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中国碳纤维复合材料终端应用分析

2020-04-22 14:26:02 admin 11


文章来源:江苏技改协


碳纤维复合材料是指以树脂为基体,以碳纤维为增强材料的一种复合材料;碳纤维复合材料具有轻质高强的特点,比强度是铝合金的6倍、钛合金的5倍;比刚度是铝、钛的3.6倍,比强度和比刚度大意味着同样的强度或者刚度需要下,所需要的材料质量更少,也就是结构重量更小。此外,碳纤维复合材料还有抗疲劳和耐腐蚀等优异的性能。



碳纤维复合材料产业链包括上游的碳纤维生产,中游的纤维织物和碳纤维预浸料,中下游的碳纤维复合材料结构件以及最下游的应用的终端产品。碳纤维与树脂的结合,可以是在中游的环节制作成预浸料,也可以是在中下游的结构件制造环节,结构件生产的过程中结合,主要取决于选择的制造工艺。


碳纤维复合材料产业链


复合材料结构在成型过程中,有组分材料之间复杂的物理与化学变化,对于原材料、复合材料设计、工艺方法、工艺参数、工艺过程都有较大的依赖,同时也由于很难准确地控制工艺参数,保证生产过程的一致性也有很大的难度。


制造成本在复合材料成本中占比较大,是复合材料经济性的关键影响因素之一。但同时,制造环节也具有较高的壁垒:一方面,制造设备固定资产投资大,需要较强的资金实力;另一方面,很多制造参数的选择和中间变量的把控难以具体量化和标准化,需要依赖经验丰富的生产人员,一致性一直是复合材料生产的难点之一。


无论是军机的机动性和续航性,还是民机经济性,都对于重量高度敏感,减重是在满足强度条件下飞机设计和结构材料选择的永恒追求。在材料发展和技术进步下,飞机的结构材料也不断变化,强度要求下金属材料替代木材,减重要求下,铝合金、钛合金等轻金属开始大量应用;现阶段,复合材料,尤其是碳纤维复合材料,应用快速增长。


我国军机的复材用量快速提升。伴随着我国航空产业的进步,碳纤维复合材料在各型号军机中的应用占比也持续提升。歼-8Ⅱ是我国首次在歼击机机身中使用碳纤维复合材料、歼-11B、歼-10B、歼-10B用量都达到10%左右,而新一代隐身战斗机歼-20更超过20%。


我国军机复合材料结构占比快速提升


中国周边F-35快速增加,军机换代压力增大。F-35目前进入加速生产期,年产量超过百架,累计交付超过300架;一方面,美国为保证在印度洋-太平洋地区的空中优势,正计划从2020年开始将驻韩美军的F-16战斗机替换为F-35A隐形战斗机,美国亚太地区部署的F-35逐渐增多;另一方面,日、韩、澳大利亚等美国盟友也开始陆续接收F-35,周边国家F-35数量快速增长。


周边国家F-35计划采购数量


2018年我国军机还有大量老旧型号,更新换代需求明确。总量方面,我国军机数量不到美国军机的1/4;军机种类方面,美国作战飞机为我国的1.8倍、特种飞机为我国的9.96倍、加油机为我国的170.67倍、运输机为我国的5.15倍、武装直升机为我国的6.14倍、教练机为我国的8.07倍,差距明显;具体型号方面,歼击机中,我国二代机型歼-7、歼-8占比接近50%,而美国已经淘汰了二代机型,形成了以三代为主,四代为辅的现代化机队。


2018年我国作战飞机各型号比例


2018年我国作战飞机各型号比例


我国作为世界上经济增速最快的国家之一,航空运输市场快速增长。2018-2037年二十年,预计全球客机机队规模将达到47070架,其中,中国机队规模将达到9965架,中国占全球客机机队的比例将从现在的16%增长到21%。新机交付方面,未来二十年,中国预计将交付9008架客机,价值约1.3万亿美元。


我国民航运输飞机数量


当前我国民机以进口为主,波音、空客占据了绝大部分的市场份额。但随着持续研发投入的积淀,我国国产民机已逐步形成体系,呈现快速发展的态势。民机领域,我国目前已拥有支线客机ARJ-21、干线客机C919以及远程宽体客机CR929。并且,ARJ-21已开始批量生产,C919试验试飞快速推进,CR929进入初步设计阶段,三大民机发展节奏呈梯队的快速推进。


国产民机的发展将带来航空复材带来重大发展机遇。一方面,C919、CR929等型号重量更大、复材用量占比更多,随着C919在2021年开始交付,国产民机领域复材需求将呈倍数的提升;另一方面,国产民机的发展,也将为产业链带来国产化的历史机遇,国产复合材料将借此进入民用航空领域,并且有望进一步应用到国外机型。


国产民机状态