經(jīng)過40多年的研究與發(fā)展，我國先進(jìn)復(fù)合材料的技術(shù)水平不斷提高，復(fù)合材料在各類型飛機(jī)上的使用范圍不斷擴(kuò)大，復(fù)合材料用量也隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大而快速增加。隨著飛機(jī)對結(jié)構(gòu)輕量化、高性能化、結(jié)構(gòu)功能一體化的要求日益提升，復(fù)合材料在飛機(jī)的應(yīng)用占比將持續(xù)增加，航空復(fù)材零部件制造業(yè)將迎來更大的發(fā)展機(jī)遇。

1、復(fù)合材料及其在航空零部件領(lǐng)域的應(yīng)用

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上具有不同物理、化學(xué)性質(zhì)的材料，以微觀、介觀或宏觀等不同的結(jié)構(gòu)尺度與層次，經(jīng)過復(fù)雜的空間組合而形成的新型材料。目前，航空復(fù)材零部件制造業(yè)所使用的復(fù)合材料主要為碳纖維增強(qiáng)的樹脂基復(fù)合材料。復(fù)合材料相比金屬材料的特點(diǎn)主要有：

（1）比強(qiáng)度和比模量較高

復(fù)合材料表現(xiàn)出與金屬材料不同的力學(xué)性能特征，比強(qiáng)度是指材料強(qiáng)度與密度的比值，比模量是指材料彈性模量與密度的比值，高比強(qiáng)度和比模量意味著較少的材料能承受較高的載荷。由上表可知高強(qiáng)度復(fù)合材料的比強(qiáng)度是鈦合金的近5倍，比模量是鈦合金的近4倍，遠(yuǎn)超金屬材料，因此在相同的強(qiáng)度要求下，使用高強(qiáng)度復(fù)合材料相比金屬材料能大幅降低航空器結(jié)構(gòu)重量，增加航空器航程，充分體現(xiàn)出節(jié)能減排的效益。

（2）各向異性和性能可設(shè)計(jì)性

層壓復(fù)合材料是由單向預(yù)浸帶逐層疊合并固化而成的，宏觀上表現(xiàn)出非均勻性和各向異性。單向帶沿纖維方向的性能與垂直纖維方向的性能差別很大，因此按不同的方向鋪設(shè)不同比例的單向帶，可以設(shè)計(jì)出不同性能的層壓板來滿足不同的結(jié)構(gòu)要求，這種性能可設(shè)計(jì)性也叫性能“剪裁"。通過這種“剪裁”，可以使復(fù)合材料的效率充分發(fā)揮。例如在主承力方向，可以適當(dāng)增加纖維含量比例以達(dá)到提高承載能力的效果，而不需要額外增加結(jié)構(gòu)的重量。各向異性也給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和制造增加了困難，這是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一。

（3）損傷、斷裂和疲勞

復(fù)合材料的各向異性、脆性和非均質(zhì)性，特別是層間性能遠(yuǎn)低于層內(nèi)性能等特點(diǎn)，使復(fù)合材料層壓板的失效機(jī)理與金屬完全不同，因而它們的損傷、斷裂和疲勞性能也有很大差別。另外，復(fù)合材料構(gòu)件制造目前主要靠人工鋪疊和熱壓成形，再加上加工、運(yùn)輸過程中可能受到的外來物沖擊，其制件會比金屬制件更易帶有程度不等的缺陷或損傷。

（4）環(huán)境影響

除了極高的溫度，一般不考慮濕熱對金屬強(qiáng)度的影響，但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)必須考慮濕熱環(huán)境的聯(lián)合作用。這是因?yàn)閺?fù)合材料的基體通常為高分子材料，濕熱的聯(lián)合作用會降低其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（使用上限溫度），從而引起由基體控制的力學(xué)性能（如壓縮、剪切等）的明顯下降。

