经过40多年的研究与发展，我国先进复合材料的技术水平不断提高，复合材料在各类型飞机上的使用范围不断扩大，复合材料用量也随着应用范围的扩大而快速增加。随着飞机对结构轻量化、高性能化、结构功能一体化的要求日益提升，复合材料在飞机的应用占比将持续增加，航空复材零部件制造业将迎来更大的发展机遇。

航空及复合材料

复合材料对航空工业很重要，因为它们具有与金属合金相当的结构强度，但重量更轻。这将提高飞机的燃油效率和性能。

1.复合材料在航空工业中的作用

璃纤维是最常见的复合材料，由嵌入树脂基体的玻璃纤维组成。玻璃纤维在20世纪50年代首次广泛用于船舶和汽车。玻璃纤维在20世纪50年代首次用于波音707客机，当时它只占整个结构的2%。波音公司制造的每一代新飞机都增加了复合材料的使用比例;最高的是787梦幻客机50%的复合材料使用率。

波音787梦想飞机将是第一架主要结构部件由复合材料而不是铝合金制成的商用飞机这款飞机将从老式的玻璃纤维复合材料转向更先进的碳层压和碳夹层复合材料。梦幻客机的翼盒曾遇到过问题，原因是用于制造该部件的复合材料刚度不足这导致了飞机最初交付日期的延迟。为了解决这些问题，波音公司正在通过在已经建造的翼盒上增加新的支架来加强翼盒，同时对尚未建造的翼盒进行修改。

2.复合材料的测试

由于材料的复杂性，通过计算机模拟很难准确地模拟复合材料部件的性能。复合材料通常是层层叠加以增加强度，但这使制造前的测试阶段复杂化，因为这些层的方向不同，很难预测它们在测试时的表现。

也可以对零件进行机械应力测试。这些测试从小型模型开始，然后逐步进行到结构的较大部分，最后到整个结构。这些结构部件被放入液压机中，通过弯曲和扭曲来模拟远超真实飞行中最糟糕预期条件的压力。

3.复合材料使用因素

重量减轻是复合材料使用的最大优势，也是决定其选择的关键因素之一。其他优点包括它的高耐腐蚀性和抗疲劳损伤。这些因素从长远来看对降低飞机的运行成本，进一步提高其效率起到了一定的作用。复合材料的优点是它们可以用成型工艺制成几乎任何形状，但这加剧了本已困难的建模问题。

使用复合材料的一个主要缺点是它们是一种相对较新的材料，因此成本较高。高成本还归因于劳动密集型和通常复杂的制造过程。复合材料很难检查缺陷，而其中一些材料会吸收水分。

相比之下，尽管铝更重，但却容易制造和修理。它可以被撞凹或刺穿，但仍然保持在一起。复合材料不是这样的;如果它们损坏了，就需要立即修复，这既困难又昂贵。

4.节省燃料，减轻重量

燃油消耗取决于几个变量，包括:飞机干重、有效载荷重量、飞机龄、燃料质量、空速、天气等。复合材料制造的飞机部件的重量减少了大约20%，例如787梦想飞机。

5.环境影响

向绿色工程的转变更加明显。我们的环境受到当今社会越来越多的思考和关注。复合材料制造也是如此。

如前所述，复合材料具有较轻的重量和与较重材料相似的强度值。当较轻的复合材料运输或在运输应用中使用时，与较重的替代品相比，环境负荷较低。复合材料也比金属基材料更耐腐蚀，这意味着零件的使用寿命更长从环境的角度来看，这些因素结合在一起使复合材料成为很好的替代材料。

传统生产的复合材料是由石油纤维和树脂制成的，本质上是不可生物降解的这就产生了一个严重的问题，因为一旦复合材料的生命周期结束，大多数复合材料就会被扔进垃圾填埋场由天然纤维制成的可生物降解复合材料正在进行重要的研究生物可降解复合材料的发现可以很容易地大规模制造，并且具有与传统复合材料类似的性能，这将给包括航空工业在内的几个行业带来革命性的变化。

