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产业用复材欲坐航天头把交椅

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-06-12   来源:中国纺织报   浏览次数:3657  分享到: 分享到腾讯微博
 航空航天用复合材料技术的快速发展,使研制和应用高性能结构复合材料、结构/功能一体化的材料成为可能,先进的复合材料技术将给整个航空航天系统的研发提供强有力的技术支持。航空航天工业的一些细分市场过去已经经历了不同程度、周期性的衰退,航天工业的复合材料市场竞争非常激烈,而只有那些既专注于特殊的小微市场又关注市场中的特色产品的公司才能获得竞争优势。

近日,印度Composite Insights公司分析了全球航空航天能源产业,并公布其研究成果《全球航空航天复合材料工业2014~2019:趋势和预测分析》。该报告指出,全球航空航天业复合材料的需求在过去三年期间显著增加,主要归因于持续向上的新型和现有的大型商用飞机的生产,以及民用直升机和公务喷气机市场某些机型的增长。与此同时,整个民用航空业都开始在每款新一代飞机中更大比例地使用先进复合材料。
 
Composite Insights公司相关负责人表示,虽然2013年B787客机是增长的主要驱动力,但Composite Insights预测,A350飞机在未来几年内将成为复合材料显著增长的主要驱动力。空客和波音公司均计划继续增加组装量以反映市场需求,2014年及以后制造商交付的飞机数量再次被设定为增长。无论经济状况如何,不断增长的航空旅行需求及燃料价格上升将确保对更新型、更高效飞机的需求,也就是说,民用航空航天用产业用复合材料的需求与发展将会更上一层楼。
 
加强供应链管理分散技术风险
 
近年来,随着产业用复合材料及其加工技术和检测维修技术的飞速发展,复合材料在航空航天飞行器上的用量正大幅提高,这一跨越性的转变在整个航空界都激起波澜,新材料需要新技能、新设备、新方法。先进复合材料及其相关技术经过多年应用和发展进步,不仅日趋成熟而且价格也大幅降低,还为新一代复合材料飞机的出现奠定了基础。反过来讲,复合材料航空材料的发展也促进了复合材料市场的快速增长,并进而对航空工业传统的供应链乃至航空结构维修供应链带来新变化。
 
哈尔滨工业大学材料科学与工程学院教授沈军指出,航空生产供应链可简单地概括为4类主要参加者,包括:负责系统集成和总装工作的飞机和发动机制造商(OEM);直接向OEM出售主要部件及航空结构件的一级供应商;向一级供应商及OEM出售其生产的部件和零件的二级供应商,以及提供纤维树脂、预浸带和金属材料的原材料供应商。
 
如今,越来越多的飞机制造商开始采取类似汽车工业的策略,把重点放在组装和系统集成方面,而削减内部航空结构的生产能力。实际上,这就意味着飞机制造商将更多地依靠一级供应商来提供设计和供应链管理,同时减少与二级供应商的互动,从而把商业及技术风险转移到它的供应链的参与者身上。波音公司最近将威奇托和塔尔萨的生产部分剥离就是最好的例证。
 
目前一级供应商正在忙于巩固和扩大飞机制造商逐步放弃的集成和供应链管理业务,这种新型的一级供应商必须具有足够大的规模和能力,以获得必要的投资来保持其竞争力。
 
材料研究滞后阻碍航空业发展
 
国内复合材料经过了多年的发展历程,现在已经基本自成体系,无论在原材料、构件成型,还是工程应用等方面,都已初具规模。但是就国内目前的现状看来,几十年的发展对于一种高新材料而言,远远不够。不可否认,材料研究的滞后严重阻碍了国内航空用高性能复合材料研制的步伐,甚至是整个航空产业的发展。
 
原航空工业部首批研究员级高级工程师杨超凡认为,目前,国产碳纤维原丝质量不稳定,纤维强度较低且离散性较大,航天动力用碳纤维复合材料均为进口碳纤维;PBO增强复合材料是未来先进复合材料主要发展方向之一,而我国的PBO纤维至今完全依赖进口;国内制备C/SiC复合材料的先驱体树脂陶瓷产率低,这些短板,严重制约了国内航空复合材料的发展。
 
此外,发达国家已经将无损检测和质量监控作为航空复合材料研究与应用的先导课题进行了大量的投入,在以航空航天复合材料为主要对象的新材料、新结构的检测技术研究中也取得了一定成果。而在国内,复合材料无损检测技术的研究虽然起步不晚,但因重视不足,投资力度不大,在设备商品化和检测技术的实际应用方面,与国外还有较大差距,这种状况势必成为复合材料开发和应用的障碍,影响我国航天材料产品的技术水平和竞争能力。
 
