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最近一個(gè)時(shí)期，壇子里的不少帖子，技術(shù)性和專業(yè)性有所增強(qiáng)，真是讓人高興。什么是素質(zhì)，哪個(gè)叫水平，這些概念應(yīng)當(dāng)?shù)玫秸_的建立。聳人聽聞的標(biāo)題黨、子虛烏有的意淫貼、極端互罵的撒潑族，無(wú)論如何，都跟不上、配不上中國(guó)軍工的高速發(fā)展。 123456

客觀探討、理性分析、觀點(diǎn)多元、相互學(xué)習(xí)的趨勢(shì)，才是中華網(wǎng)軍事頻道的幸事。

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看熱鬧，更看門道；知其然，亦知其所以然，也才是咱廣大軍迷們的驕傲。 123,123

為了向各位專家型大蝦致敬，這一次，兵器迷試著寫一點(diǎn)專業(yè)性更強(qiáng)的東東，和大家分享。

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啥叫專業(yè)性？就是故事性不強(qiáng)，而專業(yè)術(shù)語(yǔ)多。這樣的帖子，沒啥水分，比較干。您吃著，可能有點(diǎn)拉嗓子。呵呵，沒關(guān)系。兵器迷的描述，盡量往通俗方向走，而且咱把大段的干貨，切成幾部分，分次發(fā)貼。一次別招呼太多，怕噎著了，呵呵。
碳纖維復(fù)合材料的基本概念

說(shuō)起材料，似乎挺復(fù)雜的，其實(shí)不盡然。大家肯定都聽說(shuō)過(guò)石器時(shí)代、銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代。這很通俗、又很清楚的表明了人類歷史發(fā)展與材料的關(guān)系。到今天，全球材料結(jié)構(gòu)中仍然有有大約一半是鋼鐵或其合金，從這個(gè)意義上講，我們現(xiàn)在仍然處于鐵器時(shí)代。

一種用于結(jié)構(gòu)的好材料，一般應(yīng)具有較大的強(qiáng)度，或者外力作用下發(fā)生形變相對(duì)較小，或者重量較輕。而有時(shí)候，我們要求材料必須同時(shí)具備強(qiáng)度高、變形小和重量低這三種特性。因此，材料科學(xué)領(lǐng)域提出了比強(qiáng)度和比模量的概念。

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比強(qiáng)度(specific strength)是材料的強(qiáng)度（斷開時(shí)單位面積所受的力）除以其密度。又被稱為強(qiáng)度－重量比。比強(qiáng)度高，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是材料又要結(jié)實(shí)，又要輕。 123456

舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，比普通鋼強(qiáng)度高7倍的合金鋼，夠結(jié)實(shí)。可是太重。要用合金鋼增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，就必須同時(shí)增加重量，這對(duì)需要高速運(yùn)動(dòng)的物體，意義就不大了。因此我們說(shuō)，合金鋼的比強(qiáng)度還是不夠高。

比模量(specific modulus)是材料的模量（在受力狀態(tài)下的應(yīng)力與應(yīng)變之比）除以其密度，又稱勁度－質(zhì)量比。比模量高，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是材料又要變形小，又要輕。 123456

各種工程材料，比如木材、鋁、鋼，它們的比強(qiáng)度差別很大，但比模量其實(shí)都差不多，僅僅從比模量角度，他們之間相互替代的意義也并不大。

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強(qiáng)度高、變形小、重量低，什么地方會(huì)用到這樣的材料呢？ copyright 123456

對(duì)了，就是航空和航天工業(yè)。飛行器的運(yùn)動(dòng)速度高，過(guò)載大，對(duì)材料強(qiáng)度和變形有嚴(yán)格要求。而且，商用飛機(jī)每減重一公斤，一年就能節(jié)約3000美元的燃料。遠(yuǎn)程火箭、太空飛船每減重一公斤，就能節(jié)約10,000美元的燃料。能夠減少重量，就能夠增加有效載荷，降低飛行成本。因此高速飛行領(lǐng)域?qū)Σ牧现亓渴呛苊舾械摹?

