我國航空復合材料產業發展展望

楊艷陽

(中國航空制造技術研究院復合材料技術中心 北京 101300)

航空復合材料的應用發展大致經歷了3 個階段，即在次承力結構中的應用、向主承力結構發展以及在飛機結構中的規模化應用。復合材料應用技術是隨著設計、材料、工藝、設備、檢驗技術的不斷成熟逐漸在飛機結構中進行驗證應用的，最開始是復合材料整流罩和活動翼面等次承力或非承力構件，但隨著復合材料用量需求的增多，技術成熟度及產品性能的逐步提高，其應用部位已擴展到了主承力構件，并得到充分考核驗證，為復合材料更廣泛的應用奠定了堅實的基礎。波音787 飛機首次大規模使用復合材料結構，標志著“航空復合材料”的飛機時代已經開啟，復合材料已經成為飛機結構減重的首選材料，其在大型飛機結構中的應用已提升到50%以上[1-2]。

1 我國航空復合材料發展歷程

我國航空復合材料技術始于20世紀70年代，在航空裝備研制需求的牽引下，航空工業部門組織開展復合材料及其相關技術研究，開啟了我國航空復合材料發展歷程，并初步建立了專業和技術基礎。20世紀80年代起，以碳纖維復合材料為標志，開展了原材料（含樹脂基體和增強纖維）、結構設計、制造工藝、連接裝配、檢測等關鍵技術研究，并在航空產品上得到初步應用，帶動了復合材料專業技術的全面發展。2000年以后，隨著我國航空裝備的高速發展，高性能、多功能航空復合材料，大型復合材料整體結構，先進的復合材料工藝裝備工程應用等重大關鍵技術研究取得了顯著的成果，實現了航空復合材料產品規模化生產，已基本形成航空復合材料產業。

2 航空復合材料技術與產業格局

目前，航空復合材料按增強基體可分為樹脂基復合材料、碳基復合材料、陶瓷基復合材料和金屬基復合材料，其中樹脂基復合材料是目前航空復合材料家族中應用量最大、技術成熟的材料，廣泛應用于民機、軍機、發動機領域，對推動航空裝備升級換代起到關鍵作用。航空復合材料的應用技術水平與各國政治、經濟、國防技術發展水平相關，其最初的推廣應用者和目前的最高水平代表仍然是美國，由NASA主導并推動，其次是歐盟、日本。國外的航空復合材料在飛機（包括航空發動機）上已經實現了廣泛應用，材料體系、制造技術和工藝裝備的發展日趨成熟。該文主要針對高性能樹脂基復合材料產業市場展開研究。

2.1 國外航空復合材料技術發展現狀

航空飛行器主要要求樹脂基復合材料具有高耐濕熱性能、優異的工藝性和高抗沖擊韌性等特點。航空樹脂基復合材料已經歷了3個代次的發展，T800纖維/第三代高韌性樹脂已用于復合材料機翼，CAI 值達到368 MPa，微納米增韌成為未來研究方向；聚酰亞胺樹脂長期使用溫度已從316 ℃提升到370 ℃，并發展了第四代400 ℃以上的樹脂體系。

在增強材料方面，各國已經開發出若干類用于結構材料的聚丙烯腈碳纖維，以東麗碳纖維為例，其產品主要有T（T300、T400、T700、T800、T1000）、M（M30、M35、M40、M46、M50、M55、M60）和MJ（M35J、M40J、M46J、M50J、M55J、M60J、M70J）這3 個系列的碳纖維。未來碳纖維將朝更高模量、更高強度碳纖維，多功能及低成本（大絲束）技術方向發展。

在基體材料方面，雙馬樹脂、環氧樹脂是航空樹脂基復合材料最常用的兩種基體材料，廣泛應用于大型飛機、直升飛機、通用航空和殲擊機等飛行器。為提高樹脂基復合材料的韌性，樹脂基體經歷了標準韌性、中等韌性、高韌性和超高韌性的發展過程。第三代超高韌性樹脂基復合材料的CAI 已經達到315 MPa 以上，主要包括覆蓋中溫、中高溫的5260/IM7、5276-1/IM7、8551-7/IM7、977-1/IM7 和3900-2/T800等復合材料體系。

