文章来源：《CompositesWorld》杂志；编译整理：赛奥碳纤维

制造业总喜欢将复合材料制造视为一个单独的、全球化的实体，通过各种高度工程化的零件和结构来满足客户的需求。然而，在现实中，复合材料行业是许多高度垂直的市场（航空航天、汽车、航海、消费者、风能等）的融合，这些市场以各种不同的方式消耗复合材料。这种用法是受零件性能要求、成本阈值、法规和客户需求驱动的。例如，商业航空制造中的材料、工艺和成本参数与休闲船制造中的材料、工艺和成本参数有很大不同。

复合材料可以满足如此多样化的需求，因为它们本身是如此多样化。纤维、树脂、模具、工艺和精加工选项的排列使复材零件几乎能应用到每一个领域。再加上复合材料所具有的巨大的强度、刚度、耐久性和轻量化特性，不难理解为什么这些材料的使用量在不断增长。

尽管复合材料具有高度定制的特性，但在未来几年中，将有一些广泛的材料和工艺趋势影响整个复合材料行业。首先是通过增加对机器人技术和自动化技术的使用，努力减少制造过程中的接触劳动力。这是由几个因素驱动的，包括提高一致性和质量的愿景，降低成本的愿景以及对更高批量生产的需求。

其次是努力摆脱热压罐。热压罐在加固复合材料层合板方面同样出色，但其获取和操作成本高昂。这也可能是它的生产瓶颈，阻碍了提高产量的动力。因此，在许多应用中，人们越来越重视低压固化（OOA）的材料和工艺-树脂灌输，树脂传递模塑料成型工艺（RTM）和热塑性复合材料-尤其是大型商用航空航天结构中。

第三，热塑性塑料总体上呈上升趋势，主要是因为它们具有以下特性：OOA（低压固化）加工，易于存储和处理（与预浸料相比）和易于回收。

第四是英国复合材料4.0（Composites 4.0）计划的发布，即复合材料行业的工业4.0（Industry4.0）计划-整个制造过程完全数字化，从设计到仿真，再到制造仿真，再到制造，再到故障排除再到零件跟踪等等。这将导致开发和使用复杂的算法，这些算法将控制下一代复合材料制造环境中的思维机器。

第五是复合材料制造中增材制造（AM）的大规模发展。从最初在基于热塑性塑料的增材制造中使用短切纤维增强材料，已经发展到使用连续纤维增强材料来制造离散零件以及工装和模具组件。业界还见证了基于热固性材料的增材制造以及将增材制造与自动铺带机和自动铺丝机相结合的新工艺的出现。

所有这些技术源于并有助推动了一个高度动态和快速变化的复合材料产业，在随后的市场纵览中，您将学习到复合材料和工艺是如何在复合材料设计师和制造商服务的每个主要终端市场中进行调整和应用的。您还将学习到每个终端市场的宏观趋势会对复合材料制造界产生怎样的影响。

航空航天篇

在2019年，全球商业航空业深受波音737MAX飞机停飞的影响和波及，该事件由两架737 MAX飞机坠毁引起的，一架飞机在2018年底坠毁，另一架在2019年初坠毁。空难造成300多人丧生，根本原因出在波音公司专门为737 MAX开发的自动飞行控制系统上。波音公司已投入大量资源来修正自动飞行控制系统，但截至本文撰写至2019年11月初，该飞机预计要到2019年末或2020年初才能重新投入使用。与此同时，波音公司继续组装737Max飞机，但在修复完成、验证和认证之前，这些飞机将不会进行交付。

该飞机的停飞对整个航空工业供应链产生了显著的连锁反应，对复合材料行业也产生了一定的影响。特别是，波音公司已经为推出新的中型飞机（NMA）准备了一段时间，这是一款双引擎、双通道、中程的飞机，在尺寸大小和航程上都处于737和787之间，将服务于曾经被停产的757占据的航段。初步猜测，波音将在2019年巴黎航展上宣布NMA计划，并计划于2025年左右投入使用。然而，737Max的停飞显然不允许波音公司投入大量资源进行新的项目启动，另外波音公司在777X上的发动机也发现了问题，并将该飞机（配置全复合材料机翼）的首次飞行推迟到2020年初。所有这些状况加起来，NMA计划就没有在巴黎航展上公开发布。

