【专业讲堂】复合材料在航空领域应用的下一个突破点在哪里？
当波音787Dreamliner和空客A350XWB在十几年前开发出来时，他们承诺航空公司的盈利能力将达到一个新的水平，复合材料行业将有巨大的增长潜力。现在早期的斗争已经结束，复合材料正在助力飞机升空。如今，尽管供应链的困境仍在撼动着航空复合材料行业，但航空复合材料（airspace composite components，ACC）市场仍然是复合材料的最大需求。制造商正在寻找下一个增长领域，他们可能已经找到了：发动机和内饰。
文章涉及国外航空复合材料产业链、市场预测等内容，尤其是当碳纤维在机身结构中应用比例达到天花板时，针对复合材料在飞机上应用新增长点进行深入分析，如碳纤维复合材料在发动机上应用从传统冷段向热段扩展、基于安全需要而采用碳纤维复合材料座椅等替代传统玻璃纤维或铝制座椅等，都会碳纤维复合材料提供了新的增长点。文章内容精彩，全文4000余字，可细细品读。
长期以来，航空业的净利润率一直很低，只有2-3%左右。当波音公司在21世纪初推出787梦想客机时，它为航空公司销售了盈利的想法。这种新型复合材料远程宽体飞机的关键卖点是采用了轻质结构，由50%以上的复合材料制成，比767节省了20%的燃油。
第二架复合材料飞机空客A350 XWB紧随其后，从下图1可以看出，航空公司的盈利能力与燃油成本密切相关，而原始设备制造商则将复合材料飞机的成功押在了这一点上。最终，复合材料飞机取得了成功，并证明了未来航空航天领域将是轻量化材料的关键需求行业。
图1 全球航空公司盈利能力与油价对应关系
航空航天：最发达的复合材料市场
航空航天市场与其他复合材料零部件市场（如汽车）的主要区别在于其成熟度（复合材料自20世纪60年代便已开始在飞机上使用）和弹性（由于稳定的需求，长期的项目和具有挑战性的资格认证过程，确保了成熟供应商的市场份额）。
航空航天项目一旦开发，将持续20多年。例如，737于1967年首次开发，到了2018年3月，第10000台机组从其位于华盛顿的Renton工厂推出。在任何项目中确保一个零件的安全都可以为复合材料零件制造商提供需求保障，使他们能够投资于自己的生产能力。
市场成熟的另一个关键考虑因素是原始设备制造商、行业组织和认证机构进行的漫长、昂贵和具有挑战性的资格认证过程。这些过程持续了几年，原材料供应商和组件制造商都需要通过分析，航空复合材料的下一步是什么？他们能够销售他们的产品。这些工艺还将航空航天复合材料的成本提高到其工业同等材料的6倍。
具有稳定增长的大市场
如今，航空航天领域是复合材料零部件制造商的最大的需求来源。根据Arthur D.Little的市场研究（下图2），它占全球碳纤维需求量（按价值计算）的近60%。航空航天也是一个稳步增长的市场，预计未来五年复合年增长率为7%。
图2 商用喷气式飞机复合部件市场份额细分
在航空航天市场中，飞机部件的复合材料需求量是旋翼机、航天器和国防（导弹和无人驾驶飞行器）需求量总和的四倍。而商用飞机是这一需求的主要驱动力，占飞机市场复合材料部件的90%。截至2018年，A350和787占商用飞机机身系统复合材料需求的绝大部分，A320和737项目的规模要小得多。
ACC市场增长依赖于主要项目的生产增长
ACC市场增长的两个主要驱动力是飞机和飞机生产中的复合材料含量，两者都在增加。据估计，新飞机机身中的平均复合材料含量已从2010年占总空重的7%增加到2018年的13%。
自复合材料商用飞机推出以来，这一比例几乎翻了一番，但Arthur D. Little预计在未来五年内不会有新的商用复合型飞机进入市场。然而，复合材料部件较少的传统项目也在增加，因此预计这一比例在未来五年内只会略有增加。空客和波音都渴望提高其复合材料飞机的生产率，空客仍在加大A350的生产，以达到每月10架的目标。波音公司计划将其787生产率从2018年的每月12增加到每月14架。
