在過(guò)去的15年里，無(wú)論是從商業(yè)還是技術(shù)的角度來(lái)看，航空航天業(yè)已經(jīng)成為了一個(gè)關(guān)注的焦點(diǎn)。2003年，世界上出現(xiàn)了第一架主要以使用 復(fù)合材料為主的飛機(jī)，Eurofighter。美國(guó)緊隨其后推出了可以稱為當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)F-22，它的性能由于使用了先進(jìn)的材料和制造方法得到了很大的提升。與此同時(shí)，商業(yè)航空領(lǐng)域也見(jiàn)證了兩架具有革命性意義的飛機(jī)：波音787和空客A350投入使用。發(fā)動(dòng)機(jī)原始設(shè)備制造商（OEMs）正在進(jìn)行制造技術(shù)的升級(jí)。先進(jìn)的材料和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)幫助CFM國(guó)際公司（CFM International）的LEAP 56發(fā)動(dòng)機(jī)和普惠公司（Pratt & Whitney）的齒輪渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（GTF）降低了15%的燃油消耗。這些創(chuàng)新的發(fā)動(dòng)機(jī)促使波音公司（Boeing）和空客公司（Airbus）擱置了使用薄板窄體機(jī)身的計(jì)劃，而采用了馬上更換發(fā)動(dòng)機(jī)的解決方案。在未來(lái)的10到15年又會(huì)發(fā)生什么呢? 　　原材料的需求 　　根據(jù)CFM國(guó)際公司（CFM International）的調(diào)查研究顯示，2014年用于軍用和商用飛機(jī)生產(chǎn)、維護(hù)、維修和大修（MRO）的原材料總量大約是680,000噸，其中三分之二是由波音和空客使用的。由于在生產(chǎn)的過(guò)程中存在一定的低效率問(wèn)題，估計(jì)每生產(chǎn)1磅能夠在飛機(jī)上使用的最終材料都需要使用大約6磅的材料進(jìn)行銑削制造，這個(gè)現(xiàn)象用行業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)就是采購(gòu)到飛行的比率為6:1。每個(gè)預(yù)成型的加工制造過(guò)程（鍛造、鑄造、擠出、加工電鍍）都會(huì)造成大量的材料損失。與 碳纖維 復(fù)合材料（CFRP）接近1.5:1的采購(gòu)到飛行比率相比，大多數(shù)合金材料都具有較高的采購(gòu)到飛行比率。航空業(yè)不斷地關(guān)注閉合恢復(fù)程序和近凈成形制造工藝。近凈成型制造工藝的優(yōu)勢(shì)是能夠減少對(duì)難以加工的超高溫合金和鈦合金的加工步驟。 　　總的來(lái)說(shuō)，鋁是最常使用的材料，占到了工業(yè)材料使用率的47%，合金鋼以18%位列第二。超高溫合金和鈦合金所占比例分別為15%和11%。雖然 碳纖維復(fù)合材料（CFRP）只占到了總需求量的4%，但是它是增長(zhǎng)最快的。根據(jù)ICF的預(yù)測(cè)，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的需求量預(yù)計(jì)每年會(huì)增長(zhǎng)6.5%，鈦合金將增長(zhǎng)4.5%，超高溫合金將增長(zhǎng)2%。鋁和合金鋼的增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)在未來(lái)十年將保持平穩(wěn)。 　　下一代 　　由于碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的最終機(jī)械性能還具有可變性，因此理想的碳纖維復(fù)合材料（CFRP）設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步地進(jìn)行優(yōu)化。下一代航空運(yùn)輸飛機(jī)的全新設(shè)計(jì)可能會(huì)將金屬（可能是鋁-鋰合金）機(jī)身與碳纖維復(fù)合材料（CFRP）機(jī)翼、尾翼結(jié)合起來(lái)。使用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）——一種相當(dāng)昂貴的材料——制造機(jī)翼的目的在于它在重量、幾何結(jié)構(gòu)、涂層和剛度（為了達(dá)到更高的高寬比) 等方面都具有性能上的優(yōu)勢(shì)。采用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）結(jié)構(gòu)的一個(gè)挑戰(zhàn)是損傷的檢測(cè)和修復(fù)——金屬機(jī)身常常會(huì)受到來(lái)自扶梯服務(wù)車輛的沖撞從而造成損傷。如果不是波音公司的（737 MAX）和空客公司（A320neo）為升級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)所做出的努力，這些飛機(jī)可能要到十年以后才會(huì)出現(xiàn)。 　　數(shù)據(jù)來(lái)源ICFI (LHS) 　　下一代的材料包括先進(jìn)的鋁-鋰合金以及各種衍生品。包括2000和7000系列熱處理鋁合金。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）在過(guò)去的十年里認(rèn)證的合金數(shù)量比前五十年加在一起的都多，主要是一些定制的鋁合金材料。纖維增強(qiáng)鋁還處于調(diào)查研究的階段。研究的重點(diǎn)是非金屬包裹的非高壓釜熱固性復(fù)合材料和熱塑性擠壓制品，比如縱向加強(qiáng)條等。固化復(fù)合材料需要使用巨大的高壓釜以及高于華氏750°F的溫度進(jìn)行制造。研究人員正在研究碳納米管薄膜，這種薄膜只需使用常規(guī)加工方法總能源消耗的1%就能夠產(chǎn)生很高的熱能。 　　陶瓷基復(fù)合材料（CMCs） 　　用于制造燃?xì)鉁u輪機(jī)的高溫部件，陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）——由碳化硅陶瓷纖維和陶瓷樹(shù)脂制成——這種材料與超高溫合金相比重量只有它的三分之一，卻能承受其兩倍的強(qiáng)度并且能夠提高20%的熱容量。較難進(jìn)行加工和高生產(chǎn)成本是這種材料被廣泛應(yīng)用的主要障礙。 　　在過(guò)去的20年里，通用航空公司（GE Aviation）在這項(xiàng)技術(shù)上的投資花費(fèi)了超過(guò)10億美元，其中的1.25億美元用于建設(shè)在北卡羅萊納州阿什維爾的制造工廠。這種材料將在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)第一階段高壓（HP）壓縮機(jī)覆板上首次投入使用。