國外在研究具有高韌性復合材料的同時，也非常注重保持或提高其耐熱性能。不僅發展了擁有成熟商品的雙馬樹脂體系（如5245C、5250-2、5250-3、5250-4、5260、5270-1、F650、F652、F655、M65、XU292、V391等），還發展了低成本RTM雙馬樹脂，包括索爾維公司（氰特被收購后，所有業務并入索爾維）的CYCOM 5250-4RTM 和CYCOM 5270-1 RTM（長期使用溫度232 ℃），以及赫氏公司的RTM650、RTM651 雙馬RTM樹脂體系。

此外，聚酰亞胺樹脂（使用溫度為288 ℃～316℃）已成為航空發動機和高溫飛機上應用最廣泛的航空復合材料基體。有研究人員已開發了耐溫426 ℃～500 ℃的第四代聚酰亞胺樹脂（P2SI900HT）和可RTM工藝成型的苯乙炔苯酐（4-PEPA）封端聚酰亞胺樹脂基體（PETI-298、PETI-330、PETI-375），進一步提高了聚酰亞胺復合材料的耐熱特性。隨著未來材料基因組技術的發展，有機及無機化學結構的工藝及性能特點將得以融合，耐500 ℃以上，甚至600 ℃高溫樹脂基復合材料不再是夢想，樹脂基復合材料的應用范圍進一步擴大至足以覆蓋鈦合金材料的使用溫度范圍，進一步減輕航空裝備的結構重量[3-4]。

2.2 國外航空復合材料產業格局

從全球市場分布來看，航空復合材料在北美市場占比約為58%，在歐洲市場占比為38%，亞太地區僅占市場份額的4%～5%。

美國是全球復合材料技術最先進，產業最發達的國家，擁有完整的航空復合材料產業鏈和全球領先的廠商。以赫氏公司為代表的碳纖維生產商占據了產業鏈中上游，擁有25%的航空碳纖維市場份額，40%的碳纖維預浸料市場份額和28%的玻璃纖維預浸料市場份額。以波音公司為代表的飛機制造商作為產業鏈的末端，占據了20%航空復合材料市場份額。

歐洲復合材料產業發達的國家主要有英國、法國、德國、西班牙和意大利5個國家。這5個國家分擔了全歐洲1/3 以上的復合材料產量。最具代表的碳纖維廠商是索爾維公司，其不僅擁有15%的航空碳纖維市場份額，還與赫氏公司擁有同樣的碳纖維預浸料市場份額（40%），在玻璃纖維預浸料市場上占據了21%的份額。空客公司是歐洲航空復合材料市場最大的應用型廠商，同樣占據了全球航空復合材料市場份額的20%。

亞太地區復合材料市場占比相對較低，以日本東麗、帝人和三菱麗陽為代表的碳纖維廠家占據了全世界超過一半的碳纖維市場份額。日本研發生產的碳纖維無論是在品種、工藝、產量，還是質量方面都位居全球領先地位，研發的高強高模碳纖維增強復合材料在航空領域構成了寡頭壟斷[5]。

2.3 國內航空復合材料技術發展現狀

我國航空復合材料技術已初具規模，開始進入較大比例應用的階段，雖然距離國際頂尖水平仍有一定的差距，但已初步形成了航空復合材料設計、研發、制造、檢測等技術和工藝裝備體系，擁有先進的航空復合材料研發和生產基地。

經過多年發展，我國高性能樹脂基復合材料技術已取得巨大突破。在增強材料方面，國產T300級碳纖維已實現了千噸級產業化生產，其復合材料性能達到東麗同等水平，完全實現了航空航天用T300級碳纖維的自主保障；國產T700 級碳纖維實現了百噸級批產，并已實現產品應用等；國產T800級碳纖維關鍵制備技術已取得突破，主要力學性能接近東麗T800 碳纖維，建成了多條T800級碳纖維生產線，已實現百噸級穩定性生產，為應用驗證奠定了良好的基礎。在樹脂基體方面，航空工業復材研發的國產T800級碳纖維增強高韌性環氧樹脂復合材料CAI 值（330MPa）已達到第三代韌性復合材料的水平。第三代聚酰亞胺樹脂體系的關鍵技術已經突破了，并得到了考核驗證[6]。

