复合材料市场的蓝海

曲小

神奇的大自然总是源源不断地馈赠给人类创造的灵感。受到蜂巢结构的启发，复合材料从众多航空材料中脱颖而出。

众所周知，所有的蜂巢都拥有统一的建造角度和模式：正六角形房孔，相邻的房孔共用一堵蜡和丝制成的墙，孔底由3个完全相同的菱形组成。这种构造不仅非常节省材料，还具有极佳的结构稳定性。受此启发，2005年全球首架全复合材料飞机就使用了蜂窝状的碳纤维层合板。这种新材料在保证强度、刚度和耐热性的前提下，比过去飞机上广泛使用的铝、钢和钛合金材料的重量减少了约一半。

正因为具备这些优势，复合材料如今已经成为商用航空领域的“新宠”。2013年，首架A350XWB完成首飞，在这款机型中复合材料所占的比重高达52%，这是继波音787之后复合材料在大型民用客机上又一次成功的应用。时至今日，一些先进机型的复合材料所占比重已经超过了传统金属材料，大量采用复合材料已是大势所趋。

黄金十年

从波音787项目开始，复合材料作为一种新型航空材料被广泛应用于新机型研发中，也正是从那时开始，航空复合材料迎来了其发展的黄金十年。

简单来说，复合材料是指由两种或两种以上具有不同性质的组分经过特定的复合工艺后形成的含有两相或多相结构的材料。尽管各组分在性能上有很大的差异，各自发挥着不同的作用，但是它们之间可以相互协同形成一个统一的整体，从而使复合材料的综合性能要优于各个组成材料。从结构上来讲，复合材料是由起增强作用的相-增强体和起联结作用的连续相-基体组成。

从性能上来看，比强度和比模量高是复合材料最显著的优点。如高模量碳纤维复合材料的比强度为钢的5倍、铝合金的4倍、钛合金的3.5倍，其比模量为钢、铝、钛的4倍甚至更高。其次，耐疲劳性好也是复合材料的重要优点。常用碳纤维增强复合材料的疲劳极限是其抗拉强度的70%～80%，而大多数金属材料仅为30%～50%。

当然，复合材料也有一定的缺点。从力学角度来讲，复合材料目前存在的主要问题是对于疲劳损伤的检测存在一定难度。常规金属材料在进行疲劳检测时有一套成熟的方法，但对于复合材料而言，目前还没有很好的方法对其进行检查。金属材料是一种均质材料，出现裂缝可以很直观地判断出来。复合材料是一些纤维，由很多层叠合而成，是一个非常复杂的结构，里面出现一些小缺陷时不易被发现。所以，制定复合材料无损探伤方面的研究和检查规范就变得十分重要。

广阔市场

随着全球航空运输业的蓬勃发展，2018年全球航空业复合材料需求量达到了265.9万吨。从市场规模来看，2018年全球航空业复合材料市场的产值达到了285亿美元。由此可见，通过近10年的发展，航空复合材料市场已经成为全球复合材料市场中最大的单体市场。据预测，未来20年，全球航空复合材料市场将保持6%的年均增长速度，发展前景十分看好。

具体来看，航空复合材料可以分为4个次级市场，分别对应于民用运输机、军用固定翼飞机、通用和商务航空以及直升机四大领域。其中，民用运输机由于重量大、数量多，在航空复合材料市场中占据了绝对的支配地位，约占80%的市场份额。

根据《2022年前航空航天材料市场全球预测》，通用和商务航空这一次级市场是增长最快的细分市场。根据霍尼韦尔公司和庞巴迪公司的预测，到 2024年，全球将增加9300架公务机，总价值近2700亿美元。因此，飞机交付数量的增加将进一步推动航空复合材料市场的增长。

从地域来看，亚太地区将成为未来增长最快的市场。预计在未来几年内，其增速将引领全球。近年来，中国、日本和印度等亚洲国家持续加大了对航空业的发展力度，因此该地区对于复合材料的需求将继续增长。其中，日本和印度正分别以原材料获取的便利性和低廉的劳动力成本，大力吸引投资者建设生产设施。

