航空航天領域用先進復合材料概述

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航空航天市場綜述1.1發(fā)展趨勢概述在研發(fā)技術不斷進步、航空航天對材料采用率增加以及材料和工藝不斷創(chuàng)新的推動下，航空航天領域的新興材料預計將繼續(xù)呈增長軌跡。目前，全球各國政府、學術界和工業(yè)界都在投資新興材料，追求更高的燃油效率、更高的安全性和環(huán)境可持續(xù)性，推動了對輕質、高強度、可持續(xù)和技術先進材料的需求。嚴格的排放標準迫使航空業(yè)開發(fā)能夠顯著減少碳足跡的材料和技術。全球先進航空航天材料令人興奮的舉措之一是美國國家航空航天局（NASA）的先進材料方案，該方案旨在太空探索中開發(fā)先進材料，這包括用于航天器、棲息地和宇航服的材料，這些材料可以承受惡劣的太空條件。目前，NASA正在尋求美國工業(yè)界的概念，以開發(fā)太空中的先進材料和產(chǎn)品，從而造福地球上的生命并發(fā)展近地軌道經(jīng)濟。此外，一項名為“清潔天空2號”的歐洲研究和創(chuàng)新計劃致力于為更環(huán)保的航空業(yè)創(chuàng)造和推進尖端技術。它是原有清潔天空計劃的2.0版本，也是地平線2020框架計劃的組成部分。歐盟在研究和創(chuàng)新方面的主要舉措側重于減少二氧化碳（CO2）和氮氧化物（NOx）的排放。使用增材制造技術為復雜的幾何形狀、獨特的部件和快速原型設計與制造提供了可能性。它降低了材料浪費并簡化了生產(chǎn)。這些材料的創(chuàng)新能夠經(jīng)受住太空旅行嚴酷考驗，提高了人們對太空探索和高超音速飛行的興趣，它們也代表著開發(fā)先進陶瓷、CMC和高溫合金的增長機會。美國國家科學基金會（NSF）、歐洲航天局（ESA）和美國國家航空航天局（NASA）等政府機構為航空航天材料研究提供了大量資金。這些資金支持基礎研究和應用項目，以推動創(chuàng)新和技術進步。全球先進航空航天材料參與者的競爭日益激烈，這有助于不斷推動產(chǎn)品的差異化、成本降低和創(chuàng)新，從而推動市場發(fā)展。先進的航空航天材料行業(yè)由技術創(chuàng)新驅動，公司不斷開發(fā)集成先進材料的新產(chǎn)品和改進產(chǎn)品。收購、產(chǎn)能擴張和技術合作是行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中觀察到的其他趨勢。1.2市場分析2022年全球先進航空航天材料的整體市場規(guī)模為251億美元，預計到2028年將達到387億美元，從2023年到2028年，全球先進航空航天材料市場的復合年增長率預計將達到8.0%。該領域的主要市場驅動因素和機遇包括：全球航空運輸?shù)脑鲩L、嚴格的環(huán)境法規(guī)、航空航天和國防領域對先進復合材料的采用率不斷上升以及太空探索等。2022年，美洲地區(qū)的價值占全球市場的50.1%，其次是歐洲和亞太地區(qū)。由于商用和國防飛機制造商高度集中，美洲地區(qū)在航空航天市場的新興材料中占據(jù)主導地位，美國有幾家公司從事航空航天材料以及基于組件的產(chǎn)品和解決方案的開發(fā)。

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航空航天領域用先進復合材料概述2.1航空航天用先進材料航空航天行業(yè)中的新興材料是一個充滿活力的行業(yè)，它專注于創(chuàng)造和應用尖端材料，以提高飛機和航天器的功能、安全性和可持續(xù)性。先進航空航天材料的市場涵蓋了許多先進材料，這些材料比傳統(tǒng)技術具有更好的性能、更輕的重量、更高的強度、更好的安全性，在某些情況下還具有更低的成本。