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      航空材料:中国民机产业新“蓝海”

      时间:2021年01月07日   来源:

      100多年的世界航空发展史真实演绎了“一代材料,一代飞机”这句话;100多年来,飞机的外型、构造和材料都发生了翻天覆地的变化,可以说,航空业的发展与机体材料、结构材料、发动机材料以及各类组件材料的创新应用密不可分。
        在近日召开的2020(第六届)航空材料与制造工艺上海国际论坛上获悉,随着我国材料工业正在由大变强,以及我国民机产业发展进入快车道,未来航空材料市场的规模可观,国产化也将是大势所趋。
        航空复合材料市场规模可观
        航空材料是航空工业发展的基础,涉及大量的全球进出口贸易。由于航空零部件厂商对材料的高需求,亚太、欧洲和北美地区航空航天材料市场潜力巨大,据预测,全球航空航天材料市场规模到2022年将达到258亿美元,2017年~2022年的年复合增长率则为6.9%。此外,到2023年中国航空业仅复合材料市场的规模就将达到282.7亿元人民币。
        材料是实现先进飞机高性能、轻量化、高可靠性、长寿命、低成本的重要技术保障,而且飞机具有用途多、使用环境多样、服役环境苛刻等特点,这些都对飞机使用的材料和制造技术提出了很高要求。基于飞机材料的重要性,世界航空强国对飞机材料的发展都予以高度重视。航空技术的进步与发展,推动着航空材料的更新。与此同时,新材料的出现以及制造工艺与理化测试技术的进步,又为航空产品的设计与制造提供了重要的物质与技术基础,从而不断推动航空产业的发展。
        截至目前,国产“新舟”系列飞机已交付100余架,ARJ21支线客机交付39架,大型干线客机C919正在密集试飞中,国内外订单达815架,我国民机产业已步入发展快车道。复合材料在航空航天领域的使用已经非常广泛,在大型客机方面,国际上最先进的波音787和空客A350,以及国产大飞机C919和中俄宽体机项目CR929都使用了大量的复合材料。
        据中国商飞复合材料中心典型结构部主任、研发工程师陈萍透露,国内外研发的先进金属材料在国产大飞机C919上都有应用,其中复合材料在C919上主要用于后机身段,复合材料用量约为12%;不过,未来CR929除了机头以外,整个机身和机翼尾翼都计划使用复合材料,用量目标为50%以上。
        她认为,复合材料在大型客机的使用上,是从尾翼等次承力结构向机身、机翼等主承力结构不断扩展。“当前,国内大型客机复合材料在国内的运用技术成熟度和生产效率还有待提高,全自动专业化生产有待实现,液体成型技术有待进入生产线正式开展应用。高性能、高效率、低成本将会是未来原材料领域的主要发展方向。”
        市场对航空材料要求越来越高
        100多年来,人们对飞机的要求越来越高:旅客要求更安全更舒适,制造商要求成本更低更耐用,航空公司要求运营更经济……其实这些需求与航空材料和制造工艺的创新升级密不可分。
        要实现上述目标,对于民机设计者来讲,就要做到减重和长寿命设计;对于材料而言,就需要轻质和高耐损伤容限性能。用通俗的话来讲,就是飞机要足够轻,又要足够耐用。
        中国商飞上海飞机设计研究院型号副主任设计师、研究员李红萍表示,尽管如今新型飞机上复合材料的比例越来越大,金属材料依然是主体,C919铝合金占62%,ARJ21更是占72%。但是新一代铝锂合金已被要求做到轻质,市场对航空材料的要求越来越高。
        结合商飞的使用现状以及国外供应商的研发方向,李红萍预测,未来5年~10年金属材料的主要研发方向有:适用于机身壁板、梁、机身框等部位应用的铝锂合金厚板,适用于机身蒙皮用的铝锂合金薄板,适用于蒙皮壁板长桁用铝锂合金型材,高(中)强高韧耐损伤容限性能的先进铝合金,高耐损伤容限性能、超高强度的不锈钢等。
        航空材料的国产化是大势所趋。中国宝武作为全球钢铁技术的引领者,一直致力于新材料的研发及应用。据宝武特种冶金有限公司副总工程师马天军介绍,宝武特冶产品中的钛合金、高温合金、超高强度钢等与航空材料关联度非常大。该企业在1966年就通过了高温合金双真空冶炼,近年来在国家重大装备材料方面实现了重大突破。与此同时,其新型变形高温合金开发步伐不断加快,还与研究机构合作开发了一系列耐高温难变形的高温合金材料,部分产品实现了工程应用,为航空发动机提供了更多可选材料。他希望未来能在特种冶金等方面进行更多研究,不让冶金技术质量拖航空工业的后腿。
        中国航发北京航空材料研究院副总工程师张学军表示,对于飞机和发动机来说,材料要求轻质、高强度、耐高温,结构要低缺陷、高稳定性,这是航空材料增材制造必须要解决的问题。
        增材制造(Additive Manufacturing,AM)俗称3D打印,融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术,以数字模型文件为基础,通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料,按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的制造技术。与传统的、对原材料切削、组装的加工模式不同,这是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法。这使得过去受到传统制造方式约束而无法实现的复杂结构件制造变为可能。
        为实现增材制造的可靠应用,张学军提出了解决办法,一是通过研究飞机和发动机在组织、表面和结构方面的全流程表现和关键技术,确保飞机和发动机所用的材料和结构的可靠性;二要注意解决基础性问题,提高技术成熟度;三要制定全流程的行业标准。
        建立中国民机材料产业标准体系
        提升航空材料供给水平是先进制造业发展和制造强国建设的重要基础支撑。近年来,国家先后出台了一系列新材料领域的重大政策,对全面推动国家新材料产业结构调整和制造业转型升级指明了方向,提供了发展空间。
        目前,在各方的共同努力下,我国已基本形成比较完整的航空材料研制技术体系和批量生产能力,具备了主要航空装备关键材料的供给能力。但是国产材料装机比例、材料生产企业质量管控能力等仍然与国际先进水平有较大差距。
        为增强民机材料的国际竞争力,提高自主创新能力,中国商飞公司也一直致力于依托大型客机项目提高国内民机新材料的研用水平,以型号需求为牵引,以掌握关键核心技术为目标,推动民用飞机材料产业发展;同时以适航要求为导向,建立符合适航审定要求的民机材料研制和合格鉴定体系,并探索建立中国民机材料产业标准体系。
        为此,中国商飞于2018年10月成立了复合材料中心,主要负责复合材料典型结构以及相关产品从预研、设计、工艺到制造、维修的全过程管理及质量、进度、成本、适航等全要素管理,同时负责商飞复合材料技术体系建设和标准规范编制,以及复合材料产品供应商专业技术的输出和管控等。

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