欧洲空客和美国波音在有计划地提高领先项目的生产率
供应链问题推动内包
在787梦想客机的开发过程中，波音公司将80%的零部件开发和制造责任移交给了供应商。其目的是利用供应商的专业知识和分散开发成本。这导致全球供应链由来自26个不同国家的参与者组成，最显著的是美国、加拿大、英国、德国、法国、荷兰、瑞典和日本。
外包最初导致波音公司的生产成本下降，然而，供应链的可靠性直线下降。波音公司在发展的每一步都面临着巨大的问题。这架飞机的早期模型得造好几次。原来碳纤维框架太弱，无法支撑机翼，所以必须加固。即使在它完成之后，在测试过程中也出现了问题。第一架飞机最终比原计划晚了三年交付。供应商问题一直困扰着空客和波音。
2018年9月，由于缺少发动机，波音租赁设施前堆积了60架737飞机。由于缺少座位和引擎，787飞机在同一时间堆积在南卡罗来纳州的北查尔斯顿机场前。空客A220和A350项目也受到了冲击，原因是Zodiac Aerospace内部零件的可靠性问题。有一次，10架A350客机停在法国图卢兹（Toulouse）的厕所前。
波音公司在过去十年里，由于外包的速度加快，因此在即将开展的项目中，它正在放弃进一步的外包。例如，波音公司的新777X将拥有与787相似的新型复合材料机翼。787的机翼是三菱在日本制造的。然而，777X的机翼在波音位于华盛顿埃弗雷特的价值10亿美元的新机翼工厂制造。
通用电气正在采购战略复合材料零件
航空发动机制造商通用航空（GE Aviation）也在增加内部采购。不过，其动机与波音不同。通用电气在2018年年中宣布了一个新方向，即专注于航空、电力和可再生能源业务部门。该公司正在逐步剥离其他业务部门，如交通、石油和天然气以及医疗保健。因此，通用电气的投资组合将得到简化，资产负债表将更加稳健。
通用电气的新战略是专注于涡轮机，作为其中的一部分，它专注于战略投资，这将有利于所有三个重点领域，并使公司具有竞争优势。一个有力的例子是复合材料组件制造的内包，在陶瓷基复合材料（CMCs）的情况下，是整个价值链的垂直整合。
随着新一代涡扇发动机的发展，复合材料在航空发动机中的应用越来越多。例如，通用航空长期以来一直在开发复合材料。近年来，其GEnx、LEAP（CFM）和GE9X发动机广泛使用复合材料。从历史上看，复合材料在发动机的冷段使用更为普遍；然而，制造商也开始在热段使用复合材料，例如，通用电气制造的高压压缩机涡轮覆环由CMCs制成。罗尔斯·罗伊斯（Rolls Royce）也已开始为其下一代发动机测试复合材料风扇叶片和CMC涡轮机导流罩。
2012年，GE与Safran和Nippon Carbon成立了一家名为NGS Advanced Fibers的合资企业，生产陶瓷纤维和基体，并将其制成CMC胶带，可用于在其位于北卡罗来纳州阿什维尔的工厂生产CMC部件。该工厂生产安装在通用电气最新一代发动机上的涡轮护罩。该公司还从NGS获得了CMC技术的许可，并向阿拉巴马州的两家工厂投资了2亿美元。一家生产碳化硅纤维，另一家生产碳化硅胶带，出售给通用电气、赛峰和美国国防部。通用电气已经整合了CMC价值链，并相信通过增加CMC的使用而产生的效率将决定航空发动机的未来。
纵向整合导致利润增加
ACC价值链的一端是大型集成供应商，另一端是寡头垄断的OEM。零部件制造商规模较小，数量众多，最近，许多零部件制造商被价值链两边的企业收购，市场上的供应商是生产纤维和树脂的大型企业，如Toray、Hexcel和Solvay。它们通常是水平和垂直集成的。
