详解全球先进航空航天材料市场报告：空天技术与新材料的趋势及进展
详解全球先进航空航天材料市场报告：空天技术与新材料的趋势及进展
导读：随着航空航天技术的快速发展，新材料的应用和技术创新成为推动行业进步的关键。本文基于BCC Publishing Staff发布的2023年全球航空航天材料市场报告，深入分析了先进复合材料、增材制造、纳米材料等前沿技术的发展趋势，以及自主飞行系统、超音速飞行等新兴应用领域。
2023年12月，BCC Publishing Staff发布了全球先进航空航天材料市场报告（Global Markets for Advanced Aerospace Materials），该报告总计279页，针对2022年-2028年全球航空航天用不锈钢、铝合金、钛合金、超级合金、碳纤维增强塑料（CFRP）、陶瓷基复合材料（CMC）等先进材料市场规模进行概述。
本系列专题文章旨在针对涉及先进复合材料领域（包括CFRP、CMC等）进行论述，在本文中将会详细介绍航空航天技术与新材料的发展趋势。
航空航天技术与新材料发展趋势
现代航空航天工业的快速发展导致了飞机材料的进步，三个主要驱动因素包括飞机结构中零件的成本下降、轻量化以及使用寿命的延长。
碳纤维增强聚合物（Carbon fiber-reinforced polymer，CFRP）复合材料由于其体积小、耐疲劳和耐腐蚀性，近年来成为航空装备的关键材料。碳纤维增强碳基复合材料，通常又被称为碳/碳（C/C）复合材料，是一种高强度复合材料，由碳或石墨基体组成，并使用高强度的碳纤维进行增强。
目前，航空航天公司正在重新评估其供应链并使其多样化，以确保尖端材料和零部件的可用性。环境问题正在推动可持续航空航天材料的发展。航空航天部门正在研究如何回收和重新利用材料，以最大限度地减少浪费并降低其对环境的影响，其中包括碳纤维复合材料和铝合金的回收。
到2050年实现净零排放的目标将要求航空业大幅减少排放，预计这将通过使用碳捕获技术等举措来实现。航空业必须继续改进传统飞机，提高性能以实现这些目标。洛克希德·马丁公司、雷神技术公司、波音公司、空中客车公司和诺斯罗普·格鲁曼公司是世界航空航天技术领先的几家公司。
空中客车公司宣布从2023年12月起，在不到四年的时间里推出首款兆瓦级氢燃料电池飞机的试飞；雷神技术公司宣布，其导弹与防御公司在开发有助于防御高超音速导弹的技术方面取得了进展。此外，太空探索技术SpaceX公司开发了猎鹰9号可重复使用火箭，这是第一枚能够再飞行的轨道级火箭。所有这些公司都依赖航空航天材料制造商。
随着人们对高超音速飞行和军事应用的兴趣日益浓厚，开发能够承受高超音速飞行恶劣条件的材料至关重要。碳纳米管和石墨烯等纳米材料用于改善航空航天材料的机械、热学和电学性能的应用正在扩大。研究人员还从大自然中汲取灵感，在未来开发出具有自适应、自我修复或其他类似不寻常特性的新材料。
2023年全球航空航天技术新趋势
自主飞行系统
自主飞行系统是指一种无人驾驶飞机，也被称为无人机系统（UAS）或无人机飞行器（UAV）。由于实现了尖端技术的集成，这些设备可以自主飞行、导航和执行各种任务；它们配备了先进的飞行控制系统，包括用于制导、导航和控制的自动驾驶仪、传感器和GPS。
超音速飞行
当飞机移动速度超过音速或1马赫时，就可以超音速飞行。超音速飞机可以以2马赫或更快的速度飞行，是音速的两倍。战斗机、超音速运输机以及协和式飞机和X-15等实验飞机都属于这些机型。2022年8月，美国航空公司宣布计划从Boom supersonic购买新的超音速客机。这些飞机计划在2025年推出，到2029年投入商业使用。
人工智能
航空航天业正在迅速依赖人工智能（AI），而AI也正在改变飞机设计、制造、运营和维护的许多方面。工程师可以使用AI驱动的生成设计技术来创建高效的飞机结构。这些技术可以研究无数的设计备选方案，并在考虑不同约束条件的同时提供最佳选择。
电力推进
电力推进在航空航天领域越来越重要。全电动和混合动力飞机都采用电力推进。这些飞机不需要传统的内燃机，而是使用电池或燃料电池驱动的电动机。电动和混合电动飞机正在被研究用于各种用途，包括货物运输、区域航空旅行和城市空中交通。
零燃料飞机
2020年，空中客车公司公布了第一架商用零排放飞机的三种概念飞机，该飞机可能在2035年投入使用。通过研究多种技术途径和空气动力学配置，这些设计都代表了实现零排放飞行的独特战略，支持空客成为第一个实现整个航空业脱碳的公司的目标。空客的所有设计都依赖氢作为主要能源，因为该公司认为氢作为清洁航空燃料具有巨大潜力，可能有助于航空航天业和许多其他行业实现气候中性目标。
航空航天材料发展新趋势
在不断变化的客户需求和可持续性考虑的推动下，航空航天材料的未来具有巨大的变革性发展潜力。这些技术旨在提高飞机和航天器的性能、可持续性和安全性。
增材制造
航空航天部门受增材制造（AM）的影响极大，增材制造也称为3D打印，它彻底改变了飞机和航天器零件的开发、制造和维护。工程师们现在可以设计和生产极其复杂、重量轻且经过优化的部件，而使用传统技术生产这些部件是不可能的，或者成本高得令人望而却步。具有更好功能和更小重量的零件是这种设计自由的结果。
纳米材料
纳米技术正在使航空航天材料发生革命性的变化。航空航天材料可以用碳纳米管、石墨烯和陶瓷纳米颗粒来增强，以提高其热稳定性和耐高温弹性。这对航空航天工业中的发动机、结构部件、再入飞行器和高超音速飞机尤其有利。
高熵合金
高熵合金是一种多元素、复杂的材料。由于它们具有很高的强度和热稳定性，因此正在被研究用于航空航天部件，包括结构材料和涡轮叶片。
自愈材料
目前正在开发具有自主修复小损伤能力的材料。这些材料可以降低维护成本并延长飞机部件的使用寿命。
超材料
超材料是具有独特特性的合成材料，它们正在被研究用于声学伪装、更好的雷达吸收和隐形技术。
数字孪生
使用数字孪生技术制作真实飞机或航天器的虚拟副本。这些数字孪生提供实时监控、主动维护和模拟，以获得更好的性能和安全性。
先进制造业
为了提高复合材料的生产，正在开发新的制造技术，如自动纤维铺放和树脂转移成型，这些技术在减少浪费的同时提高了准确性。
形状记忆合金
SMA适用于变形机翼技术和自适应结构，因为它们在加热时可以恢复到指定的配置，从而最大限度地提高空气动力学性能。
智能材料
如磁致伸缩和压电材料，在航空航天应用中用于自适应结构，振动控制和降噪。
量子材料
相关材料的研究正在进行，包括量子点和超导材料，用于传感器、探测器和飞机系统的量子计算。
轻质机翼
由尖端材料和形状制成的轻质机翼正在改善机翼的空气动力学和效率，从而减少燃料使用和污染物。
回收和再利用
航空航天行业的制造商正在开发创造性的方法来回收和再使用材料，降低废物和该行业的环境影响。