陈济桁 | 航空复合材料终端市场综述与展望（2024-2025）

截至2024年底，航空旅行总量超过疫情前水平，预计未来30年将实现强劲的长期增长。商用飞机需求将达到历史最高水平——空客和波音公司的积压订单分别为8658架和5595架。然而，生产制造仍然举步维艰，空客交付了766架商用飞机，波音仅交付了348架——总数远低于2018年交付的1800架。尽管供应链问题持续存在，但在特朗普贸易和关税政策出台前，市场已准备好实现健康增长，而长期发展趋势有利于复合材料在新平台应用。与此同时，先进空中交通领域正在蓬勃发展，将进一步推动先进复合材料拓展应用。

 

特朗普上任后的商用飞机市场

 

2024年飞机实际产量与2023年基本持平，但供应链问题很可能至少会在未来18个月延续。在特朗普总统2025年第一季度采取煽动性贸易政策后，情况再次发生了变化。根据英国旅游数据公司OAG的数据，3月份美国十大最繁忙机场外国旅客抵达人数较2024年同期下降了20%，4月份美国和加拿大之间的机票预订量同比下降了75%以上，这种情况促使航空公司纷纷下调收入预期。

 

美国航空制造业损失最大，波音公司面临问题尤其突出。相关报道指出，波音在全球范围内受报复性关税影响的飞机数量可能是空客的三倍。与此同时，空客和非美国供应商均表示，可能会优先考虑美国以外的飞机交付，并在欧洲和亚洲开发替代供应链。尽管这些政策对飞机生产造成实际影响还有待观察，但飞机订单几乎将肯定减少。

 

商用飞机复合材料的长期增长

 

2024年10月，英国市场研究机构Counterpoint介绍了其对航空航天领域碳纤维应用的展望，并指出复合材料密集型飞机（包括空客A220和A350、波音787和777/X等机型）生产率将继续提升。预计到2026年，航空航天碳纤维增强复合材料市场规模将超过2019年的17.4亿美元，达到19.3亿美元，并以10.5%复合年增长率持续增长，预计到2028年达到22.3亿美元。

 

图 1 复合材料密集型飞机的生产率将持续提升。

资料来源：Counterpoint Market Intelligence 的CW碳纤维2024大会上的汇报

 

原始设备制造商已将更多复合材料业务收归内部管理，如湾流、波音对势必锐航空系统公司的收购（空客已接管势必锐在苏格兰普雷斯蒂克、法国圣纳泽尔和美国北卡罗来纳州金斯顿的工厂），再如依托Stelia航宇公司及其他一些工厂组建的全新空客大西洋公司。种种迹象表明复合材料飞机结构制造商正在寻求专业化和差异化，以推动新技术发展和执行效率提高。

 

下一代单通道飞机

 

生产率最高的波音737和空客A320单通道飞机，复合材料的使用比例分别仅为15%和10%。这两种机型均已有超过40多年的历史，市场多年来一直需要一款全新的窄体飞机。行业普遍问题，新的窄体客机平台将于2030年代中期投入使用，并将肯定会采用复合材料机翼，甚至采用复合材料机身，其中后者能否应用取决于有关项目进度和技术成熟度情况。在3月份举行的2025年空客峰会上，空客作为原始设备制造商概述了其下一代单通道飞机的几个要点：

 

• 机翼采用先进的空气动力学和仿生学设计，更长以产生更大的升力，但配有折叠翼尖以适配目前的主流机场。

   

• 开放式风扇发动机采用碳纤维复合材料风扇叶片，与现有发动机相比，可额外减少20%的燃料消耗和二氧化碳排放量。

   

• 混合电力推进，利用锂电池或氢燃料电池的电力，补充辅助传统喷气燃料或可持续航空燃料（SAF）的使用。

   

• 强度更高、重量更轻的复合材料，探索用生物基复合材料和热塑性复合材料替代目前碳纤维增强聚合物的潜力，这不仅可以提高可持续性，且对于后者来说，还可以实现更快、更具成本效益的装配。

 

航空发动机复合材料

 

在不断追求更高性能、更低油耗和更优排放的推动下，复合材料在航空发动机中的应用前景被普遍看好。碳纤维增强聚合物和陶瓷基复合材料的使用预计将会增加。

 

英国罗·罗公司为新型达索猎鹰10X飞机（计划于2027年交付）设计的Pearl 10X涡扇发动机将在发动机短舱、旁通管道、维修门、风扇导轨衬套、整流罩和电缆套管中使用复合材料。为庞巴迪8000飞机设计的GE Passport发动机（计划于2025年投入使用）的发动机短舱、整流罩、排气锥和混合器均采用了碳纤维复合材料和陶瓷基复合材料。Passport发动机还将作为NASA面向2030年后下一代客机的混合热高效核心机（HyTEC）项目的演示平台。该项目将研究在发动机中嵌入电动机以驱动更多飞机系统，以及在增强型燃烧室衬套中使用陶瓷基复合材料高压涡轮（HPT）部件和增强型燃烧室衬套。NASA报告称，增强型燃烧室将在2024年达到技术成熟度5级。罗·罗还将在其XWB-97发动机中使用陶瓷基复合材料增强高压涡轮叶片与静密封之间接口的耐高温性能，该发动机为空客A350-1000提供动力。

