航空航天領(lǐng)域用先進(jìn)復(fù)合材料概述

01

航空航天市場綜述1.1發(fā)展趨勢概述在研發(fā)技術(shù)不斷進(jìn)步、航空航天對材料采用率增加以及材料和工藝不斷創(chuàng)新的推動下，航空航天領(lǐng)域的新興材料預(yù)計將繼續(xù)呈增長軌跡。目前，全球各國政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在投資新興材料，追求更高的燃油效率、更高的安全性和環(huán)境可持續(xù)性，推動了對輕質(zhì)、高強度、可持續(xù)和技術(shù)先進(jìn)材料的需求。嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)迫使航空業(yè)開發(fā)能夠顯著減少碳足跡的材料和技術(shù)。全球先進(jìn)航空航天材料令人興奮的舉措之一是美國國家航空航天局（NASA）的先進(jìn)材料方案，該方案旨在太空探索中開發(fā)先進(jìn)材料，這包括用于航天器、棲息地和宇航服的材料，這些材料可以承受惡劣的太空條件。目前，NASA正在尋求美國工業(yè)界的概念，以開發(fā)太空中的先進(jìn)材料和產(chǎn)品，從而造福地球上的生命并發(fā)展近地軌道經(jīng)濟(jì)。此外，一項名為“清潔天空2號”的歐洲研究和創(chuàng)新計劃致力于為更環(huán)保的航空業(yè)創(chuàng)造和推進(jìn)尖端技術(shù)。它是原有清潔天空計劃的2.0版本，也是地平線2020框架計劃的組成部分。歐盟在研究和創(chuàng)新方面的主要舉措側(cè)重于減少二氧化碳（CO2）和氮氧化物（NOx）的排放。使用增材制造技術(shù)為復(fù)雜的幾何形狀、獨特的部件和快速原型設(shè)計與制造提供了可能性。它降低了材料浪費并簡化了生產(chǎn)。這些材料的創(chuàng)新能夠經(jīng)受住太空旅行嚴(yán)酷考驗，提高了人們對太空探索和高超音速飛行的興趣，它們也代表著開發(fā)先進(jìn)陶瓷、CMC和高溫合金的增長機會。美國國家科學(xué)基金會（NSF）、歐洲航天局（ESA）和美國國家航空航天局（NASA）等政府機構(gòu)為航空航天材料研究提供了大量資金。這些資金支持基礎(chǔ)研究和應(yīng)用項目，以推動創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步。全球先進(jìn)航空航天材料參與者的競爭日益激烈，這有助于不斷推動產(chǎn)品的差異化、成本降低和創(chuàng)新，從而推動市場發(fā)展。先進(jìn)的航空航天材料行業(yè)由技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動，公司不斷開發(fā)集成先進(jìn)材料的新產(chǎn)品和改進(jìn)產(chǎn)品。收購、產(chǎn)能擴(kuò)張和技術(shù)合作是行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中觀察到的其他趨勢。1.2市場分析2022年全球先進(jìn)航空航天材料的整體市場規(guī)模為251億美元，預(yù)計到2028年將達(dá)到387億美元，從2023年到2028年，全球先進(jìn)航空航天材料市場的復(fù)合年增長率預(yù)計將達(dá)到8.0%。該領(lǐng)域的主要市場驅(qū)動因素和機遇包括：全球航空運輸?shù)脑鲩L、嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)、航空航天和國防領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)復(fù)合材料的采用率不斷上升以及太空探索等。2022年，美洲地區(qū)的價值占全球市場的50.1%，其次是歐洲和亞太地區(qū)。由于商用和國防飛機制造商高度集中，美洲地區(qū)在航空航天市場的新興材料中占據(jù)主導(dǎo)地位，美國有幾家公司從事航空航天材料以及基于組件的產(chǎn)品和解決方案的開發(fā)。