专注特殊小微市场寻求优势所在
 
新材料是航空技术的重要基础,是传统产业升级换代和高新技术产业发展的先导,是航空工业发展中最具活力和发展潜力的领域。中国合成树脂供销协会副理事长兼秘书长郑垲表示,在新一代民用大型客机中,继铝、钢、钛等材料后,产业用复合材料将成为四大航空材料之一,并有望坐上飞机材料使用量的“头把交椅”。
 
航空航天用复合材料技术的快速发展,使研制和应用高性能结构复合材料、结构/功能一体化的材料成为可能,先进的复合材料技术将给整个航空航天系统的研发提供强有力的技术支持。中国科学院院士曹春晓表示,航空航天工业的一些细分市场过去已经经历了不同程度、周期性的衰退,航天工业的复合材料市场竞争非常激烈,而只有那些既专注于特殊的小微市场又关注市场中的特色产品的公司才能获得竞争优势。
 
“根据不同的材料和小微市场情况显示,目前,行业内相关的竞争元素主要包括产品认证、技术、产品性能、交货期、服务和价格。依靠新民机项目,用新民机项目作为复合材料的研发平台,集中国内有关专业力量,在民机领域内建立复合材料有关的材料、设计、制造、试验等标准,多方位寻求功能一体化,才能真正发展成为能为民用航空产品提供复合材料的产业。”曹春晓说。
 
复合材料在航空领域应用情况
 
显著提高战斗机作战性能
 
为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的要求,进入上世纪90年代后,西方的战斗机无一例外的开始大量采用复合材料结构,用量一般都在25%以上,有的甚至达到35%,结构减重效率达30%。应用部位几乎遍布飞机的机体,包括垂直尾翼、水平尾翼、机身蒙皮以及机翼的壁板和蒙皮等。如美国第四代战斗机F-22复合材料用量已达到24%,而EF2000更高达43%,EF2000除鸭翼外,机身、机翼、腹鳍、方向舵都采用复合材料,“湿润”结构表面的70%为复合材料,阵风也是如此,70%的“湿润”表面为复合材料,重量约为947kg。F-35的复合材料几乎覆盖了整个飞机外表面。
 
大幅增加无人战斗机载油量
 
无人战斗机是未来航空武器的一个重点发展方向。国外目前研制的无人机以复合材料和传统铝合金的混合结构为主,如“捕食者”、“全球鹰”等均是如此。其中“全球鹰”的机翼和尾翼由石墨/环氧复合材料制造,复合材料占结构重量的65%。为满足采购政策、隐身性能、机动性、生存力对材料的特殊需求,尽可能提高燃油装载量,无人战斗机结构的一个显著特点就是大量应用复合材料。以波音公司的X-45A为例,除机身的龙骨、梁和隔框采用高速切削铝合金外,其余的机体结构都是由复合材料制成。诺斯罗普格鲁门公司的X-47A的机体除一些接头采用铝合金外,整个机体几乎全部采用了复合材料。
 
明显增大运输机有效载重量
 
大型军用运输机C-17中复合材料主要用于次要结构,如雷达罩、整流罩、操纵面、口盖、翼梢小翼蒙皮等,复合材料重量约为7258k,占该机结构重量的8.1%。而欧洲EADS正在研究的A400M属于新一代大型军用运输机,在材料应用技术上有了一个新的飞跃,主要表现为先进复合材料占结构重量的35%~40%。与C-17不同的是,在A400M上,碳纤维复合材料用于一些主承力结构,而C-17的复合材料结构重量比仅为8%,且主要用于操纵面及次要结构。A400M的机身仍由传统的铝合金制成,但却开创了采用碳纤维复合材料制造大型运输机机翼的先河,机翼长达19米,令业界颇为瞩目。
 
极大提升民用飞机市场竞争力
 
波音、空客两家大型民用客机制造商均将其视为实现新飞机机体减重及降低直接运营成本的有效途径,降低油耗、易于实现结构/舱内材料的一体化。如在新一代波音787飞机上,复合材料用量将达到50%,创大型客机复合材料的应用纪录。欧洲空中客车公司在新近研制的A380型宽体客机的机翼和机身结构上均采用了先进复合材料,用量已占结构重量的25%,其中碳纤维增强复合材料占22%,另采用了3%玻璃纤维增强的铝合金层板复合材料Glare。在机翼前缘等处还采用了聚苯硫醚热塑性复合材料。该公司目前正在研制的新一代客机A350,复合材料的应用比例也将达到39%。
 