 

翼身融合飞机和超音速飞机对复合材料需求旺盛

 

图 2 Natilus公司的Kona无人货运飞机和更大尺寸的Horizon客机的概念渲染图。图片来源：Natilus公司

 

美国Natilus公司、JetZero公司均在开发大量应用复合材料的翼身融合（BWB）飞机。Natilus的Kona无人货运飞机已获得460份预订单，该机翼展85英尺，有效载荷3.8吨，航程达到900海里，机身由80%碳纤维增强复合材料和20%的金属（主要集中在双尾翼和控制面）构成，可根据通用航空指南进行认证，计划于2028年投入使用。Natilus第二款机型Horizon，翼展118英尺，有效载荷25吨，航程3500海里，采用全碳纤维增强复合材料结构制造，计划于2030年代初期投入使用，主攻窄体飞机市场，最多可搭载200名乘客。与现有飞机相比，Kona飞机的载货量增加了一倍，阻力降低了30%，成本降低了高达60%。Horizon飞机的重量将比现有商用喷气式客机减轻25%，载客量增加40%，碳排放量减少50%。JetZero公司翼身融合演示验证平台则计划于2027年试飞，预计可改造为容纳250-260名乘客的喷气式客机，其燃油消耗和碳排放量有望减少50%，预计2030年代初投入使用。

 

图 3 Overture商用客机艺术渲染图。

来源 | Boom Supersonic

 

成立于2014年的美国博姆公司旨在重塑全球超音速航空客运体验。其XB-1演示验证机和“序幕”（Overture）超音速客机几乎完全由碳纤维复合材料制成。XB-1于2025年实现了无音爆超音速飞行。博姆公司将使用XB-1飞行数据为“序幕”开发无音爆巡航。“序幕”飞机首尾总长为201英尺，续航里程为4250海里，可搭载64-80名乘客。由博姆公司自研的“交响乐”（Symphony）涡扇发动机提供动力，“序幕”飞机飞行速度可达1.7马赫。博姆公司已收到130份“序幕”飞机订单和预备订单，其制造超级工厂于2024年6月竣工。第一条装配线将实现年产33架飞机，第二条装配线的投产将使年产量翻一番。该工厂计划于2029年投入运营。

 

热塑性复合材料（TPC）继续进步

 

2024年，“多功能机身演示验证件”项目顺利完成标致着热塑性复合材料航空结构的技术成熟度显著提升，该项目还展示了实现“无尘”装配以及将生产废料在生产卡扣、支架等零部件中再利用的能力。未来几年，甚至在下一代单通道飞机平台问世之前，飞机上有望出现更多热塑性复合材料部件。

 

图 4 柯林斯航宇公司在阿尔梅勒工厂的热塑性复合材料压制成型设备（上）和发动机风扇罩部件（下）

图片来源：柯林斯航宇公司

 

2025年3月，空客德国不来梅公司和法国Pinette PEI公司宣布，安装世界上最大的热塑性复合材料压制成型设备，其加工部件面积可达2×5米，主要用于飞机翼肋、隔框和机身部件等零件的冲压成型和共固结。与此同时，为了确保美国在热塑性复合材料制造技术方面不落后，美国航空材料制造中心（AAMMC）宣布，正在最终确定一台更大规格的压制成型设备，并计划将其安装在位于华盛顿州斯波坎国际机场附近、占地386,000平方英尺的工厂中。AAMMC及其50个联盟伙伴成员的共同目标是加速美国下一代飞机所需的大型热塑性复合材料部件的开发和认证。

 

一级供应商和通用航空飞机制造商法国大合（Daher）也持续开发TPC结构、焊接和回收技术。在庆祝其Shap'in技术中心成立两周年之际，该公司展示了无紧固件装配技术，可使飞机结构重量减轻高达15%。

 

航空复合材料生产效率的竞争

 

促使热塑性复合材料发展的另一个重要动力，是其更快的生产制造周期。为此，空客正在加强供应链建设，以实现到2027年每月能够生产75架窄体飞机的目标。

 

这一目标的提出主要源于全球前所未有的1.7万架飞机积压订单——约占现有机队的50%。但按照目前生产速度，清理这些积压订单需要13.5年。波音和空客预计，到2043年将需要4.2万至4.4万架飞机才能满足日益增长的航旅需求，其中包括3.3万架窄体飞机。

 