帮助环保工作的另一种选择是回收退役飞机的旧部件。飞机的“非工程化”是一个复杂而昂贵的过程，但由于购买一手零件的成本很高，可能会为公司节省资金。

发展趋势及特点

（1）复合材料实现技术突破，国产化率提高，有望突破“卡脖子”环节

复合材料是引领结构材料革命的典型代表，是反映国家航空航天制造能力、关系国家战略安全的新型军民两用材料，国际严格禁运。因此，各类国家级战略规划重点强调要提高核心零部件及关键基础材料相关自主研发生产能力和制造工艺水平，加快提升国产化率，以实现自主保障。

在碳纤维方面，我国T1000级碳纤维材料已取得了重大突破，完全拥有研发和生产百吨级T1000碳纤维的能力，打破了西方国家的技术垄断，对我国的国防科技工业发展也起到重大的推动作用。

在玻璃纤维方面，我国已成功实现浸润剂原料及配方技术的国产化替代，已有85%的浸润剂化工原料已能够自主制造；目前我国已掌握国际领先的玻璃纤维配方技术，显著提升了产品的强度、耐腐蚀性和耐高温性等。

作为碳纤维的前驱体，高质量的聚丙烯腈原丝是制备高性能碳纤维的前提条件。国外先进企业生产聚丙烯腈原丝的工艺以干喷湿纺工艺为主。干喷湿纺具有较高的牵伸倍数，有利于形成致密化和均质化的丝条，为生产高性能聚丙烯腈原丝创造了有利条件。目前国内公司已突破相关技术壁垒，预计未来国产替代可获突破性进展。

在芳纶纤维方面，国内厂商已突破对位芳纶关键技术，基本型对位芳纶（Kevlar29级）实现稳定批量生产和供应，高强型对位芳纶（Kevlar129级）实现国产化供应，打破了国外企业垄断的局面。预计未来芳纶纤维国产化将进入快速提升期，有利于促进复合材料国产率的提升。

（2）复合材料零部件趋于大型化、整体化、结构功能一体化，制造技术趋于自动化

要实现复合材料用量的突破，必须在机身、机翼等大型部件上实现复合材料的应用，并向大型化、整体化、结构功能一体化进行发展。大型化、整体化、结构功能一体化的大尺寸整体构件具备如下优点：①整体构件系将原本的大型零部件组合整合为一个或几个零部件，有效减少了零部件结构的连接和分段，在实现高承载效率的同时，大幅度地降低了零部件重量，节省了制造成本；②整体成型技术的应用可大幅减少紧固件以及连接件数量，降低装配成本，缩短装配流程，节约装配时间，提升生产效率。

由于大型化、整体化、结构功能一体化整体构件成型工艺复杂、设计和生产难度高，传统的手糊成型、卡板定位、人工组装已难以满足制造精度和周期要求，自动铺丝铺带技术、热隔膜成型以及自动化组装等自动化制造技术应运而生。近年来，我国航空复材零部件自动化制造技术的应用取得了一定的发展，目前已基本实现了数控下料、激光投影铺叠、数控铣切、自动化超声探伤等基本的自动化生产技术。但由于基础薄弱、技术积累缺乏，我国航空复材零部件制造业与欧美国家相比自动化水平仍然偏低，自动化铺丝铺带技术、热隔膜成型以及自动化组装等自动化制造技术尚不能实现批量应用。因此，自动化制造技术的应用研究仍是我国航空复材零部件制造业需要积极开展的工作。