（5）導(dǎo)電性

金屬有著良好的導(dǎo)電性，復(fù)合材料的導(dǎo)電性則差得多。因此對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須有專門的防雷擊措施，油箱部位要有專門的防靜電設(shè)計(jì)，同時(shí)對安裝大量儀器儀表的設(shè)備艙和雷達(dá)罩，要進(jìn)行特殊的電磁相容性設(shè)計(jì)。

綜上，復(fù)合材料在航空器應(yīng)用的最主要原因在于減輕航空器重量、增加航程，同時(shí)復(fù)合材料還具備耐腐蝕性、可設(shè)計(jì)性、抗疲勞性、熱膨脹系數(shù)低、電磁屏蔽性好等優(yōu)點(diǎn)；但是復(fù)合材料同時(shí)存在材料昂貴、在濕熱條件下性能降低、易發(fā)生沖擊損傷等劣勢。

2、行業(yè)發(fā)展情況

（1）復(fù)合材料在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用

復(fù)合材料在軍機(jī)應(yīng)用的部件從小受力構(gòu)件向主承力構(gòu)件發(fā)展，應(yīng)用情況分為四個(gè)階段：第一階段是應(yīng)用于受載不大的簡單零部件，如各類口蓋、舵面、阻力板、起落架艙門等；第二階段是應(yīng)用于承力較大的尾翼等次級主承力結(jié)構(gòu)件，如垂直安定面、水平安定面、全動平尾、鴨翼等；第三階段是應(yīng)用于主承力結(jié)構(gòu)，如機(jī)翼盒段、機(jī)身等；第四階段是應(yīng)用于起落架系統(tǒng)等。根據(jù)中國航空工業(yè)集團(tuán)公司復(fù)合材料技術(shù)中心主編的《航空復(fù)合材料技術(shù)》，2000年前后世界先進(jìn)軍機(jī)中復(fù)合材料用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20%-50%不等，如B-2隱形轟炸機(jī)使用的復(fù)合材料占飛機(jī)總重量高達(dá)50%。

我國從20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的研究；70年代中期成功研制某殲擊機(jī)復(fù)合材料進(jìn)氣道壁板，這是我國研發(fā)出的第一個(gè)復(fù)合材料飛機(jī)構(gòu)件；1985年帶有復(fù)合材料垂尾的戰(zhàn)斗機(jī)成功首飛；1995年成功研制帶有整體油箱的復(fù)合材料機(jī)翼。當(dāng)前國內(nèi)幾乎所有在役軍機(jī)在不同部件上均有采用復(fù)合材料。根據(jù)中國復(fù)合材料學(xué)會發(fā)布的《軍工復(fù)合材料深度研究報(bào)告》，在四代機(jī)之前的軍機(jī)上，復(fù)合材料的應(yīng)用范圍限于尾翼、鴨翼等次承力結(jié)構(gòu)上，用量占結(jié)構(gòu)重量的比例在10%以下；在新一代軍機(jī)上，復(fù)合材料主要應(yīng)用在機(jī)翼、鴨翼、尾翼、垂尾、中機(jī)身壁板、腹鰭、武器艙門等處，用量達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的約19%。預(yù)計(jì)隨著相關(guān)復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)材料技術(shù)的突破，未來國產(chǎn)軍機(jī)將在機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)上更多地采用復(fù)合材料，用量占比將提高到25%左右。

（2）復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用

民用飛機(jī)作為以載客飛行和運(yùn)營為目的的交通工具，對安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求更加嚴(yán)格，對結(jié)構(gòu)減重也有迫切的需求，從20世紀(jì)70年代初也開始加入了應(yīng)用復(fù)合材料的進(jìn)程。復(fù)合材料在大型民機(jī)上的應(yīng)用，以美國為例，大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：第一階段主要應(yīng)用于受力較小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構(gòu)件；第二階段主要應(yīng)用于受力較小的部件如升降舵、方向舵、襟副翼等，該階段約于80年代中期結(jié)束，我國ARJ21支線飛機(jī)的復(fù)合材料技術(shù)水平大致在這個(gè)階段；第三階段復(fù)合材料應(yīng)用在受力較大的部件上，主要是垂尾和平尾等；第四階段復(fù)合材料進(jìn)入飛機(jī)最主要受力部件機(jī)翼、機(jī)身等的運(yùn)用，波音787飛機(jī)的復(fù)合材料用量為50%，超過了鋁、鈦、鋼的用量總和，主要應(yīng)用在機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、平尾、機(jī)身地板梁、后承壓框等部位，是第一個(gè)采用復(fù)合材料機(jī)翼和機(jī)身的大型商用客機(jī)，代表了飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化的發(fā)展趨勢。

