详解·空客公司推出“明日之翼” (Wing of Tomorrow)计划_System_XFlow_复合材料_通用_航空_航天_UM_材料_工厂_试验_模具

详解·空客公司推出“明日之翼” (Wing of Tomorrow)计划

本文摘要：（由ai生成）

空客“明日之翼”计划旨在开发高速商用飞机机翼制造技术，目标是在所有可衡量方面提升一个数量级。NCC等合作方正通过树脂注入等工艺优化生产速度，预计2021年完成测试。空客选用赫氏HiTape®和HiMax™干碳增强剂，结合HexFlow RTM6树脂，展示了高效制造工艺。同时，东丽也展示了类似的一体化蒙皮和梁结构复合材料技术。

空客公司推出了“明日之翼” (Wing of Tomorrow)计划，这是其为加快下一代飞机的注入能力而做出的最明显的努力。

研究和开发工作主要在：

空客英国菲尔顿的机翼制造工厂；

英国政府支持的，在布里斯托尔的综合中心(NCC)；

英国政府支持的，在谢菲尔德的先进制造研究中心(AMRC)；

以及商业合作伙伴如：

诺斯罗普·格鲁曼公司（犹他州，美国）；

GKN(布里斯托尔，英国)；

通用航空(汉布尔,英国)；

Spirit AeroSystems(威奇托，堪萨斯州,美国)。

NCC 首席执行官理查德•奥德菲尔德(Richard Oldfield)表示，“明日之翼”项目的目标是开发一种高速商用飞机机翼结构制造工艺，在几乎所有可衡量的方面，该工艺都比目前的机翼制造技术好一个数量级。这意味着更好的自动化，更少的部件，更好的部件集成，更快的周期时间，更快的 NDI（C 扫描无损检测）和更快的组装。他表示:“该计划旨在实现飞机制造领域的根本性变革。”

“明日之翼” 的目标所面临的最艰巨的挑战归结于速度。如果像预期的那样，复合材料被用于制造 A320 替换机型的机翼，根据[ CompositesWorld ]分析，可能的生产速度是每月100 架，也就是每天 3 架以上。目前，与 A320 同类型的、俄罗斯的 MC-21 复合材料机翼，“从预制件的组装到交付组装，复合部件的整个制造周期，到目前为止，大约需要两个月的时间” 。 “注入树脂和固化需要 20 个小时” 。显然，这种材料和工艺技术，不能满足每天 3 架的生产速率。树脂注入工艺是否可以充分优化，以满足这一目标？

NCC 的目的是找出答案。奥德菲尔德说，“明日之翼”的合作伙伴正在与 NCC 合作，通过和在一个分阶段的项目开发树脂注入翼梁、长桁和蒙皮。 (AMRC 正在单独开发机翼箱。 )奥德菲尔德说，空中客车公司已经给出了 NCC 的每个部件的成本、速度和技术成熟度（TRL）目标。根据 NCC 的研究，奥德菲尔德说，“树脂注入似乎是最有潜力的技术。为此，该中心将开发一体化的蒙皮和梁结构，采用工业树脂系统进行树脂注入。所有这些工作都需要大量的空间和资本支出。为此， NCC 正在为“明日之翼”项目扩建设施，并增加 10 台新设备，包括干纤维放置机、模具和计量系统。

NCC 的工作将通过制造 1米、3米、5米的机翼和17米的多次迭代来进行。奥德菲尔德说，对机翼蒙皮和翼梁的全面试验和测试预计将于 2019 年第三季度和 2020 年开始，预计到 2020年年底交付组装成一个完整的机翼结构(机翼箱、蒙皮、翼梁)。整个机翼的测试预计将在 2021 年之前完成。

奥尔德菲尔德表示“我们的目标是让空客及其合作伙伴 :在准备就绪时做出(材料和工艺)决定。”“这是空客做出的正确技术选择吗?”目前前景一片光明。”

编译后的感言：

1、“明日之翼”明确表示，将开发一体化的蒙皮和梁结构。在 2019 JEC 巴黎复合材料展会上，已经展出了这种新结构。东丽也展出了这种结构的尾翼试验件（见《东丽也造飞机结构试验件》）。

2、“明日之翼”采用的工艺是：铺放干纤维带 – 注入树脂 – 高温炉固化。长期以来，空客一直使用赫氏（Hexcel）的复合材料。目前赫氏公布的航空航天创新新材料是， Hexcel 的 HiTape®和 HiMax™干碳增强剂是为了补充新一代 HiFlow™树脂系统而开发的，使用树脂注入工艺生产高质量的航空航天结构。 HiTape®是为预制件的自动铺放而开发的，而 HiMax™是一系列优化的无卷曲织物(NCF)。两种产品都包含一个增韧面膜，以增强机械性能，满足航空航天部件的结构要求。