此外，随着空运量的增加，尤其是廉价航空公司数量的增长，未来几年，亚太地区对新飞机的需求也将不断增长，很多航空航天材料供应商都积极采用各种策略来提供更好的服务，如新产品研发、企业并购、企业合资和战略合作等，以增加其市场份额。

集群效应

如今，在主要商用飞机制造商波音和空客的大本营——埃弗雷特和图卢兹周边已经形成了较为成熟的复合材料产业集群，尤其在空客施塔德工厂周边，这种产业集群效应十分显著。

位于德国汉堡市的施塔德工厂是空客专门从事复合材料部件制造的工厂。该工厂成立于1983年，目前主要负责生产所有空客系列飞机的垂直尾翼以及A350的外翼上翼面和机身等复合材料部件。经过30多年的发展，施塔德工厂周边聚集了7类23家复合材料生产和研发机构。德国政府还在此地专门成立了CFK Nord复合材料研究中心，使施塔德地区成为世界知名的“复材谷”。

具体来看，围绕施塔德工厂有10家企业进行相关的生产工作。此外，这里还有生产设备支持、检验检测、技术咨询等几十家配套企业。目前，“复材谷”涵盖了从复合材料原材料生产到零部件制造、机构件装配、复合材料回收再利用的全过程，相关培训和检测机构也一应俱全。

在“復材谷”中，从预浸料生产开始就实现了“门对门”的配套。园区内的赫氏预浸料工厂和空客厂区的直线距离只有300米，与Oellerich复合材料零件厂的直线距离只有250米，这极大地方便了预浸料的运输和存储，降低了零部件报废的风险，大大降低了生产成本。

正视差距

近年来，在C919大型客机项目的带动下，我国复合材料研制和生产单位纷纷加大了研发投入力度。从客观上来说，在项目的带动下，我国航空复合材料行业的整体水平有了一定的提高。

在C919项目中，复合材料的应用范围涵盖了方向舵等次承力结构和飞机平尾等主承力结构，主要包括雷达罩、机翼前后缘、活动翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后机身、尾翼等部件。其中，尾翼主盒段和后机身前段使用了先进的第三代中模高强碳纤维复合材料，主承力结构、高温区、增压区使用复合材料在国内民用飞机研制中也属首次。

碳/碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料，具有低密度、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点。用碳/碳复合材料制造的机轮刹车系统，耐高温，性能好，使用寿命是金属材料的2～4倍，重量却只有1/4。在C919项目之前，国内企业几乎没有能力开展此类材料的研制和生产工作。在C919项目的带动下，我国攻克了相关技术，具备了飞机机轮刹车系统的设计、研发、测试、部件制造及系统总装能力。

在看到成绩的同时，我们也必须正视差距。这种差距不仅体现在复合材料的设计生产能力上，也体现在原材料生产、设备制造、检验检测等诸多环节。

首先，客观来讲，我国对复合材料的研究起步较晚，尽管近年来一直在加速发展，但追赶仍需要相当长的时间。

其次，我国复合材料产业链仍然存在比较明显的短板，尤其是在产学研合作方面有待加强。如何将产业链的各个环节理顺，对我国航空材料业未来的发展来说，是一个十分重要的课题。在经济全球化的大背景下，尽管在材料的选择上可以进行全球采购，但是一些关键材料必须要进行自主研发，才能不受制于人。

可喜的是，在C919等大型项目的带动下，我国在材料产业领域的产学研合作探索已经取得了一定的成绩。例如，大连理工大学运载工程与力学学部承担了C919飞机尾翼、中央复合材料壁板等多个部位的试验项目。针对C919飞机对于大型复合材料构件的试验需求，大连理工大学进行了大吨位大尺寸加载系统、承力系统和电测系统建设，开展材料级、结构级、部件级三级的大飞机复合材料结构破坏机理研究，开发数值分析模型和软件，指导、校正实际试验，形成飞机典型复合材料结构破坏行为数据库。

为保证从复合材料壁板各环节处获得准确的试验数据，及时处理意外情况，研发团队对飞机壁板上使用复合材料后特别需要注意的部位贴上了大量应变片，实时采集相关数据。通常情况下，一块大型壁板就需要300～400个通道数据。在C919项目中，大连理工大学研制团队共测试了60多块壁板，大量的试验数据保证了C919飞机所用材料的可靠性。