空客在2019年巴黎航展上宣布了A321XLR（单通道A320的扩展版本），这也使NMA计划变得复杂起来。空客A321XLR将能容纳240人，航程4700海里。这使得A321XLR与波音NMA形成竞争，波音正在考虑为其提供两个版本：一个版本可容纳225人，航程为5,000海里，另一个版本可容纳275人，航程为4,500海里。如果波音公司在737MAX重新投入使用后不久宣布NMA，并假设这两种情况都发生在2020年年中，那么潜在客户将有两种飞机可供选择，一种是单通道，另一种是双通道配置，提供给乘客相似和效率相当的航程选择。

NMA之所以具有重要意义，是因为它代表了即将到来的下一代全新飞机计划，并且像波音787和777X以及空中客车A350一样，预计它将采用由碳纤维复合材料制成的主要结构。此外，除了NMA之外，似乎可以预料，波音737和空中客车A320的单通道也有望被替换成这种由碳纤维复合材料制成的主要结构。这两种飞机都已成熟，可以转换为碳纤维复合材料，这将代表复合材料制造产能的重大飞跃-波音和空中客车公司都预计单通道更换的月建造量为100组。如果在未来几年内公布这些项目，则可以在2028-2030年窗口中投入使用。

然而，737Max的停飞，给这个时间线带来了一些不确定性。也就是说，波音可能会决定加速737的换代，并比计划更早地启动其研发。因此，这样的决定可能会促使空客升级其A320的换代机型，这很可能是该公司的下一款全新飞机。简言之，只要737MAX停飞，商业航空航天供应链总体上，尤其是航空复合材料供应链就存在很大的不确定性。

抛开何时可能宣布哪些飞机计划的问题不谈，围绕NMA和单通道替换飞机也还存在这实质性的和未解决的问题。最重要的问题是复合材料是否会在这些飞机上使用以及在哪里使用。对于双通道NMA飞机，使用复合材料几乎是肯定的，特别是考虑到787、77X以及A350的供应链和制造流程。同样重要的是，与传统的铝结构相比，航空公司本身更喜欢复合材料结构的耐久性和易维护性——这一事实本身可能足以使复合材料在大型航空结构中继续得到采用，无论是何种尺寸或结构。

假设碳纤维复合材料在大型航空结构中将被继续采用，那么下一个问题是它们将是哪种类型的材料。现有的材料和工艺（M＆P）组合是热压罐固化的碳纤维/环氧树脂预浸料，大部分通过自动铺带（ATL）、自动纤维铺放（AFP）或手工铺设。然而，符合787和A350标准的M&P组合相对较老，早在21世纪初就已经开发出来。

尽管如此，这些M＆P是合格的，这一事实使它们与仍在开发和认证中的新M＆P相比而已有优势。对于NMA来说，波音公司可能并不想发展重大的、新的M＆P计划，现有技术很可能会胜出。此外，NMA的建造速度很可能类似于787（124 /月）和A350（10 /月）的建造速度；因此，波音公司在开发和认证快速循环M＆P技术方面的压力较小。

使用目前的热压罐固化技术，以100/月的预期速度为这些飞机制造复合材料零件和结构是不可行的。因此，正在开发的新型单通道飞机几乎肯定会采用低压固化（OOA）材料和工艺，从而大大缩短零件周期时间。

这已经使几种OOA技术脱颖而出，这些技术几乎肯定会在下一代飞机中广泛使用。这些技术包括热塑性复合材料，树脂灌注和树脂传递模塑（RTM）。波音和空中客车公司都通过各种研发计划来追求这些技术，旨在将成熟度提高到技术准备水平（TRL），该技术准备水平最晚在2025年实现商业部署。