（3）航空复材零部件制造技术向低成本方向发展

航空复材零部件制造向低成本方向发展所涉及的主要技术，包括如下方面：

A、液体成型技术

复合材料制件相对于传统的金属构件制造成本要高很多，因此降低制造成本一直是航空复材零部件制造领域所追求的目标。液体成型技术是一种极具潜力的低成本制造技术，区别于传统的热压罐成型工艺，液体成型技术采用纤维常温或升温固化的工艺，可以极大地节省预浸料低温存放及热压罐工作过程中大量的能源消耗。液体成型技术中，树脂转移模塑成形工艺作为一种闭模成型工艺，可以通过多个芯模的组装，一次成型较为复杂的复合材料构件，并且成品的表面质量相对于热压罐成型更好，生产效率也较高；真空辅助树脂灌注成型技术工艺不需要专门的模具，系利用真空将树脂吸入干纤维预成型体，制造成本较低，通过优化工艺可以制造出与热压罐固化工艺相当的复材零件，也是一种很有潜力的技术。就目前来看，国内的液体成型技术虽取得了一定的研究进展，但离批量应用尚有一定距离，在模具设计、流道布置等方面也需要相应的技术积累。

B、自动铺丝铺带技术

目前在国内的航空复材零部件生产过程中，铺叠环节高度依赖于手工作业，操作风险较高，材料利用率较低，且无法应用于超大部件。目前国内的自动铺丝铺带设备的应用较少，相比国外复材零部件的自动化水平偏低。

自动铺丝铺带技术系利用自动铺带（不同带宽的预浸料）或自动纤维铺放（干态或预浸的纤维束、丝束等）技术直接将纤维、丝束和不同带宽的预浸料按照设计要求铺放成形，然后通过传统的热压罐技术或先进的液体成形技术得到最终的结构制品。自动铺放的复合材料铺层结构与手工铺放的基本一致，但效率和精度更高，并且纤维的连续性不受手工铺放的限制，因此结构完整性更优越。自动铺带及丝束铺放的材料利用率可达到80%-97%，远高于人工铺叠的材料利用率。因此，发展自动铺丝铺带技术有助于提高材料利用率，降低材料成本，是航空复材零部件制造业未来发展的重点方向。

（4）挑战

1、行业整体技术水平与国外先进水平存在差距

近年来，我国航空复材零部件自动化制造技术的应用取得了一定的发展，目前已基本实现了数控下料、激光投影铺叠、数控铣切、自动化超声探伤等基本的自动化生产技术。但由于起步较晚、产业基础较弱、技术积累缺乏，我国航空复材零部件制造业与欧美国家相比自动化水平仍然偏低。此外，在质量检测方面，国外可以通过人工视觉技术对铺叠阶段质量进行自动化检验，有助于提高生产合格率，而国内仍以人工巡检为主，检验效率低且问题反馈速度较慢，可能导致更高的报废成本。综上，国内航空复材零部件制造业相比国外先进外水平仍有差距。

2、专业人才队伍较为缺乏

我国航空零部件产业的发展基础较为薄弱，专业技术人才和管理人才明显不足。随着航空复材零部件市场需求快速增长，业内企业的经营规模将持续扩大，产品、技术等全方位的竞争也将日趋激烈，专业人才缺乏的矛盾将会更加突出。

3、具备国际竞争力的民营企业较少

国内航空复材零部件制造企业大多规模较小、实力有限，具备国际竞争力的民营航空复材零部件制造企业较少。未来随着我国航空制造业的快速发展，以及国家鼓励和引导非公有制资本进入国防科技工业建设领域等政策的深化，国内民营航空复材零部件制造企业仍有较大的提升空间。

最后

随着先进飞行器结构的发展，新设计方法、新材料/工艺/结构及自动化制造设备不断涌现，未来飞机结构呈现复合材料化、整体化、结构功能一体化的特点。复合材料在设计、制造、分析及试验等方面将面临巨大的挑战及机遇，同时随着更轻质、更节能、更高效、更绿色等理念的深度融合，也给复合材料的应用提出了更高的要求。

文章来源： 复材云集，普华有策咨询