编者按：古语云“仁者见仁，智者见智”，为了从行业专家学者不同观点中获得更多专业性知识，本公众号开辟了“专家视角”板块，由国内外碳纤维及其复合材料行业内大咖为你解读该领域最新市场和技术。
在本期《专家视角》文章中，来自洛克希德·马丁航空（Lockheed Martin Aeronautics）公司的材料工程师Robert Koon、波音公司技术研究员Karin Anderson以及Spirit AeroSystems公司“威奇托创新未来热塑性塑料团队”研究工程师Joseph Heil三位专家探讨了制约航空航天复合材料快速增长的几个关键因素。
Robert Koon
许多市场研究公司的报告显示，未来几年，全球航空航天复合材料市场将以9%的复合年增长率(CAGR)增长。但是，要达到甚至超过这一增长标准，还有一些障碍需要克服。在亚特兰大CAMX 2023的一场篝火会议上，三位行业领导者介绍了如何解决在航空航天应用中提高复合材料使用的障碍。以下为这些专家总结的七个重要方面:
降低生产成本：行业需要缩小制造复合材料结构和金属结构之间的成本差距。洛克希德·马丁航空公司的材料工程师Robert Koon介绍说：“在我擅长的低成本领域，我们主要与金属竞争。我们正在评估通过弯曲金属板或高速加工铝来制造金属结构的成本。”洛克希德马丁公司正在转向汽车等其他行业寻求灵感。例如，该公司正在与美国空军合作开发长纤维注入技术，类似于目前用于制造约翰迪尔拖拉机引擎盖的工艺。Koon说:“我们正在将用于基准工艺的玻璃纤维和低端聚氨酯转化为碳纤维和高性能树脂。”
改进生产模具：Koon介绍说：“寻找成本最低的制造技术的一个问题是，在某些情况下，我们只生产几十架或几百架飞机，因此，就成本而言，模具对我们来说是一个巨大的挑战。”比如，Koon提到，为一个可能只需要10架飞机的有吸引力的情报、监视和侦察平台建造基准Invar和钢铁工具的时间和成本高的会令人望而却步。根据Koon的观点，解决方案是探索基于聚合物的加工工具和其他快速模具制造技术，以降低模具的成本和周期时间。
提高生产率：波音公司技术研究员Karin Anderson说:“我们把先进材料用于平台方面的很多历史都是在低速无人机上进行的。我们面临的挑战是，如何让飞机制造得足够快，并跟上我们对金属的需求。”Anderson指出，波音公司每天生产两架737 MAX窄体客机。宽体787梦想客机不可能达到这样的速度。“我们没有足够的自动化设备，没有足够的检测设备，没有足够的材料来保持这个速度，就先进材料进入平台而言，这是一个很大的障碍。你必须有足够快的实际能力来构建平台，以支持需要这些产品的行业。”
提高材料性能：虽然复合材料具有众所周知的优点，如强度、模量和轻量化，但它也存在一定局限性。例如，复合材料易受层间性能差的影响。Koon指出，3D编织结构等解决方案已经被引入，并且创新的缝合和针毡技术也在不断发展，以增加复合材料厚度的增强效果。他说:“你可以提高横向性能，但挑战在于你不想在这个过程中破坏平面内性能。这是一种权衡，也是大多数研究的方向。”压缩性能与拉伸性能相匹配的增强将在航空航天设计中节省大量重量。Koon还指出：“我们需要在不牺牲拉伸性能的情况下革命性地改进压缩性能，这就是我们需要做的工作。”
标准化行业流程：Anderson指出，航空航天工业的原始设备制造商以不同的方式建造、分析和检查飞机。“每家公司都有自己的秘方，缺乏标准化意味着只有这个特定的供应商才能做我的那部分，因此，在制造业中很难相互利用。”对于零部件供应商来说，实现多元化并与另一家OEM合作是一项挑战，因为它需要从头开始了解该公司的流程。这反过来又阻碍了复合材料在航空航天市场的进一步扩张。
合格的认定材料：Spirit AeroSystems公司“威奇托创新未来热塑性塑料团队”研究工程师Joseph Heil指出，对先进材料系统进行合格鉴定是必要的，但这是一个漫长而昂贵的过程，往往会阻碍新材料的使用。例如，Heil指出Spirit AeroSystems可以用热塑性材料为客户制造城市空中交通工具，但要获得资格将十分困难。“我们有一个非常强大的系统来做到这一点。这是一种积木式方法。但这需要三年时间和几百万美元。”Heil提出了一种渐进式的资格认证方法——以实验为基础的模拟。Heil说:“我们需要了解这些东西是如何以及为什么协同工作的，这样我们就不会过于依赖于在特定环境下对这种产品进行测试。传统的测试非常缓慢而且非常昂贵。”
员工教育：Anderson讨论了员工从金属材料过渡到复合材料的过程中所面临的挑战。“不仅是工程师。生产车间的工人也是如此，他们已经习惯了把一个金属部件扔到地板上。复合材料做不到这一点，你可能不知道它是否坏了，知道的时候或许为时已晚。”找足够的熟练员工是个问题。Anderson说:“使用复合材料需要大量的培训，这是一个真正的挑战。”
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