在 2019JEC 的展会上一个集成的机翼板件演示器和一个I 型梁，两者都是由 HiTape® AS7 增强材料制造的，以及一个由 HiMa™NCF 制造的翼肋。翼肋和 I 梁均采用 C-RTM(压缩树脂转移成型)制造。它们被注入了赫氏的 HexFlow RTM6树脂，整个过程耗时不到 5 分钟。这两个部件的总制造周期只有 4.5 小时。

东丽展示的一体化的蒙皮和梁结构的尾翼试验件，采用的工艺是：铺放预浸树脂的纤维带 - 高温炉固化。目前东丽不用热压罐固化的环氧树脂基材是3960，于它相配合的碳纤维是 T1100。东丽一直是波音主要受力结构，复合材料供应商。 T800/3900 系列就是从 777 尾翼应用开始，直到 787机身、机翼成功使用 T800S/3900-2B。因此可以看出，T1100/3960 系列将是波音新一代 737 主结构使用的碳纤维环氧树脂基复合材料。

3、下一代窄体、单通道民机的复合材料机翼技术，波音和空客采取了不同的材料和制造工艺。 C919 准备用哪种技术？

参考资料：

《Russian renaissance: Leading the OOA revolution? 》 1/1/2014

《Resin infusion: Taking off ? 》 2/17/2016

《Dry fiber placement: Surpassing limits》 2/18/2016

《Infused wing sheds light on aerocomposites future》 8/1/2018

《JEC World 2019: Hexcel》 3/28/2019

《Hexcel’s Composite Innovations For Aerospace, Automotive,
Energy And Marine Applications At JEC World 2019》 4 /3/ 2019

《Large, high-volume, infused composite structures on the aerospace horizon》 6/4/2019

《Spirit AeroSystems invests in qualification program with Toray prepre》 6/6/2019

《东丽也造飞机结构试验件》 6/8/2019

—2019.6.18 完成—

作者简介：杨超凡，飞机制造高级专家，近年专攻民机复合材料。原航空工业部首批研究员级高级工程师，享受国务院特殊津贴。

特别声明:公众号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。

广告免责声明:为了公众号稳定发展，本公众号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公众号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公众号无关，特此声明。