02

航空航天領(lǐng)域用先進(jìn)復(fù)合材料概述2.1航空航天用先進(jìn)材料航空航天行業(yè)中的新興材料是一個充滿活力的行業(yè)，它專注于創(chuàng)造和應(yīng)用尖端材料，以提高飛機和航天器的功能、安全性和可持續(xù)性。先進(jìn)航空航天材料的市場涵蓋了許多先進(jìn)材料，這些材料比傳統(tǒng)技術(shù)具有更好的性能、更輕的重量、更高的強度、更好的安全性，在某些情況下還具有更低的成本。在材料成本較高的地方，許多先進(jìn)的航空航天材料可以充分改善其目標(biāo)應(yīng)用，從而在其生命周期內(nèi)，通過降低運營成本、燃料使用量以及降低維護(hù)和維修成本，抵消其高昂的初始成本。燃料效率在航空航天中受到高度重視，因為它可以降低運營成本和碳排放。實現(xiàn)燃油效率目標(biāo)的關(guān)鍵是開發(fā)更輕、更符合空氣動力學(xué)的材料。航空航天業(yè)越來越重視可持續(xù)性問題，包括使用環(huán)保材料和制造技術(shù)。盡管這種趨勢推動了市場的增長，但新興材料的開發(fā)和制造成本可能很高，這對其采用產(chǎn)生了負(fù)面影響。長期以來，對提高燃料效率、提高性能和提高安全性的需求不斷增長，促使航空航天行業(yè)采用新的、重量更輕、強度更高的材料，而這些材料往往被認(rèn)為成本過高或難以用于日常生產(chǎn)活動。從歷史上看，航空航天材料市場在20世紀(jì)中后期從鋁過渡到碳纖維基復(fù)合材料，并持續(xù)到21世紀(jì)。這種轉(zhuǎn)變是在幾十年的時間里逐漸發(fā)生的，主要是由于對更輕、更省油的飛機的需求，以及性能和耐用性的改進(jìn)。如今，制造商越來越依賴碳纖維增強聚合物（CFRP）。與此同時，該行業(yè)已經(jīng)開始對飛機的重型工作部件進(jìn)行更嚴(yán)格的審查，希望開發(fā)和部署物理上更輕的材料和合金。這種頂級材料將是更輕、更耐高溫的材料，因為這兩種特性都有助于提高燃料效率。先進(jìn)的材料在當(dāng)前的發(fā)動機設(shè)計中是必不可少的。如今的貧燃發(fā)動機的潛在溫度高達(dá)3800°F。因此，這些高效系統(tǒng)也會超高溫燃燒，通常溫度超過目前可用的高溫合金的熔點，約為3500°F。高溫合金仍然是發(fā)動機/渦輪機生產(chǎn)行業(yè)的支柱。然而，它們的重量和有限的熱性能使發(fā)動機生產(chǎn)行業(yè)向一類新的耐熱、輕質(zhì)材料過渡的時機已經(jīng)成熟。新型材料包括耐熱高溫合金和非金屬陶瓷基復(fù)合材料。新興的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)雖然仍處于早期階段，但市場規(guī)模正在增長?，F(xiàn)在有80多個國家在太空中擁有衛(wèi)星，SpaceX、OneWeb衛(wèi)星和行星實驗室公司等私營公司越來越多地成為市場上的商業(yè)參與者。截至2023年1月，OneWeb衛(wèi)星共向軌道發(fā)射了542顆衛(wèi)星。航天工業(yè)特種材料的市場規(guī)模仍然很小，而且在今后五年內(nèi)可能仍將如此。因此，本報告不考慮這些問題。然而，與商用飛機行業(yè)的材料重疊很大，因為許多用于太空相關(guān)活動和設(shè)備的相同材料也被用于飛機。下面將詳細(xì)討論先進(jìn)復(fù)合材料材料生產(chǎn)過程中使用的先進(jìn)技術(shù)。2.2航空航天用先進(jìn)材料碳纖維增強塑料（CFRP）：CFRP經(jīng)常用于增強橋梁和大型建筑等基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建的強度和結(jié)構(gòu)支撐。值得注意的是，碳纖維的強度是鋼的五倍，剛性是鋼的兩倍。CFRP的制造過程包括幾個階段：首先，碳纖維加工成織物或墊子；然后，用聚合物樹脂（通常是環(huán)氧樹脂）浸漬，形成復(fù)合材料；隨后，這種復(fù)合材料在固化過程中經(jīng)受高溫和高壓，形成固體材料。公司正在投資研發(fā)活動，以促進(jìn)這項技術(shù)的部署。2023年2月，日本東麗公司推出了一種集成成型技術(shù)，旨在快速生產(chǎn)用于移動應(yīng)用的碳纖維增強塑料部件。這項創(chuàng)新包括采用輕質(zhì)多孔碳纖維增強泡沫（CFRF）芯，由熱固性預(yù)浸料表皮包裹，從而產(chǎn)生優(yōu)異的機械特性。這些部件的重量可能只有鋼鐵部件的一半。在這項技術(shù)中，減輕重量和快速生產(chǎn)至關(guān)重要。陶瓷基復(fù)合材料（CMC）：CMC使用高性能纖維對陶瓷基體進(jìn)行增強來制造能夠承受高溫的高性能結(jié)構(gòu)。最初，CMC技術(shù)被率先用于建造導(dǎo)彈和太空運載火箭的火箭噴嘴。隨后，它在再入飛行器的熱保護(hù)系統(tǒng)（TPS）和飛機制動盤制造中得到了應(yīng)用。開發(fā)陶瓷復(fù)合材料是為了解決和緩解與碳化硅、氧化鋁、氮化硅、氮化鋁和氧化鋯等常用陶瓷相關(guān)的問題。這些