復(fù)合材料在國內(nèi)民用飛機(jī)上尚未實(shí)現(xiàn)大量應(yīng)用，在材料工藝穩(wěn)定性控制手段不足和有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不十分充分的情況下，提高復(fù)合材料的應(yīng)用比例還需要大量實(shí)踐的積累。根據(jù)中國商飛官方網(wǎng)站數(shù)據(jù)，C919的復(fù)合材料用量占比為12%，相比國外先進(jìn)機(jī)型仍存在一定差距；CR929的復(fù)合材料用量占比超過50%，可與國外先進(jìn)機(jī)型比肩。

3、發(fā)展趨勢及特點(diǎn)

（1）復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，國產(chǎn)化率提高，有望突破“卡脖子”環(huán)節(jié)

復(fù)合材料是引領(lǐng)結(jié)構(gòu)材料革命的典型代表，是反映國家航空航天制造能力、關(guān)系國家戰(zhàn)略安全的新型軍民兩用材料，國際嚴(yán)格禁運(yùn)。因此，各類國家級戰(zhàn)略規(guī)劃重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)要提高核心零部件及關(guān)鍵基礎(chǔ)材料相關(guān)自主研發(fā)生產(chǎn)能力和制造工藝水平，加快提升國產(chǎn)化率，以實(shí)現(xiàn)自主保障。

在碳纖維方面，我國T1000級碳纖維材料已取得了重大突破，完全擁有研發(fā)和生產(chǎn)百噸級T1000碳纖維的能力，打破了西方國家的技術(shù)壟斷，對我國的國防科技工業(yè)發(fā)展也起到重大的推動作用。

在玻璃纖維方面，我國已成功實(shí)現(xiàn)浸潤劑原料及配方技術(shù)的國產(chǎn)化替代，已有85%的浸潤劑化工原料已能夠自主制造；目前我國已掌握國際領(lǐng)先的玻璃纖維配方技術(shù)，顯著提升了產(chǎn)品的強(qiáng)度、耐腐蝕性和耐高溫性等。

作為碳纖維的前驅(qū)體，高質(zhì)量的聚丙烯腈原絲是制備高性能碳纖維的前提條件。國外先進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)聚丙烯腈原絲的工藝以干噴濕紡工藝為主。干噴濕紡具有較高的牽伸倍數(shù)，有利于形成致密化和均質(zhì)化的絲條，為生產(chǎn)高性能聚丙烯腈原絲創(chuàng)造了有利條件。目前國內(nèi)公司已突破相關(guān)技術(shù)壁壘，預(yù)計(jì)未來國產(chǎn)替代可獲突破性進(jìn)展。

在芳綸纖維方面，國內(nèi)廠商已突破對位芳綸關(guān)鍵技術(shù)，基本型對位芳綸（Kevlar29級）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定批量生產(chǎn)和供應(yīng)，高強(qiáng)型對位芳綸（Kevlar129級）實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化供應(yīng)，打破了國外企業(yè)壟斷的局面。預(yù)計(jì)未來芳綸纖維國產(chǎn)化將進(jìn)入快速提升期，有利于促進(jìn)復(fù)合材料國產(chǎn)率的提升。