高超声速飞行器上天关键
 
高超声速技术主要指研制高超声速(Ma>5)飞行器所需的相关技术。以NASA开发的第二代可重复使用航天飞机为例,油箱内衬为复合材料。在推进系统中将采用陶瓷基复合材料发射斜轨、金属基复合材料机匣以及树脂基复合材料涵道。此外还将采用复合材料电子设备舱。第三代可重复使用航天飞机将为智能结构,具有自适应热防护系统及智能化无损检测装置,自愈合的飞机结构及表面。发动机材料将可能使用经冷却的复合材料、金属基复合材料加力燃烧室壳体、超高温复合材料。结构材料将包括超高温树脂基复合材料、低成本耐腐蚀热防护系统复合材料液氧油箱。
 
减重同时改善直升机抗坠毁性
 
直升机采用复合材料不仅可减重,而且对于改善直升机抗坠毁性能意义重大,因而复合材料在直升机结构中应用更广、用量更大,不仅机身结构,而且由桨叶和桨毂组成的升力系统、传动系统也大量采用树脂基复合材料。H360、S-75、BK-117和V-22等直升机均大量采用了复合材料,如顷转旋翼飞机V-22用复合材料近3000公斤,占结构总重的45%左右,法德合作研制的“虎”式武装直升机,复合材料用量更高达77%。此外,先进复合材料在航空发动机上也得到成功应用。航空发动机使用碳纤维增强树脂基复合材料取代金属材料可以有效减轻发动机重量,降低燃料消耗,增加航程。
 
航空复材应用历程
 
军用飞机
 
第一阶段:复合材料主要用于受力较小或非承力件,如舱门、口盖、整流罩以及襟副翼、方向舵等。
 
第二阶段:复合材料主要用于垂尾、平尾等尾翼一级的次承力部件,以F-14硼/环氧复合材料研制成功作为标志,此后F-15、F-16、F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了复合材料尾翼,此时复合材料用量大约只占全机结构重量的5%。
 
第三阶段:复合材料开始应用于机翼、机身等主要的承力结构,受力很大,规模也很大,主要以美国原麦道公司研制成功FA-18复合材料机翼作为里程碑,此时复合材料用量已提高到了13%,军机结构的复合材料化进程进一步得到推进。
 
此后世界各国所研制的军机机翼一级的部件几乎无一例外地都采用了复合材料,其复合材料用量不断增加,如美国的AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、法国的“阵风”(Rafale)、瑞典的JAS-39、欧洲英、德、意、西四国联合研制的“台风”(EF2000)、俄罗斯的C-37等。
 
需要指出的是,继机翼、机身采用复合材料之后,飞机的最后一个重要部件——起落架也开始了应用复合材料,向着全机结构的复合材料化又迈进了一步。复合材料用在起落架上是代钢而不是代铝,可有更大的减重空间,一般可达40%左右。
 
民用客机
 
第一阶段:采用复合材料制造受力很小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件。
 
第二阶段:制造升降舵、方向舵、襟副翼等受力较小的部件。
 
第三阶段:制造垂尾、平尾受力较大的部件,突破了尾翼级部件在大型客机上的试用,随后B777设计应用了复合材料垂尾、平尾,共用复合材料9.9吨,占结构总重的11%。
 
第四阶段:在飞机最主要受力部件机翼、机身上正式使用复合材料,如波音公司正在研制的B787“梦想”飞机,其复合材料用量达50%。A380超大型客机,其复合材料用量达25%,主要应用部位包括中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板梁和后承压框等,开创了先进复合材料在大型客机上大规模应用的先河。
 
航空复材零件制造成型技术
 
1.树脂转移模塑成形技术(RTM)。树脂转移模塑成型技术是一种低成本复合材料制造方法,最初主要用于飞机次承力结构件,如舱门和检查口盖。
 
2.树脂浸渍技术(RFI)。RFI工艺是一种树脂膜熔渗和纤维预制体相结合的低成本复合材料成型技术。该技术由于只采用传统的真空袋压成型方法,免去了RTM工艺所需的树脂计量注射设备及双面模具的加工,在制造出优异的制品的同时大大降低了制品的成本,目前主要应用于飞机雷达天线罩。RFI适用于大平面或不太复杂的曲面。A380的机翼后缘和后压力隔框,波音787机身的大部分隔框,GEnx的风扇机匣都是采用RFI技术制造。RFI的关键工艺技术包括:预形件成型、树脂流动模拟及控制、编织及缝合设备研究。
 
