杨超凡·未来十年树脂基复合材料：清晰中带有强烈的不确定性
专栏作家戴尔·布罗修斯（Dale Brosius）认为，未来十年复合材料在航空航天、汽车和其他市场的潜力和不确定的作用。
波音787客机于2011年首次投入使用。图为夏威夷航空公司的787客机。源|波音
在我们进入21世纪20年代之际，有必要反思一下21世纪头10年给复合材料行业带来了什么，以及这些创新可能会(也可能不会)塑造未来。在传统的航空复合材料市场，波音787在2011年投入使用，而类似的复合材料密集型的空客A350 XWB也在2015年投入使用。庞巴迪公司的C系列单通道飞机在2016年投入使用，机翼使用了碳纤维复合材料。空客随后在2018年收购了C系列生产线，将其更名为A220。最后，可悲的是，2019年空客A380的停产，这是一架具有传奇色彩的飞机，开创了许多复合材料创新成果。 在汽车领域，宝马在2013年推出了i3和i8，震撼了整个行业，建立了全球垂直供应链，许多人猜测，碳纤维密集型汽车的时代很快就会一拥而入。两年后，宝马推出了重新设计的7系列，这是一款多材料的汽车，大约有15个碳纤维复合材料结构部件，这可能是大规模采用的替代途径。近十年来，通用汽车(General Motors)推出了一款带有压缩成型碳纤维增强热塑性塑料箱的塞拉德纳利(Sierra Denali)皮卡，并在2019年推出了一款后置发动机版本的克尔维特(Corvette)，它有一个弯曲的后保险杠横梁。 在复合材料回收领域，特别是碳纤维复合材料(除废纤维外)，十年开始时几乎没有供应基地，结束时已有十多家供应商，其中许多为下游应用提供商业碳纤维。风能行业经历了辉煌的10年，全球风电装机容量增长了两倍多，证明是一个强劲的复合材料市场。下个月我将更详细地介绍风能，所以这里将重点介绍航空航天和汽车。 虽然我在美国工作，2019年初我有机会去了很多在英国专注于复合材料研究机构，并在12月我访问了多个在北部和南部德国弗劳恩霍夫研究院和DLR的设施, 以及一些服务于航空航天和汽车的生产设施厂家。这些访问和讨论加强了我在美国对2020年伊始材料和工艺发展方向的观察。虽然各国之间存在着一定程度的差异，但主要的目标是真正在全球范围内提高生产速度和降低成本，回收利用和可持续性是这些研发工作的组成部分。一切都再次证明，如果复合材料要真正取代传统材料，国际合作解决这些问题不仅是有益的，而且是必要的。 尽管问题依然存在，复合材料在航空航天领域的未来正变得越来越清晰。尽管没有正式宣布要替换波音和空客的单通道飞机，但很明显，许多航空航天研究的重点是交付技术，以更高的速度制造、检测和组装大型先进复合材料部件。每年交付100到140架双通道、宽体喷气式飞机是一回事，但每年用复合材料制造主要受力结构，制造700到900架单通道飞机完全是另一回事。当考虑到无人机(UAV)市场和城市空中交通(UAM)(如空中出租车)市场时，其年销量可能达到数千辆。虽然人们对热塑性塑料有相当大的兴趣，但用于客机的大型结构最可能保留在热固性塑料中(真空注入或非热压罐固化预浸料)，而热塑性塑料则用在剪切角片、支架、肋骨和其他较小的部件中。对于无人机和UAM市场，预计行业将考虑热塑性塑料，并结合为汽车开发的技术，如高压树脂转移成型(HP-RTM)，拉挤成型和压缩成型。 另一方面，汽车行业显示出相当大的不确定性。人们对碳纤维复合材料仍有浓厚的兴趣，但它的价值现在必须考虑到电气化、机动性和自主性的其他驱动力，而不仅仅是为了轻量化而轻量化。在过去的10年里，碳纤维复合材料的循环时间和成本已经降低了50%甚至更多，但还有很长的路要走。不连续的碳纤维（短切碳纤维），无论是回收的还是来自成本较低的前体/工艺，都可以作为压缩或注塑复合材料的增强材料，因为这些材料自动化程度高，废品率低。尽管宝马公司最近宣布将继续生产i3直到2024年，但德国汽车工业作为一个整体，正在逐步停止对连续碳纤维（长丝纤维）的新应用。碳纤维在大批量初级结构中的未来，将取决于能否将成品成本降至每公斤不到18欧元(约合每磅10美元)。可能的中期解决方案包括连续的玻璃纤维或混合玻璃纤维/碳纤维结构，以及增加开发混合过模塑（overmolded）构件。 未来10年复合材料的产量会是多少?对于会飞的东西，未来看起来是光明的。但是对于地面交通工具，我们仍然需要一些突破。 - 原文《The coming decade:Clarity with a strong dose of uncertainty》发表在2020.1.28,< CompositeWorld >上。
- 对热塑性树脂复合材料在民机上的应用，作者还没有评议，欧洲已经研发了一些较大型的受力结构件。如，用于单通道、窄体民机的龙骨梁、超厚的吊挂上梁等。
- 作者对汽车行业使用碳纤维复合材料的论述，国外报道中有多相同的观点。
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首次发布时间：2023-12-01
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