（2）復(fù)合材料零部件趨于大型化、整體化、結(jié)構(gòu)功能一體化，制造技術(shù)趨于自動化

要實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料用量的突破，必須在機(jī)身、機(jī)翼等大型部件上實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的應(yīng)用，并向大型化、整體化、結(jié)構(gòu)功能一體化進(jìn)行發(fā)展。大型化、整體化、結(jié)構(gòu)功能一體化的大尺寸整體構(gòu)件具備如下優(yōu)點(diǎn)：①整體構(gòu)件系將原本的大型零部件組合整合為一個(gè)或幾個(gè)零部件，有效減少了零部件結(jié)構(gòu)的連接和分段，在實(shí)現(xiàn)高承載效率的同時(shí)，大幅度地降低了零部件重量，節(jié)省了制造成本；②整體成型技術(shù)的應(yīng)用可大幅減少緊固件以及連接件數(shù)量，降低裝配成本，縮短裝配流程，節(jié)約裝配時(shí)間，提升生產(chǎn)效率。

由于大型化、整體化、結(jié)構(gòu)功能一體化整體構(gòu)件成型工藝復(fù)雜、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)難度高，傳統(tǒng)的手糊成型、卡板定位、人工組裝已難以滿足制造精度和周期要求，自動鋪絲鋪帶技術(shù)、熱隔膜成型以及自動化組裝等自動化制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。近年來，我國航空復(fù)材零部件自動化制造技術(shù)的應(yīng)用取得了一定的發(fā)展，目前已基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)控下料、激光投影鋪疊、數(shù)控銑切、自動化超聲探傷等基本的自動化生產(chǎn)技術(shù)。但由于基礎(chǔ)薄弱、技術(shù)積累缺乏，我國航空復(fù)材零部件制造業(yè)與歐美國家相比自動化水平仍然偏低，自動化鋪絲鋪帶技術(shù)、熱隔膜成型以及自動化組裝等自動化制造技術(shù)尚不能實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用。因此，自動化制造技術(shù)的應(yīng)用研究仍是我國航空復(fù)材零部件制造業(yè)需要積極開展的工作。

（3）航空復(fù)材零部件制造技術(shù)向低成本方向發(fā)展

航空復(fù)材零部件制造向低成本方向發(fā)展所涉及的主要技術(shù)，包括如下方面：

A、液體成型技術(shù)

復(fù)合材料制件相對于傳統(tǒng)的金屬構(gòu)件制造成本要高很多，因此降低制造成本一直是航空復(fù)材零部件制造領(lǐng)域所追求的目標(biāo)。液體成型技術(shù)是一種極具潛力的低成本制造技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的熱壓罐成型工藝，液體成型技術(shù)采用纖維常溫或升溫固化的工藝，可以極大地節(jié)省預(yù)浸料低溫存放及熱壓罐工作過程中大量的能源消耗。液體成型技術(shù)中，樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形工藝作為一種閉模成型工藝，可以通過多個(gè)芯模的組裝，一次成型較為復(fù)雜的復(fù)合材料構(gòu)件，并且成品的表面質(zhì)量相對于熱壓罐成型更好，生產(chǎn)效率也較高；真空輔助樹脂灌注成型技術(shù)工藝不需要專門的模具，系利用真空將樹脂吸入干纖維預(yù)成型體，制造成本較低，通過優(yōu)化工藝可以制造出與熱壓罐固化工藝相當(dāng)?shù)膹?fù)材零件，也是一種很有潛力的技術(shù)。就目前來看，國內(nèi)的液體成型技術(shù)雖取得了一定的研究進(jìn)展，但離批量應(yīng)用尚有一定距離，在模具設(shè)計(jì)、流道布置等方面也需要相應(yīng)的技術(shù)積累。

B、自動鋪絲鋪帶技術(shù)

目前在國內(nèi)的航空復(fù)材零部件生產(chǎn)過程中，鋪疊環(huán)節(jié)高度依賴于手工作業(yè)，操作風(fēng)險(xiǎn)較高，材料利用率較低，且無法應(yīng)用于超大部件。目前國內(nèi)的自動鋪絲鋪帶設(shè)備的應(yīng)用較少，相比國外復(fù)材零部件的自動化水平偏低。