3.纤维缠绕(Filament Winding)。航空航天用复合材料的研究现状、制备方法、原理和运用该工艺主要用于空心、圆形及椭圆零件,如管路及油箱。纤维束通过一个树脂池浸渍后缠绕到芯轴上,缠绕方向和速度由纤维进给装置控制。这是一项已经发展较为成熟的技术,无论是在自动化、速度、厚度变化、质量和纤维方向上都得到了巨大改进。它是筒形件的低成本快速制造方法。在GEnx风扇包容机匣预形件的制造中,采用了一种编织带缠绕技术,即将编织好的石墨纤维带通过滚筒在芯轴上缠绕数十层,制成预形件。
 
4.自动铺带技术(ATL)。ATL采用有隔离衬纸的单向预浸带,剪裁、定位、铺叠、辊压均采用数控技术自动完成,由自动铺带机实现。按所铺放构件的几何特征,自动铺带机可分为平面铺带和曲面铺带,系统由台架系统和铺带头组成。
 
5.自动铺丝技术(AFP)。自动铺丝技术相对较新并在近年格外受到关注。它兼顾了自动铺叠与纤维缠绕的优点。能够制造复杂形状结构件,对纤维角度不限制。而且具有极大减少生产成本的潜力。
 
航空复材无损检测方法
 
1.涡流检测法。涡流检测法的基本原理是涡流探头中线圈通以交变电流后能产生交变磁场。此方法适用于可以导电的碳纤维增强复合材料,对照标准试样,可以检测出碳纤维增强复合材料的含量与缺陷,而对玻璃纤维增强复合材料以及凯夫拉纤维增强复合材料不适用。
 
2.射线检测法。射线检测法是航空航天复合材料无损检测的主要技术之一,具有4个分支不同的检测方法:X射线照相检测法,根据穿过不同材料的衰减量不同引起透射射线强度的变化,而在胶片上呈现明暗不同的影像,从而检测出被测物体中存在的缺陷;X射线实时成像检测法,该方法的特点在于检测效率高,可实现缺陷的在线检测,且图像处理后可进行缺陷的自动评定;X射线计算机断层扫描法,即工业CT技术,工业CT技术对固体火箭发动机的绝热层和药柱中的气孔、夹杂、裂纹及脱粘等常见缺陷具有很高的检测灵敏度,并能准确测定器尺寸和部位;X射线断层形貌成像法,X射线旋转硬毛成像法作为一种X射线断层形貌成像法,已经应用在直升机不减的质量评价中以及卫生微博反射器复合材料的碳纤维取向测量中,精度达到±0.1°。
 
3.超声波检测法。该方法主要利用复合材料本身或其缺陷性的声学性质对超声波传播的影响来检测材料内部和表面的缺陷,具有灵敏度高、穿透性强、检验速度快、成本低和对人体无害的等优点。
 
4.光学检测法。该方法可以检测出在试样加载时引起温度变化或表面变形的缺陷,具有红外线热成像法、激光全息无损检测法和剪应力成像法三种技术。其中,红外线成像法可用于检查喷漆发动机涡轮叶片和机舵的质量,精度高,测量范围广;激光全息无损检测法是一种干涉计量数,其干涉计量精度与激光波长同数量级,因此极微小的变形也能被检测出来;剪应力成像法可以自动指出航空航天复材诸如脱粘和分层等缺陷。
 
5.声发射检测法。声发射技术已经成为研究复合材料断裂机理的一种重要手段。目前采用该技术可以检测没跟碳纤维或玻璃纤维丝束的质量。此外,声发射技术还可以对老旧飞机疲劳裂纹扩展的动态过程进行监测。
 
航空复材市场分布情况
 
航空复合材料由纤维和树脂材料组成,根据纤维强度划分,纤维加强型材料可分为碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃钢(GFRP)等,2013年,CFRP占整个航空复合材料市场的54.3%,GFRP占25.8%,预计到2018年,CFRP所占份额会增长到67.2%,玻璃钢会减少至17.3%。
 
根据用途不同,航空复合材料可分为机身复合材料、航空发动机复合材料、飞机内部复合材料。2013年,机身所用复合材料占总体的64.6%,航空发动机复合材料占6.9%,飞行器内部占28.5%;预期到2018年,机身所占比重会提高到77.4%,航空发动机占4.8%,飞行器内部占17.8%。
 
新的复合航空材料制造方法有非热压罐工艺(OOA),真空袋成型技术(VBO),压缩铸造法等。例如,非热压罐工艺(OOA)技术,使复合航空材料大量应用在航空器上成为可能,传统的热压处理对零件的大小和产量都有限制,且工序繁杂,加工时间长,加工温度高。使用OOA方法制造复合材料,可有效克服这些问题,并降低成本,降低废品率。

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