中国航空复合材料行业供需分析 中国航空复合材料行业发展前景研究

自20世纪70年代后,航空工业中复合材料的使用量正在不断地增加。制造飞机结构的传统材料包括铝、钢和钛。复合材料的主要好处是减轻的重量和较简单的装配。性能优势和减轻飞机结构重量是军用飞机复合材料发展的主要推动力。

自20世纪70年代后,航空工业中复合材料的使用量正在不断地增加。制造飞机结构的传统材料包括铝、钢和钛。复合材料的主要好处是减轻的重量和较简单的装配。性能优势和减轻飞机结构重量是军用飞机复合材料发展的主要推动力。虽然商用飞机正日渐关注燃油经济性,但是复合材料发展的主要推动力是不断减少生产和维护成本。复合材料也用于替换老旧飞机上的金属部件。

航空复合材料发展历程

20世纪60年代末,高性能碳纤维作为增强纤维实现了初步的商业化,以连续碳纤维增强的高性能树脂基复合材料应运而生。

20世纪90年代,深入的复合材料研究进一步发现,增韧的热固性树脂基复合材料的剩余压缩强度对大的开口比脆性树脂基复合材料更敏感,增韧材料对大开口敏感性的增加来源于这种高抗分层能力复合材料中纤维的损伤和基体树脂的开裂。因此,复合材料的高性能化改进不仅要提高复合材料的分层阻抗,还要提高其损伤容限,并且平衡这两者的关系。换句话说,就是既要顾及小尺寸损伤(包括大多数冲击损伤),也要顾及大尺寸损伤(包括穿透损伤和切断大开口等)。

到了21世纪的前10年,高性能复合材料飞机应用的两个划时代意义的里程碑当数空客公司的A380飞机和波音公司的“梦幻飞机”波音787飞机,其中,在A380上,高性能复合材料用量达到飞机结构用量的25%;而波音787飞机继续选用Toray公司的Torayca 3900/T800S系列高增韧的环氧树脂基复合材料作为主承力结构用材,部分选用了Hexcel公司的HexMC 8552高增韧环氧树脂基复合材料来制造飞机的大窗框,HexPIy8552/AS4被选用来制造大型复合材料发动机罩等。在波音787上,高性能复合材料的用量高达50%。

1984~2009年,民用飞机适航指导性文件FAA AC 20 – 107A《复合材料飞机结构》一直指导着民用飞机复合材料的结构疲劳、损伤容限要求和符合性验证技术等,2009年,FAA发布的FAA AC 20 – 107B文件总结了近20年复合材料结构发展和应用的成果和经验,丰富完善了FAA AC 20 – 107A文件。

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一、航空复合材料行业概念

自20世纪70年代后,航空工业中复合材料的使用量正在不断地增加。制造飞机结构的传统材料包括铝、钢和钛。复合材料的主要好处是减轻的重量和较简单的装配。性能优势和减轻飞机结构重量是军用飞机复合材料发展的主要推动力。虽然商用飞机正日渐关注燃油经济性,但是复合材料发展的主要推动力是不断减少生产和维护成本。复合材料也用于替换老旧飞机上的金属部件。

国际标准化组织曾在塑料名词术语的定义中,把复合材料定义为:“由两种以上物理和化学上不同的物质组合起来而得到的一种多项体系。”由此可见,复合材料应该是多项体系;而且它们的组合必须有复合效果。

复合材料的含义有两种:广义的指由两个或多个物理相组成的固体材料。例如:纤维增强聚合物、钢筋混凝土、石棉水泥板、橡胶制品、三合板等。狭义的指用高性能玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等增强的塑料、金属和陶瓷材料。

二、航空复合材料行业主要产品分类

按基体材料类型分类

按基体材料类型可分为有机材料基、无机非金属材料基和金属基复合材料三大类,按有机材料类型又可分为树脂基、橡胶基和木质基;按树脂种类分又有热固性树脂基和热塑性树脂基;按无机非金属材料类型可以分为玻璃基、陶瓷基、水泥基和碳基;按陶瓷种类分又有氧化铝基、氧化锆基、石英玻璃基等;按金属种类可以分为铝基、铜基、镁基和钛基等。

按增强体类型分类

按增强体的几何形状可以分为颗粒增强型、纤维增强型和板状复合材料三大类;按颗粒尺寸的大小又可分为弥散增强型和颗粒增强型两类;按增强纤维的长度可以分为连续纤维增强型和非连续增强型两大类;而按非连续纤维的长短又有短纤维增强型和晶须增强型之分;按短纤维在复合材料中的排列方式又有随机排列和定向排列之分;按纤维的种类可以分为玻璃纤维增强、碳纤维增强、芳纶纤维增强、氧化铝纤维增强、氧化锆纤维增强、石英纤维增强、钛酸钾纤维增强和金属丝增强等;而按金属丝的种类又可分为钨丝、铝丝、不锈钢丝等;按层压板增强材料的不同可以分为纸纤维层压板、布纤维层压板、木质纤维层压板、石棉纤维层压板等。

航空复合材料行业主要厂商与市场占有率

目前中国航空复合材料领域,中航工业旗下三家企业可以为各类飞机提供复合材料,占据国内航空复合材料工业重要地位。然而随着航空复合材料的不断发展,碳纤维复合材料的应用比例在未来将会越来越大。目前碳纤维材料主要生产企业及市场占比如下:

图表:碳纤维材料主要厂商市场格局

数据来源:中研普华产业研究院整理

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