来源：碳纤维生产技术

解析·航空级碳纤维及其复合材料的完整链条

本文摘要：（由ai生成）碳纤维具有高含碳量，小丝束碳纤维性能优越但价格高，主用于航空航天。碳纤维价值链复杂，前驱体PAN原丝技术保密，生产成本高。全球仅少数企业能规模化生产。CFRP提升产品附加值。波音、空客等航司碳纤维供应链全球分布，日本企业占主导。碳纤维（CF）是指含碳量在92％以上的一种纤维状材料，每根CF单丝直径约为5微米至15微米，众多平行长丝组合在一起形成所谓的CF丝束。因此丝束数是指每根丝束内长丝数量，如24K规格代表了CF丝束里具有24,000根长丝。通常丝束规格≤24,000的碳纤维称为小丝束碳纤维，而超过24K长丝的丝束被称为大丝束碳纤维。小丝束碳纤维与大丝束纤维相比具有明显优势，主要体现在铺丝或编织成复合材料后具有更高的拉伸强度和更高的模量，因此小丝束碳纤维主要用于性能要求高的航空航天等行业，而小丝束碳纤维价格往往要显著高于大丝束纤维。本文分析了从制备碳纤维所需的前驱体PAN原丝，到碳纤维（CF）以及最终碳纤维增强聚合物（CFRP）完整链条的成本，并以航空领域波音公司及空客公司在全球范围布局的碳纤维及其复合材料链条进行了解析。01 碳纤维及其复合材料价值链图1显示了将原油转化为碳纤维并最终加工成碳纤维增强聚合物（CFRP）主要工艺步骤，而且标注了从原料、中间产品到终端产品的价值。在前驱体制备过程中，由原油裂解产生的丙烯与氨反应产生丙烯腈（AN）。目前国内外大多数碳纤维制造商是直接从供应商处购买AN，当然也有少数企业，比如三菱丽阳也拥有原油精炼和裂解能力。市场上所有碳纤维制造商都有自己的聚合、纺丝能力，因此从AN转化为CF用前驱体PAN原丝的工艺和配方严格保密。除了AN以外，聚合过程中也会添加一些共聚单体，但是其浓度一般小于5％。与AN一样，这些共聚单体通常也是从供应商处购买。图1 碳纤维及其增强复合材料价值链（单位：美元）虽然碳纤维可以在市场上购买到，但是用于碳纤维生产的PAN原丝却根本无法买到，如日本东丽等企业生产的PAN原丝无论通过何种途径都无法获取，这为仍然主导该行业的日本制造商带来了竞争优势。因而，近期有报道称国内某企业生产PAN原丝已远销海外，但这并不能显示企业核心竞争力提升，因为真正高品质PAN原丝是属于企业核心机密而不会对外销售的。按照图1显示用于碳纤维生产的PAN原丝3-6美元/公斤，然而经过预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理及上浆等工艺后，航空级碳纤维可以达到113美元/公斤。一方面，由于PAN原丝向碳纤维转变过程中始终伴随高温热处理，导致其能耗大幅增加，这也是导致碳纤维成本大幅增加的最为关键因素。另一方面，在PAN原丝向碳纤维转变过程中涉及微观结构演变，如图2所示，而微观结构尤其是缺陷是制约碳纤维性能关键因素，因此PAN原丝向碳纤维转变过程技术也有很高的技术壁垒，而国内外碳纤维制造商非常注重PAN原丝向碳纤维转变过程中的技术保护。图2 碳纤维制备过程中结构转变由于PAN原丝技术、碳纤维制备过程中核心技术等一系列高技术壁垒，同时加上高生产成本，致使国内外能够规模化生产并产生效益的碳纤维供应商仅仅十余家。为了提升碳纤维产品附加值，就必须要制备成CFRP来使用，从CF到CFRP从原料上讲只是增加了树脂基体，而且一般树脂价格比较低廉，加之CFRP具有成熟加工技术和设备。航空级碳纤维113美元/公斤制作成CFRP后价值可达332美元/公斤，而其他领域如汽车、风电叶片、压力容器等，由碳纤维做成终端产品效益也十分可观。02 航空公司碳纤维及其复合材料供应链多数航空航天应用所需的小丝束碳纤维由如下5家碳纤维生产，其中三家为日本企业，且日本碳纤维在空客、波音飞机中均有一定应用，美国Hexcel生产碳纤维主要用于空客A350、A380生产，而美国Cytec氰特公司已于2015年被比利时索尔维收购，但是从其供应目录可以看到中国商飞的C919在列。自从空中客车公司和波音公司在国际上使用重型货机飞机运输宽体飞机机身部分后，这两个主要飞机部件的供应链就广泛分布在全球各地。基于主要碳纤维供应商到预浸料乃至于最终波音787机身的完整供应链条如图3所示。PAN原丝分别由位于日本爱媛县和美国阿拉巴马州Decatur的工厂生产并加工成碳纤维，然后这些碳纤维在华盛顿州塔科马和日本石川加工成预浸料中，随后这些预浸料被运到美国、日本、意大利等用于各个部段生产，最后在查尔斯顿或华盛顿州的埃弗雷特进行最后组装。图3 从PAN原丝、碳纤维到波音787机身供应链条虽然加工厂分布在全球各地，波音公司为了有效降低运输成本，选择生产商大多毗邻机场，如位于威奇托的Spirit Aerosystems机身前部设施和位于意大利格罗塔列的Alenia Aermacchi机身部分设施毗邻主要机场。而三家日本重工业公司 - 富士，三菱和川崎 - 分别制造翼盒，机翼和机身部分。它们都位于名古屋港口，并通过驳船运送到Chubu Centrair国际机场。而空客A350碳纤维及其复合材料链条也是遍及美国、法国、德国、西班牙等国家，如图4所示。图4 从PAN原丝、碳纤维到空客A350机身供应链条03 结束语通过国际两大航空公司布局的碳纤维及其复合材料全球化链条分析可以发现，美国本土碳纤维企业Hexcel服务的是空客公司飞机，而美国波音飞机碳纤维来源则主要是日本东丽公司，因此美、欧、日基本上站在同一战线，通过全球化布局可以整合全球优势资源，进一步确定优势地位，这也是其他国家想发展航空业困难之处。本公众号前不久发的文章，详细回顾了俄罗斯因为受到美、日制裁，关键碳纤维材料被卡脖子，从而影响MC-21客机适航验证。与之相比，国内已经初步解决了航空级小丝束碳纤维关键技术并可实现一定程度量产，但是在资源方面却不可能像空客和波音一样可以随心所欲整合全球优势资源，因此必须依靠自力更生，因此国内航空业碳纤维及其复合材料完整链条建设仍然任重道远。来源：中科院宁波材料所特种纤维事业部特别声明:公众号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公众号稳定发展，本公众号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公众号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公众号无关，特此声明。来源：碳纤维生产技术