòu)件的試驗(yàn)需求，大連理工大學(xué)進(jìn)行了大噸位大尺寸加載系統(tǒng)、承力系統(tǒng)和電測系統(tǒng)建設(shè)，開展材料級、結(jié)構(gòu)級、部件級三級的大飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理研究，開發(fā)數(shù)值分析模型和軟件，指導(dǎo)、校正實(shí)際試驗(yàn)，形成飛機(jī)典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)破壞行為數(shù)據(jù)庫。

為保證從復(fù)合材料壁板各環(huán)節(jié)處獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，及時(shí)處理意外情況，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對飛機(jī)壁板上使用復(fù)合材料后特別需要注意的部位貼上了大量應(yīng)變片，實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)。通常情況下，一塊大型壁板就需要300～400個(gè)通道數(shù)據(jù)。在C919項(xiàng)目中，大連理工大學(xué)研制團(tuán)隊(duì)共測試了60多塊壁板，大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)保證了C919飛機(jī)所用材料的可靠性。