空中客车公司则通过多公司合作，备受瞩目的计划寻求各种解决方案。最引人注目的是“明日之翼”计划，该计划由GKN航空航天公司（英国索利哈尔，雪莉），英国国家复合材料中心（NCC，英国布里斯托尔），诺斯罗普·格鲁曼公司（英国犹他州，克利尔菲尔德），Spirit AeroSystems（美国堪萨斯州，威奇托）和索尔维复合材料（美国乔治亚州，阿尔法利塔）。该项目正在评估使用RTM制作机翼蒙皮，机翼翼梁，肋骨和机翼盒段的过程。 GKN在2019年巴黎航展上宣布，它已为明日之翼生产了演示器零件，随后在10月，有消息称其交付了演示器工具。

NCC的首席执行官Richard Oldfield在2019年3月对CompositesWorld杂志表示，``明日之翼''的目标是开发一种高效的商用飞机机翼结构制造工艺，即在几乎所有可测量的方面，比目前的机翼制造技术要好一个数量级。这意味着更好的自动化，更少的零件，更好的零件集成，更快的周期时间，更快的NDI和更快的组装。整个机翼的测试预计将于2021年开始。

机翼结构的灌注工艺并不新鲜。已经有两架商用飞机使用了这一工艺：空客A220和伊尔库特MC-21，都是单通道飞机。A220由庞巴迪作为C系列开发，并于2018年出售给空客。其树脂注入机翼仍由庞巴迪公司在其位于北爱尔兰贝尔法斯特的工厂制造，庞巴迪公司于2019年将其出售（SpiritAeroSystems在2019年10月宣布，正在收购庞巴迪的贝尔法斯特业务）。联合航空制造集团公司（俄罗斯莫斯科）正在为俄罗斯市场生产Irkut MC-21。它的机翼是由AeroComposit（莫斯科）使用索尔维复合材料单组分树脂系统制造的。 A220和MC-21证明了灌注工艺对商用飞机是可行的，但是这两种飞机的灌注速度都相对较低。现在，该技术必须在高效环境下走向成熟。

就热塑性复合材料而言，其目标是针对机身结构。这一点很重要，因为多年来，人们一直不知道复合材料在单通道飞机机身中的使用是否合理，主要是因为单通道飞机的机身蒙皮厚度比双通道飞机的薄。如果使用现有的复合材料和工艺来制造这种更薄的蒙皮的话，复合材料的成本和重量都高得令人望而却步。因此，面临的挑战是为机身开发一种复合材料M&P组合，提供相对薄且价格合理的蒙皮厚度。

在欧洲，这项工作正在通过Clean Sky 2下一代多功能机身示范（MFFD）项目进行。顾名思义，该计划旨在在最大程度减少紧固件使用的过程中，增加机身，系统，货物和机舱元件的集成度。使用热塑性塑料可以通过焊接实现这一点。GKN / Fokker（荷兰霍格芬）是热塑性飞机结构开发中最活跃的公司之一，该公司于2019年在巴黎举行的JECWorld展览会上展示了为湾流制造的热塑性机身面板。它具有相互连接的焊接网格结构，体现了Clean Sky MFFD设想的多功能性。福克（Fokker）结构代表了这项技术的成熟迈出的一小步，该技术有望在单通道商用飞机中使用。

除了机身之外，热塑性复合材料已经在飞机服役期间取得了重大进展。特别是波音公司正在协同努力，将较小的结构部件（支架、夹子、紧固件）从热固性材料替换为热塑性复合材料。热塑性塑料专家们，如ATC制造（美国爱达荷州，波斯特福尔斯市），专门从事连续压缩成型，正在领导这一替换工作。

在热塑性塑料的原料方面，活性也很重要。树脂制造商VictrexPlc（英国克利夫斯）通过推出PAEK AE 250，在碳纤维带和层压材料生产线上预涂了低熔点聚芳醚酮（PAEK）树脂，在复合材料行业引起了轰动。 PAEK的熔融温度仅为305°C，而聚醚醚酮（PEEK）是热塑性航空复合材料的主要成分，它的熔融温度为350°C。这一点很重要，因为降低的熔体温度会加快加热/冷却周期，并缩短循环时间。它还可以将PEEK功能（翼肋，固定夹）包覆成型到PAEK层压板上。

