航空航天领域用先进复合材料概述

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航空航天市场综述1.1发展趋势概述在研发技术不断进步、航空航天对材料采用率增加以及材料和工艺不断创新的推动下，航空航天领域的新兴材料预计将继续呈增长轨迹。目前，全球各国政府、学术界和工业界都在投资新兴材料，追求更高的燃油效率、更高的安全性和环境可持续性，推动了对轻质、高强度、可持续和技术先进材料的需求。严格的排放标准迫使航空业开发能够显著减少碳足迹的材料和技术。全球先进航空航天材料令人兴奋的举措之一是美国国家航空航天局（NASA）的先进材料方案，该方案旨在太空探索中开发先进材料，这包括用于航天器、栖息地和宇航服的材料，这些材料可以承受恶劣的太空条件。目前，NASA正在寻求美国工业界的概念，以开发太空中的先进材料和产品，从而造福地球上的生命并发展近地轨道经济。此外，一项名为“清洁天空2号”的欧洲研究和创新计划致力于为更环保的航空业创造和推进尖端技术。它是原有清洁天空计划的2.0版本，也是地平线2020框架计划的组成部分。欧盟在研究和创新方面的主要举措侧重于减少二氧化碳（CO2）和氮氧化物（NOx）的排放。使用增材制造技术为复杂的几何形状、独特的部件和快速原型设计与制造提供了可能性。它降低了材料浪费并简化了生产。这些材料的创新能够经受住太空旅行严酷考验，提高了人们对太空探索和高超音速飞行的兴趣，它们也代表着开发先进陶瓷、CMC和高温合金的增长机会。美国国家科学基金会（NSF）、欧洲航天局（ESA）和美国国家航空航天局（NASA）等政府机构为航空航天材料研究提供了大量资金。这些资金支持基础研究和应用项目，以推动创新和技术进步。全球先进航空航天材料参与者的竞争日益激烈，这有助于不断推动产品的差异化、成本降低和创新，从而推动市场发展。先进的航空航天材料行业由技术创新驱动，公司不断开发集成先进材料的新产品和改进产品。收购、产能扩张和技术合作是行业生态系统中观察到的其他趋势。1.2市场分析2022年全球先进航空航天材料的整体市场规模为251亿美元，预计到2028年将达到387亿美元，从2023年到2028年，全球先进航空航天材料市场的复合年增长率预计将达到8.0%。该领域的主要市场驱动因素和机遇包括：全球航空运输的增长、严格的环境法规、航空航天和国防领域对先进复合材料的采用率不断上升以及太空探索等。2022年，美洲地区的价值占全球市场的50.1%，其次是欧洲和亚太地区。由于商用和国防飞机制造商高度集中，美洲地区在航空航天市场的新兴材料中占据主导地位，美国有几家公司从事航空航天材料以及基于组件的产品和解决方案的开发。

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航空航天领域用先进复合材料概述2.1航空航天用先进材料航空航天行业中的新兴材料是一个充满活力的行业，它专注于创造和应用尖端材料，以提高飞机和航天器的功能、安全性和可持续性。先进航空航天材料的市场涵盖了许多先进材料，这些材料比传统技术具有更好的性能、更轻的重量、更高的强度、更好的安全性，在某些情况下还具有更低的成本。在材料成本较高的地方，许多先进的航空航天材料可以充分改善其目标应用，从而在其生命周期内，通过降低运营成本、燃料使用量以及降低维护和维修成本，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视，因为它可以降低运营成本和碳排放。实现燃油效率目标的关键是开发更轻、更符合空气动力学的材料。航空航天业越来越重视可持续性问题，包括使用环保材料和制造技术。尽管这种趋势推动了市场的增长，但新兴材料的开发和制造成本可能很高，这对其采用产生了负面影响。长期以来，对提高燃料效率、提高性能和提高安全性的需求不断增长，促使航空航天行业采用新的、重量更轻、强度更高的材料，而这些材料往往被认为成本过高或难以用于日常生产活动。从历史上看，航空航天材料市场在20世纪中后期从铝过渡到碳纤维基复合材料，并持续到21世纪。这种转变是在几十年的时间里逐渐发生的，主要是由于对更轻、更省油的飞机的需求，以及性能和耐用性的改进。如今，制造商越来越依赖碳纤维增强聚合物（CFRP）。与此同时，该行业已经开始对飞机的重型工作部件进行更严格的审查，希望开发和部署物理上更轻的材料和合金。这种顶级材料将是更轻、更耐高温的材料，因为这两种特性都有助于提高燃料效率。先进的材料在当前的发动机设计中是必不可少的。如今的贫燃发动机的潜在温度高达3800°F。因此，这些高效系统也会超高温燃烧，通常温度超过目前可用的高温合金的熔点，约为3500°F。高温合金仍然是发动机/涡轮机生产行业的支柱。然而，它们的重量和有限的热性能使发动机生产行业向一类新的耐热、轻质材料过渡的时机已经成熟。新型材料包括耐热高温合金和非金属陶瓷基复合材料。新兴的商业航天产业虽然仍处于早期阶段，但市场规模正在增长。现在有80多个国家在太空中拥有卫星，SpaceX、OneWeb卫星和行星实验室公司等私营公司越来越多地成为市场上的商业参与者。截至2023年1月，OneWeb卫星共向轨道发射了542颗卫星。航天工业特种材料的市场规模仍然很小，而且在今后五年内可能仍将如此。因此，本报告不考虑这些问题。然而，与商用飞机行业的材料重叠很大，因为许多用于太空相关活动和设备的相同材料也被用于飞机。下面将详细讨论先进复合材料材料生产过程中使用的先进技术。2.2航空航天用先进材料碳纤维增强塑料（CFRP）：CFRP经常用于增强桥梁和大型建筑等基础设施构建的强度和结构支撑。值得注意的是，碳纤维的强度是钢的五倍，刚性是钢的两倍。CFRP的制造过程包括几个阶段：首先，碳纤维加工成织物或垫子；然后，用聚合物树脂（通常是环氧树脂）浸渍，形成复合材料；随后，这种复合材料在固化过程中经受高温和高压，形成固体材料。公司正在投资研发活动，以促进这项技术的部署。2023年2月，日本东丽公司推出了一种集成成型技术，旨在快速生产用于移动应用的碳纤维增强塑料部件。这项创新包括采用轻质多孔碳纤维增强泡沫（CFRF）芯，由热固性预浸料表皮包裹，从而产生优异的机械特性。这些部件的重量可能只有钢铁部件的一半。在这项技术中，减轻重量和快速生产至关重要。陶瓷基复合材料（CMC）：CMC使用高性能纤维对陶瓷基体进行增强来制造能够承受高温的高性能结构。最初，CMC技术被率先用于建造导弹和太空运载火箭的火箭喷嘴。随后，它在再入飞行器的热保护系统（TPS）和飞机制动盘制造中得到了应用。开发陶瓷复合材料是为了解决和缓解与碳化硅、氧化铝、氮化硅、氮化铝和氧化锆等常用陶瓷相关的问题。这些