近年来，他们还进行了中间体整合，如日本帝人收购东河天纳士，Hexcel收购Structil，Toray收购TenCate。之所以具有吸引力，原因有几个：获得额外的利润池，开发对供应商产品的需求，以及成为零部件制造商的一站式商店。供应商也在向组件制造业务整合。零部件制造商规模小，数量多，因为开始制造零部件的资本要求不太高。这类举措的例子包括奥尔巴尼工程复合材料公司收购哈里斯航空公司，东丽和三菱化学公司收购汽车零部件制造商。
在价值链条中，复合材料参与者的盈利能力比较
另一个供应商整合的例子是马来西亚航空复合材料公司，Hexcel和波音的合资企业。大型和合并的系统制造商，甚至OEM往往会寻找组件制造商。有很多例子，包括赛峰（Safran）收购Zodiac、吉凯恩（GKN）收购Fokker、中航（AVIC）收购FACC和萨博（SAAB）收购Applied Composites。系统制造商纵向整合的最常见原因是对其供应链拥有更广泛的控制权，私募股权公司也看到了一个机会，即收购较小的零部件制造商，并将其合并，以创建规模可观的企业。例如，AE工业合作伙伴旗下的Applied Composites、Liberty Hall Capital旗下的AIM Aerospace和Acorn and Edgewater旗下的Unitech Aerospace，这些都显示了ACC市场的吸引力。但是，未来五年内将不会有新的复合机体。增长将来自何处？
航空航天复合材料的增长在哪里？
据飞机专家称，机身内的复合材料部件应用接近天花板，目前的水平约为机身重量的50%。机身的生产将增加，但是，预计在未来五年内不会有新的复合材料机身。因此，复合材料将在推进系统和飞机内部寻找增长点。
最新一代发动机证明，涡扇发动机是复合材料部件的下一个自然增长领域。目前，在最理想的情况下，复合材料约占这些发动机空重的35%。碳纤维复合材料结构件传统上用于冷段，但已经向热段内部发展。短舱是第一组被转换为碳纤维复合材料的部件，其次是风扇叶片.
另一方面，CMC已经证明能够在发动机的热段发挥非常好的性能。CMC部件可以在飞机发动机的燃烧温度（1500°C）下工作而不燃烧。传统上用于这些部件的金属在1300°C下开始熔化。降低发动机的冷却要求可以将空气导入发动机内部以提高效率。此外，这些CMC部件的重量是类似用途金属部件的三分之一。
在GE9X发动机上，燃烧室、护罩、叶片和喷嘴由CMC制成。该发动机将用于波音777X，其效率比用于777的GE90发动机高10%。通用电气认为，燃料效率提高2%直接归因于CMC组件。
飞机内饰可以为复合材料零部件制造商提供另一个良好的机会。据飞机维修专家介绍，运营商平均每四五年更换一次座椅，整个飞机内部每八九年更换一次。玻璃纤维复合材料组件已经在一些部件中使用，如侧墙、高架垃圾箱、厨房和座椅外壳。但是，由于安全法规的要求，需要用更坚固的材料来代替座椅结构中使用的铝，目前已经开始使用黑色金属替代物，例如碳纤维替代铝座椅板。然而，要使复合材料在座椅结构中获得显著的市场份额，这些座椅的设计需要重新考虑。Zodiac和Hexcel等一些创新型公司正在合作开发复合材料座椅设计。
结 论
由于复合材料飞机、A350和787带来了可靠的潜在需求，航空航天复合材料结构件现在并将继续保持有吸引力的市场。复合材料正在出现新的增长机会，特别是在涡扇发动机的热点领域和飞机内饰如座椅结构领域。
复合零件制造商应该投资于使其成为供应链中可靠的一部分，并继续进行创新。创新型企业将创造新的复合材料和设计，以确保航空复合材料市场的增长。垂直整合、原始设备制造商（OEM）内购和私募股权偏好都有能力推动价值链结构的转变。