预计到航空复合材料对热塑性塑料的需求将增加，索尔维复合材料于2019年9月宣布将扩大其在美国加利福尼亚州阿纳海姆工厂的生产能力。该工厂生产用PEEK，PEKK或PAEK树脂预浸的单向（UD）碳纤维带。自2016年以来，该扩产以及持续的流程优化工作将使该工厂的产能增加四倍。

同样是聚焦在机身正面，但回到热固性领域层面上，Spirit AeroSystems在2019年巴黎航空展上推出了其新开发的用于单通道飞机的先进结构技术和革命性建筑构架（ASTRA）机身面板。它的热压罐采用了Spirit公司开发的一种新的机身设计进行固化，这种设计被称为“板材纵梁技术”。该公司表示，与现有的架构和生产方法相比，ASTRA可以节省30％的成本，并且可以满足60套/月的速度。此外，物理测试表明ASTRA满足了单通道飞机的所有强度和刚度要求。

与Spirit类似的是，虽然规模较小，但MTorres（西班牙纳瓦拉，Torresde Elorz）在巴黎航空展上展出的是翼肋增强的“网格/蒙皮结构”，是通过树脂浸渍干碳纤维制成的。这个想法来自斯坦福大学的复合材料资深人士，航空和航天学荣誉教授斯蒂芬·蔡（Stephen Tsai），他将翼肋设计成格子状结构，每个翼肋的宽度和高度都固定，翼肋之间的间距也固定。翼肋结构采用碳纤维带，由MTorres AFP设备沿一个方向（A）连续放置，并沿交叉方向（B）不连续放置。然后，在下一层，将碳纤维带在A方向上不连续放置，并在B方向上连续放置。这种模式将一直持续到达到翼肋的所需厚度为止。这样，每一个翼肋关节都会被一条连续的碳纤维穿过。一旦在工具中建立了翼肋，就可以通过自动AFP / ATL在其上放置蒙皮，并且将整个结构共固化。

同时，碳纤维供应链一直在忙于为下一代航空航天应用定位新的和现有的纤维。世界最大的碳纤维制造商东丽（日本东京）于2017年推出了T1100 / 3960预浸料，该预浸料具有出色的强度和刚度性能。T1100/ 3960已通过SpiritAeroSystems的认证。 Hexcel（美国康涅狄格州，斯坦福）推出了HexTow HM50，这是一种高模量和高拉伸强度的碳纤维。帝人（日本东京）在2019年1月宣布，其Tenax碳纤维和碳纤维热塑性单向预浸带（Tenax TPUD）已获得波音公司的认证，并已注册在其合格产品清单中。最后，晓星（韩国首尔）于2018年末推出了一种新的中模量，高强度碳纤维用于航空航天市场，并于2019年6月与沙特阿美公司（沙特阿拉伯达兰）签署了谅解备忘录建立联合碳纤维生产工厂。

所有这些动向，航空供应链的定位和竞争都将在未来20年内推动商业航空旅行市场的大幅增长。2019年6月，波音发布了《2019-2038年商业市场展望》。该公司估计，在未来二十年中，全球将需要32,420架单通道飞机，8,340架双通道飞机，2,240架支线飞机和1,040架货机。空客发布了自己的《2019-2038年全球市场预测》。它将飞机分为大，中，小三个类别，但得出的结论与波音类似。空中客车公司预计将需要29,724架新小型飞机，5,373架新中型飞机和4,116架新大型飞机，其中大中型货运组总计855架。

