未来先进复合材料的重点发展方向

自20世纪80年代初以来,先进复合材料在航空航天领域的应用一直在稳步增长,其原因很明显——它们使飞机比重金属等同类产品更轻、更坚固、更耐用。如今,先进复合材料在大型客机如空客A350XWB等主要结构中所占比例超过50%,它们的应用比例正在飞速上升。

根据相关机构预测分析,随着全球对燃油效率更高、排放更少的飞机的需求增长,未来商用和国防飞机的复合材料比例有可能会超过80%。目前全球航空航天用复合材料几乎被日本东丽、帝人,以及美国Hexcel等公司所垄断,并已经建立了完善的供应链。

对于空客A350和洛克希德马丁F-35战斗机等复合材料密集型飞机而言,其供应链和基础设施的建立旨在以每月数十架飞机的速度生产这些系统。对于一级结构,复合材料组件通常采用传统工艺制造,包括手工铺层、AFP/ATL系统自动铺层和高压釜固化,目前这些工艺足以生产商业和国防航空平台目前所需的数量。

但是,随着近年来一些新兴市场的快速增长,迫切需求先进复合材料生产效率大幅提高,飞机制造有望每月超过100辆。此外在无人机市场领域,美国国防工业正在规划无人机群和相关系统,这些系统仅用于一次任务,每月的生产量将达到数百甚至数千架。

这些高速增长的数量将使现有的供应链和制造过程严重紧张,这也将推动整个复合材料生态系统开发、认证和实施能够满足预期需求的材料系统和制造过程。目前一些材料系统是多年来为复合材料的高速生产而开发的,但这些系统主要用于航空航天以外的行业。

面临诸多挑战,预测将满足这些新兴市场生产量需求的材料解决方案需求主要包括以下几个方面:

快速固化的环氧树脂体系:与当前用于汽车和消费产品应用的相似,压缩成型可能需要几分钟的时间,而且不需要高压釜,目前国外一些公司如美国Hexcel开发的树脂体系处理时间已缩短为10秒。

干态纤维注塑成型工艺:干纤维预成型件在加热和加压下注入树脂。干纤维系统允许在预成型操作中实现自动化,然后与灌输树脂直接兼容。此外,还可以通过创新的固化剂提供更高的性能,并根据需要根据固化温度和条件进行定制。

热塑性树脂体系:热塑性树脂可以在室温下无限期存储,并且可以在几秒钟内固化,非常适合自动化;与热固性系统相比,其韧性更高,并且可以更轻松地回收利用。

增材制造(3D打印)技术:对于具有复杂结构的零件如支架、固定装置和管道,采用碳纤维/热塑性树脂的增材制造技术可以实现大批量生产,事实上,每月可以经济的价格快速生产数百个零件。

2020年1月,美国Hexcel公司在垂直飞行协会变革性垂直飞行会议上介绍了先进空气动力市场(Advanced Air Mobility, AAM)的复合材料展望,这种空间材料的策略是将在汽车树脂技术和航空航天谱系性能的融合在一起。

AAM市场通过将航空航天和汽车行业融合在一起,这会导致复合结构制造效率的整体提高,而且,它将会为航空航天和汽车市场打开使用更多复合材料的市场,并最终将使航空和汽车运输领域的消费者受益。

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