2.4 國內航空復合材料產業格局

我國不僅具備完整的航空復合材料產業鏈，在國家相關產業政策和龍頭企業的帶領下，產業鏈各環節均已貫通，實現了以國產T300和T700為代表的國產碳纖維原材料到產品裝機應用的全產業鏈大協同發展格局。從產業鏈布局看，有以威海拓展、中簡科技為代表，服務于航空應用的碳纖維企業；有以航空工業復材為代表，服務于航空整機制造廠的先進樹脂及預浸料及構件產品企業；有以中國商飛為代表，航空復合材料產品應用型廠商，正合力推動著我國航空復合材料飛速發展。

3 航空復合材料市場分析

充分利用航空復合材料是實現飛機輕量化的重要途徑之一，民用飛機復合材料結構用量已超過50%，無人機已實現主體結構用量100%。未來航空復合材料在航空飛行器上的用量會繼續增加，而且這一增加趨勢將是長久和持續的。

預計到2035 年世界航空航天復合材料市場規模將達到500億美元，其中民航產業占比達到60%，軍用產業占比達到30%，航天產業將占10%。北美仍將是最大的市場，預計市場份額將占全球總市場的40%～45%。亞太地區受地緣政治影響，以及中、印等國經濟發展的推動，其航空復合材料市場將會超越歐洲成為全球第二大市場。

4 我國航空復合材料產業發展方向

經過近40年的發展，國內航空復合材料產業正逐步縮小與國際領先企業的差距，國產寬體客機C919復合材料用量約為12%，CR929預計要達到50%以上，這將成為國內航空復合材料產業高速發展，改變航空復合材料產業布局的重要契機[7]。

4.1 大數據將改變傳統的發展模式

隨著大數據在社會經濟各個領域的廣泛應用，云計算、3D技術、人機交互、智能工廠等技術逐漸成熟應用，勢必引發新一輪工業革命，航空復合材料的研發、生產和商業模式都將借助信息技術插上騰飛的翅膀，加快從實驗室走向更廣闊應用領域的步伐。

4.1.1 研發模式向數據化轉變

隨著航空復合材料應用越來越廣泛，材料品種也越來越多，新品種層出不窮，原來由科學家封閉在實驗室研究的模式會漸漸向標準化、智能化、共享化轉變。隨著大數據和云計算技術的出現，未來計算機可以迅速在虛擬環境仿真人幾百年都做不完的試驗，并快速從中選出最適合自己個性化需求的材料配方、工藝等數據。

4.1.2 生產模式向智能化轉變

隨著航空復合材料研發方式的轉變，設計制造一體化技術會將實驗室與工廠無縫連接，實現跨企業、跨域協同設計制造；人機交互、智能工廠將不斷涌現，航空復合材料柔性化制造能力將更加凸顯，能夠比其他材料做到快速響應市場個性化需求。

4.1.3 商業模式向平臺化轉變

智能、共享、快速的電商平臺發展理念必然會推動航空復合材料商業模式轉變，出現與電商平臺類似的共享平臺，以技術共享、研究成果共享、產品共享等多種方式，實現開放協同的產業鏈資本流轉[8-9]。

4.2 產業體系和準入標準將更加完善

隨著應用領域和市場規模的不斷擴大，航空復合材料的行業規范、材料認證、檢測、失效分析等基礎性、精細化要求越來越高，國內航空復合材料產業體系將逐步與國際接軌，建立航空復合材料設計、制造、材料、檢驗、維修、裝配體系，形成專業數據庫、專利、技術秘密涵蓋各種設計數據、制造工藝文件、材料性能手冊、維修保養手冊、裝配技術文件，有效促進航空復合材料研發的標準化、系列化、通用化，支持航空復合材料產業的創新及可持續發展，逐步形成統一行業準入標準與規范，使工藝評價及鑒定認證體系將更加完備，促進航空復合材料供應鏈現代化和產業鏈高級化發展。

4.3 產業鏈更加成熟完備

未來中國航空市場巨大，國內產業鏈優勢資源將更加集中，形成了從上游原絲制造到下游復合材料制品設計制造的完整產業鏈。國內航空復合材料企業憑借其對原材料透徹深入的了解、精湛的復合材料制造技術以及廣泛的應用和工程技能融入國際市場，同時以其航空技術與產業能力優勢發揮產業溢出效應，進一步拓展非航市場應用的深度和廣度，構建更高質量、更高效率、更加公平、更可持續的新發展格局，形成國內航空復合材料行業有序競爭、互利合作的良好生態圈，融入國際產業鏈。