解决这一问题的重要案例就是ASCEND计划。这个由GKN航宇公司全球技术中心牵头、为期4年的计划，最终在42个独立研究项目中实现了6级技术成熟度。演示验证的快速固化预浸料包括赫氏的HexPly M51，可在40分钟内完全固化且无需后固化处理，并可在复杂零部件中使用宽度为6.35至300毫米的单向带（广泛适用于AFP和ATL技术）进行验证。同样，世索科（Syensqo）公司的EP2750在热压成型过程中选择采用双隔膜成型和弹簧框架压制成型时，可在30分钟内实现复杂几何构型。

 

其他的航空领域应用进步均与RTM技术有关。例如，GKN航宇公司开发了一套自动化RTM制造单元，包含定制的注塑设备、智能模具和感应加热系统，所有设备和系统都能通过数字孪生架构进行控制，这使得生产线能够以汽车工业的生产速度实现航空航天级产品的质量。通过采用自动化处理与成型技术、快速感应加热和闭环过程控制，GKN改变了复合材料航空结构的生产方式。

 

未来可持续发展重点

 

可持续性要求已成为影响航空制造业的关键因素，指导着下一代发动机和机身的研发决策。空客公司对下一代飞机生物材料一直进行着持续探索，致力于改善未来飞机复合材料的生命周期。空客不仅对即将开发的新技术开展生命周期评估，而且还设置专项开发更具循环性的复合材料解决方案，包括回收和报废解决方案以及生物基复合材料。尽管空客不会在轻量化、性能和安全要求方面妥协，但目前使用的一些复合材料仍有可能找到生物基替代品，相比石油基材料对环境影响更小，不过仍然需要经历同样的鉴定和认证过程。在这方面，人工智能或量子计算工具将成为铺路石。

 

图 5 空客正在其“先锋实验室”直升机中测试生物基复合材料。图片来源：空客：“开拓项目”和“开发适合飞行的生物基复合材料”

 

波音公司也在探索生物基材料，包括更轻、可回收、更耐用的机舱地板以及可回收碳纤维面板等，二者均采用25%生物基树脂制成。

图 6 荷兰液氢（LH2）复合材料储罐联合团队将在2025年前验证用于在民用飞机中储存LH2的全复合材料储罐，使其技术成熟度达到5级。

图片来源：荷兰LH2复合材料储罐联盟

 

氢动力飞机技术的开发仍在持续。尽管空客仍致力于这项技术的发展，但已将其首架ZEROe飞机的服役时间从2035年推迟到2045年，主要原因在于空客认为所需的氢气基础设施、生产、分配和监管框架的全球发展速度低于预期。美国ZeroAvia取得了进展，已获得美国联邦航空管理局（FAA）等机构资助，并为其氢动力推进系统建立了认证基础。

 

复合材料4.0和航空结构中的人工智能技术应用

 

数字化的循环经济将是未来发展重要趋势。复合材料行业正在追求更高的材料数字化，涉及收集和处理数字格式的数据，以实现更高效的存储、访问、连续性和分析。这将使全行业能够以主动、可预测的方式利用信息，从而改进产品由初始创新到报废（EOL）的全寿命周期。数据连续性对于追踪零部件材料历史至关重要。此外，行业还在研究能够加快创新速度的数字化解决方案。数字化和人工智能技术正在赋能改善材料/零件/工具跟踪、检查和降低能耗等活动。

 

图 7 MRAS集成了基于Plataine AI的软件，可动态嵌套多达10个部件的铺层，并将预浸料浪费减少了80%。Eastman传送带切割机使用“切割和收集”软件，将彩色光投射到与分拣台匹配的铺层上，以便进行配套。图片来源：ST Engineering MRAS

 

先进空中交通市场带来的增长与挑战

 

先进空中交通（AAM）是航空和城市/区域交通领域的一次范式转变。尽管为城市空中交通（UAM）和区域空中交通（RAM）开发的无人或有人驾驶电动垂直起降飞机（eVTOL）将彻底改变客运和货运方式，但不断发展的AAM生态系统十分复杂，面临诸多挑战，其中包括技术、监管和公众接受度等方面重大进步。

 

图 8 Beta科技公司生产线上的Alia VTOL。图片来源：Beta科技公司

 

美国乔比航空已完成1500多次试飞，正在进行美国商用客运适航认证所需五个阶段中的第四阶段，已取得突破进展。美国Beta科技公司正在向FAA申请认证两种型号，世索科（Syensqo）已被指定为其复合材料主要供应商，用于主要和次要结构以及非结构部件生产。德国Volocopter公司已在新加坡和巴黎等主要城市进行了试飞，并正在开发全面生态系统，涵盖飞行器、垂直起降机场和维护工厂等，其VoloCity“空中出租车”已获得500多份预订单，该机机身、旋翼叶片和座椅部件均采用复合材料。

 

图 9 德国航空航天中心（DLR）成功对VoloCity eVTOL进行了振动测试。图片来源：德国航空航天中心

 

美国贝恩公司分析预测，到2035年全球eVTOL机队数量将达到12000架，到2040年将达到45000架。不过这仍取决于多种因素，包括电池技术的改进、空中交通管制法律和垂直起降机场基础设施的发展，以及飞机认证和运营表现情况。