通用航空公司（GE Aviation）正在HP渦輪機(jī)和GE9X的燃燒室上測(cè)試陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）。2015年2月，通用航空公司（GE Aviation）成功地在F414軍用發(fā)動(dòng)機(jī)上以低壓渦輪葉片（LP）的形式測(cè)試了陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）制成的旋轉(zhuǎn)部件。這種材料憑借在ADVENT軍用發(fā)動(dòng)機(jī)中的優(yōu)良性能表現(xiàn)幫助該公司創(chuàng)造了壓縮機(jī)和渦輪最高溫度的記錄。勞斯萊斯公司（Rolls Royce）目前也在測(cè)試陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）在覆板上的應(yīng)用，然后是靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，最后是旋轉(zhuǎn)的部件。普惠公司（P&W）將重點(diǎn)研究陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）在渦輪葉片和燃燒室中的應(yīng)用。同時(shí)，航空航天行業(yè)也在考慮陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）在渦輪圓盤(pán)中的應(yīng)用。 　　鈦鋁合金（TiAl） 　　鈦-鋁合金（TiAl）的強(qiáng)度和許多超高溫合金相同但是重量卻只有它們的一半，但是由于鈦-鋁合金較低的延展性使其很難進(jìn)行加工。通用航空公司（GE Aviation）的子公司Avio Aero公司正在評(píng)估通過(guò)添加制造的方法生產(chǎn)鈦鋁合金低壓渦輪葉片。這種加工過(guò)程能夠使材料在冷卻后形成復(fù)雜的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)，并最大限度地減少材料在加工過(guò)程中的損失。勞斯萊斯公司（Rolls Royce）正在為制造他們下一代的Trent發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)鈦鋁合金渦輪葉片進(jìn)行評(píng)估。 　　金屬粉末 　　粉末冶金技術(shù)能夠減輕在常規(guī)的鑄造或鍛造過(guò)程中所產(chǎn)生的材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)不均勻的現(xiàn)象。從歷史上來(lái)看，在航空航天的應(yīng)用中，氣體霧化粉末曾經(jīng)用于涂層和等溫鍛造圓盤(pán)上，這項(xiàng)技術(shù)是在19世紀(jì)80年代研發(fā)的。每一家發(fā)動(dòng)機(jī)原始設(shè)備制造商（OEMs）都有自己的專用粉末。現(xiàn)在的重點(diǎn)是添加制造技術(shù)的應(yīng)用，這種技術(shù)主要用于鈦和超高溫合金的制造，這些材料將用于發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的結(jié)構(gòu)之中。新的粉末品種也正在進(jìn)行研發(fā)。制造商們正專注于降低成本和質(zhì)量控制以實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)。 　　商用飛機(jī)產(chǎn)量的增長(zhǎng)，空中客車公司（Airbus）在阿拉巴馬州的移動(dòng)裝配線，給航空材料的需求 帶來(lái)了壓力。（圖片來(lái)源： Airbus） 　　鈦的壓力 　　在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較低的部分，鈦合金風(fēng)機(jī)葉片的統(tǒng)治地位也受到了挑戰(zhàn)。CFM國(guó)際公司（CFM International）和普惠公司（P&W）將分別在他們制造的下一代窄體發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片和風(fēng)扇箱中使用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和鋁鋰合金。因?yàn)镃FM的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)和普惠的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)在直徑上大了約35%，因此需要使用重量較輕的風(fēng)扇。勞斯萊斯公司（Rolls Royce）也宣布他們計(jì)劃為下一代的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)碳鈦合金復(fù)合材料制成的風(fēng)扇。較輕的質(zhì)量使得其所需的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能也越少。此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上減輕了重量意味著同時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)吊架和葉片結(jié)構(gòu)減輕了重量。 　　通常來(lái)說(shuō)，在接下來(lái)的十年里不太會(huì)再出現(xiàn)重要的新材料開(kāi)發(fā)項(xiàng)目了。行業(yè)的主要精力將集中在降低成本（降低采購(gòu)到飛行的比率），先進(jìn)的集成加工技術(shù)，添加制造技術(shù)和自動(dòng)化等方面。鑒于波音公司和空客公司連續(xù)8年的產(chǎn)量積壓，他們急切地希望能夠提高產(chǎn)量，把關(guān)注的重點(diǎn)放在程序執(zhí)行和成本控制上，這是符合邏輯的。波音787研發(fā)制造成本的嚴(yán)重超支以及空客A380項(xiàng)目微薄的盈利使得原始設(shè)備制造商（OEMs）仍然非常關(guān)注利潤(rùn)的增長(zhǎng)。航空業(yè)是一個(gè)保守的行業(yè)。過(guò)去的十年是一個(gè)例外。原始設(shè)備制造商（OEMs）現(xiàn)在雖然能夠通過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)盈利——但是常規(guī)的供應(yīng)商和新興的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也可以。 更多信息請(qǐng)關(guān)注中國(guó)復(fù)合材料信息網(wǎng) www.cnfrp.com