自動鋪絲鋪帶技術(shù)系利用自動鋪帶（不同帶寬的預(yù)浸料）或自動纖維鋪放（干態(tài)或預(yù)浸的纖維束、絲束等）技術(shù)直接將纖維、絲束和不同帶寬的預(yù)浸料按照設(shè)計(jì)要求鋪放成形，然后通過傳統(tǒng)的熱壓罐技術(shù)或先進(jìn)的液體成形技術(shù)得到最終的結(jié)構(gòu)制品。自動鋪放的復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)與手工鋪放的基本一致，但效率和精度更高，并且纖維的連續(xù)性不受手工鋪放的限制，因此結(jié)構(gòu)完整性更優(yōu)越。自動鋪帶及絲束鋪放的材料利用率可達(dá)到80%-97%，遠(yuǎn)高于人工鋪疊的材料利用率。因此，發(fā)展自動鋪絲鋪帶技術(shù)有助于提高材料利用率，降低材料成本，是航空復(fù)材零部件制造業(yè)未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。

4、挑戰(zhàn)

（1）行業(yè)整體技術(shù)水平與國外先進(jìn)水平存在差距

近年來，我國航空復(fù)材零部件自動化制造技術(shù)的應(yīng)用取得了一定的發(fā)展，目前已基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)控下料、激光投影鋪疊、數(shù)控銑切、自動化超聲探傷等基本的自動化生產(chǎn)技術(shù)。但由于起步較晚、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較弱、技術(shù)積累缺乏，我國航空復(fù)材零部件制造業(yè)與歐美國家相比自動化水平仍然偏低。此外，在質(zhì)量檢測方面，國外可以通過人工視覺技術(shù)對鋪疊階段質(zhì)量進(jìn)行自動化檢驗(yàn)，有助于提高生產(chǎn)合格率，而國內(nèi)仍以人工巡檢為主，檢驗(yàn)效率低且問題反饋速度較慢，可能導(dǎo)致更高的報(bào)廢成本。綜上，國內(nèi)航空復(fù)材零部件制造業(yè)相比國外先進(jìn)外水平仍有差距。

（2）專業(yè)人才隊(duì)伍較為缺乏

我國航空零部件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)較為薄弱，專業(yè)技術(shù)人才和管理人才明顯不足。隨著航空復(fù)材零部件市場需求快速增長，業(yè)內(nèi)企業(yè)的經(jīng)營規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大，產(chǎn)品、技術(shù)等全方位的競爭也將日趨激烈，專業(yè)人才缺乏的矛盾將會更加突出。

（3）具備國際競爭力的民營企業(yè)較少

國內(nèi)航空復(fù)材零部件制造企業(yè)大多規(guī)模較小、實(shí)力有限，具備國際競爭力的民營航空復(fù)材零部件制造企業(yè)較少。未來隨著我國航空制造業(yè)的快速發(fā)展，以及國家鼓勵(lì)和引導(dǎo)非公有制資本進(jìn)入國防科技工業(yè)建設(shè)領(lǐng)域等政策的深化，國內(nèi)民營航空復(fù)材零部件制造企業(yè)仍有較大的提升空間。

更多行業(yè)資料請參考普華有策咨詢《中國航空復(fù)合材料零部件行業(yè)市場調(diào)研及“十四五”發(fā)展趨勢研究報(bào)告》，同時(shí)普華有策咨詢還提供產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告、產(chǎn)業(yè)鏈咨詢、項(xiàng)目可行性報(bào)告、十四五規(guī)劃、BP商業(yè)計(jì)劃書、產(chǎn)業(yè)圖譜、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、藍(lán)白皮書、IPO募投可研、IPO工作底稿咨詢等服務(wù)。

資料來源：普華有策

版權(quán)聲明：復(fù)材云集尊重版權(quán)并感謝每一位作者的辛苦付出與創(chuàng)作；除無法溯源的文章，我們均在文末備注了來源；如文章視頻、圖片、文字涉及版權(quán)問題，請第一時(shí)間聯(lián)系我們，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容！