在材料成本較高的地方，許多先進的航空航天材料可以充分改善其目標應用，從而在其生命周期內(nèi)，通過降低運營成本、燃料使用量以及降低維護和維修成本，抵消其高昂的初始成本。燃料效率在航空航天中受到高度重視，因為它可以降低運營成本和碳排放。實現(xiàn)燃油效率目標的關鍵是開發(fā)更輕、更符合空氣動力學的材料。航空航天業(yè)越來越重視可持續(xù)性問題，包括使用環(huán)保材料和制造技術。盡管這種趨勢推動了市場的增長，但新興材料的開發(fā)和制造成本可能很高，這對其采用產(chǎn)生了負面影響。長期以來，對提高燃料效率、提高性能和提高安全性的需求不斷增長，促使航空航天行業(yè)采用新的、重量更輕、強度更高的材料，而這些材料往往被認為成本過高或難以用于日常生產(chǎn)活動。從歷史上看，航空航天材料市場在20世紀中后期從鋁過渡到碳纖維基復合材料，并持續(xù)到21世紀。這種轉變是在幾十年的時間里逐漸發(fā)生的，主要是由于對更輕、更省油的飛機的需求，以及性能和耐用性的改進。如今，制造商越來越依賴碳纖維增強聚合物（CFRP）。與此同時，該行業(yè)已經(jīng)開始對飛機的重型工作部件進行更嚴格的審查，希望開發(fā)和部署物理上更輕的材料和合金。這種頂級材料將是更輕、更耐高溫的材料，因為這兩種特性都有助于提高燃料效率。先進的材料在當前的發(fā)動機設計中是必不可少的。如今的貧燃發(fā)動機的潛在溫度高達3800°F。因此，這些高效系統(tǒng)也會超高溫燃燒，通常溫度超過目前可用的高溫合金的熔點，約為3500°F。高溫合金仍然是發(fā)動機/渦輪機生產(chǎn)行業(yè)的支柱。然而，它們的重量和有限的熱性能使發(fā)動機生產(chǎn)行業(yè)向一類新的耐熱、輕質材料過渡的時機已經(jīng)成熟。新型材料包括耐熱高溫合金和非金屬陶瓷基復合材料。新興的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)雖然仍處于早期階段，但市場規(guī)模正在增長。現(xiàn)在有80多個國家在太空中擁有衛(wèi)星，SpaceX、OneWeb衛(wèi)星和行星實驗室公司等私營公司越來越多地成為市場上的商業(yè)參與者。截至2023年1月，OneWeb衛(wèi)星共向軌道發(fā)射了542顆衛(wèi)星。航天工業(yè)特種材料的市場規(guī)模仍然很小，而且在今后五年內(nèi)可能仍將如此。因此，本報告不考慮這些問題。然而，與商用飛機行業(yè)的材料重疊很大，因為許多用于太空相關活動和設備的相同材料也被用于飛機。下面將詳細討論先進復合材料材料生產(chǎn)過程中使用的先進技術。2.2航空航天用先進材料碳纖維增強塑料（CFRP）：CFRP經(jīng)常用于增強橋梁和大型建筑等基礎設施構建的強度和結構支撐。值得注意的是，碳纖維的強度是鋼的五倍，剛性是鋼的兩倍。CFRP的制造過程包括幾個階段：首先，碳纖維加工成織物或墊子；然后，用聚合物樹脂（通常是環(huán)氧樹脂）浸漬，形成復合材料；隨后，這種復合材料在固化過程中經(jīng)受高溫和高壓，形成固體材料。公司正在投資研發(fā)活動，以促進這項技術的部署。2023年2月，日本東麗公司推出了一種集成成型技術，旨在快速生產(chǎn)用于移動應用的碳纖維增強塑料部件。這項創(chuàng)新包括采用輕質多孔碳纖維增強泡沫（CFRF）芯，由熱固性預浸料表皮包裹，從而產(chǎn)生優(yōu)異的機械特性。這些部件的重量可能只有鋼鐵部件的一半。在這項技術中，減輕重量和快速生產(chǎn)至關重要。陶瓷基復合材料（CMC）：CMC使用高性能纖維對陶瓷基體進行增強來制造能夠承受高溫的高性能結構。最初，CMC技術被率先用于建造導彈和太空運載火箭的火箭噴嘴。隨后，它在再入飛行器的熱保護系統(tǒng)（TPS）和飛機制動盤制造中得到了應用。開發(fā)陶瓷復合材料是為了解決和緩解與碳化硅、氧化鋁、氮化硅、氮化鋁和氧化鋯等常用陶瓷相關的問題。這些