自2003年协和式飞机退役以来，超音速飞机就一直在全球商用航空旅行市场中占据一个小角落。目前有几家公司正在研发新型超音速飞机，其中最著名的就是Boom Aerospace（美国科罗拉多州，恩格尔伍德），该公司正在开发复合材料密集型Overture喷气式飞机。 Boom首席执行官兼创始人布雷克·肖尔（Blake Scholl）在巴黎航展上表示，Boom即将完成XB-1的开发，该原型是Overture的小尺寸原型，预计将于2019年底推出，并于2020年某个时候进行测试。Overture的最高速度将达到2.2马赫，巡航高度为60,000英尺（19,354米），仅需7个小时即可将乘客（55-75）从悉尼带到洛杉矶，或仅需3.5个小时即可将华盛顿特区带到伦敦。Scholl表示，就目前的航空公司价格而言，Overture的机票价格预计将具有竞争力，按每座位座位数计算。肖尔还说，预计Overture将使用一种称为普罗米修斯燃料（Prometheus Fuels）的技术，该技术利用可再生资源产生的电力将大气中的碳转化为汽油，或者在忙碌时期转化为喷气燃料。他说，这样一来，飞机将提供零净碳超音速飞行。

2019年，一个小型但不断增长的航空领域也开始成形。它最广泛地被称为城市空中交通（UAM），包括各种各样的小型飞机（可容纳4-10名乘客），设计用于在城市内部和不同城市间的环境中运送人员。飞机的航程各不相同，这取决于飞机的大小及其推进系统，但目标是能够将一组人从一个主要城市内的某个地点转移到另一个地点，或者从一个城市转移到另一个城市。Uber正在开发自己的eVTOL，需要充电60英里的续航里程。无论范围要求如何，eVTOLs中必须使用复合材料，特别是考虑到对电池功率的依赖性。正因为如此，一些eVTOL开发人员（目前有150多人）正大力投资于复合材料工程人才。面临的挑战是，eVTOL市场的认证标准可能与商业航空航天市场一样严格，但也将需要更高的制造量，从而向汽车市场迈进。这推动了人们对复合材料制造工艺中自动化和效率的兴趣日益增长，以降低成本，提高质量并达到合格率。尽管这个市场的活动水平很高，但在eVTOL开始商业服务之前，仍有许多工作要做。认证，空域管理，安全标准，起飞/降落地点等还有待制定。首批eVTOL的商业服务可能要到2024年至2025年才能开始。

UAM项目内另一套将会使用复合材料的飞机（出于同样的原因）是全电动商用飞机。在2019年巴黎航空展上推出的一个示范项目是爱丽丝（Alice），这是由Eviation（以色列卡迪马-特佐兰）开发的全电动、全复合材料飞机。爱丽丝（Alice）是一架九座的区域运输飞机，其巡航速度为240节，飞行距离为650英里/ 1,000公里。这架飞机的尾部有一个主推进器螺旋桨，而机翼末端有两个附加的推进器螺旋桨。该公司预计这架定价400万美元的飞机将在2020年底或2021年初通过认证。

Eviation公司的爱丽丝（Alice）飞机的到来预示了商业航空运输的新兴前景-全电动区域运输的未来。尽管爱丽丝只能容纳9名乘客，但不难想象其背后的技术在不断发展，从而允许更大的飞机可以载人并飞得更远-与今天的支线飞机类似。波音公司和发动机制造商赛峰集团（Safran）似乎在证明这一点，于2019年9月宣布了对电力系统公司（EPS，美国犹他州海德公园市）的联合投资，该公司生产电力和混合电力储能系统。这些将适用于飞机推进。在2018年对锂金属电池技术公司Cuberg（美国加利福尼亚州埃默里维尔）进行投资之后，EPS是第二家加入波音公司HorizonX Ventures投资组合的先进电池解决方案公司。赛峰创投最近还投资了OXIS Energy（英国Abingdon），是高能量密度电池系统锂硫电池技术的领导者。

空客则在研发混合动力飞机演示机E-Fan X。在试验飞机上，四个喷气式发动机中之一将被一个2兆瓦的电动机取代。电力推进装置由发电系统和电池供电。当需要大功率时（例如在起飞时），发电机和电池一起提供能量。E-Fan X预计将于2021年首飞。

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