當(dāng)然，大家可以聯(lián)想到，航空航天領(lǐng)域的材料，還需要一個(gè)特質(zhì)，就是耐高溫。

有朋友說(shuō)：那鈦合金呢？沒錯(cuò)，鈦合金確實(shí)比鋼鐵更加符合飛行器的要求。但問題是鈦資源很少，開采、提煉和加工又很麻煩，因此鈦合金的價(jià)格相當(dāng)昂貴。這部分的限制了鈦的大規(guī)模商用，甚至是大規(guī)模軍用。對(duì)于鈦合金，兵器迷將來(lái)另有專貼分析，這里就不贅述了。 copyright 123456

強(qiáng)度高、變形小、重量低、耐高溫、不太貴。這五個(gè)要求像是密集的交叉火力，把絕大部分已知材料封殺殆盡。就在這個(gè)時(shí)候，咱們故事的主角，碳纖維復(fù)合材料，終于登場(chǎng)了。

碳纖維，指碳的重量占 90%以上的纖維狀碳材料。碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成的材料，就是碳纖維復(fù)合材料(CFRP)。 123456

圖1 碳纖維布

 

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碳纖維復(fù)材中最重要的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。其比模量比鋼和鋁合金高5倍，比強(qiáng)度要高3倍。而碳纖維的比重，一般在1.6左右，是鋁的二分之一，鋼的五分之一。碳在各種溶劑中不溶解，在隔絕空氣的惰性環(huán)境中(常壓下)，在高溫時(shí)也不會(huì)熔融，而且是在2000攝氏度以上唯一強(qiáng)度不下降的已知材料。只有在10Mpa壓力和3000K以上高溫條件下，才不經(jīng)液相直接升華。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，CFRP都具有很高的優(yōu)勢(shì)。

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東西是好東西?？稍诂F(xiàn)代化學(xué)工業(yè)誕生之前，人們卻一直以為，碳產(chǎn)品的脆性非常大，碳纖維也很難做出來(lái)。就是好不容易做出來(lái)了，力學(xué)性能又極差。因此并沒有認(rèn)識(shí)到這是個(gè)寶貝。碳纖維的利用，可以追溯到1880年，那個(gè)以發(fā)明燈泡而著名的愛迪生，申請(qǐng)專利，提出利用碳纖維作為電燈的燈絲，后來(lái)因?yàn)殒u絲的替代而不了了之。此后關(guān)于碳纖維及其復(fù)合材料的研發(fā)，在很長(zhǎng)時(shí)間處于停滯狀態(tài)。直至二戰(zhàn)之后，美國(guó)和日本為主的研發(fā)工作陸續(xù)獲得突破，才終于迎來(lái)了碳纖維的春天。

1950年，美國(guó)Wright-Patterson空軍基地開始研究用人造絲制造碳纖維，并得到了力學(xué)性能優(yōu)良的碳纖維。1967年，美國(guó)Uninon Carbide公司已經(jīng)能夠供應(yīng)彈性模量為2.8-3.5×10⁶公斤/厘米²的石墨紗。1969年，日本東麗公司研制成功特殊的聚丙烯腈共聚PAN纖維，并結(jié)合Uninon Carbide公司的碳化技術(shù)，生產(chǎn)出了比強(qiáng)度和比模量都很高的碳纖維。此后至今，東麗公司一直是首屈一指的高性能碳纖維供應(yīng)商，產(chǎn)量居世界首位。其與日本東邦和三菱人造絲三家日本公司，生產(chǎn)世界70%以上的軍用碳纖維，代表著當(dāng)今高性能碳纖維的最高水平。而以Akzo和Zoltek為代表的美國(guó)公司，則把持著低端碳纖維市場(chǎng)的主要份額。 123,123

對(duì)了。在此，順便解釋一個(gè)有朋友問過(guò)兵器迷的問題，就是大家經(jīng)常聽說(shuō)的T300,T800這些碳纖維究竟是什么意思。其實(shí)，就是以日本東麗公司TORYA的首字母命名的碳纖維原絲的品級(jí)。 123456

表1 東麗公司碳纖維品級(jí)性能表
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補(bǔ)充一句：在理論上，碳纖維的抗拉強(qiáng)度可能達(dá)到180Gpa,實(shí)驗(yàn)室碳纖維最高抗拉強(qiáng)度已達(dá)到9.03 Gpa，未來(lái)有可能做到20Gpa。

兵器迷嘆口氣，日本在高性能碳纖維和其他諸多領(lǐng)域，能夠在基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品研發(fā)、市場(chǎng)占有和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)這四方面獨(dú)占鰲頭，成為一個(gè)行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。而放眼望去，中國(guó)，能夠做到如此地步的，又有幾何？軍工領(lǐng)域尚在追趕，暫且不談；就是民用領(lǐng)域，除了袁隆平的雜交水稻，這個(gè)GDP規(guī)模第二的國(guó)家在行業(yè)領(lǐng)先方面似乎也是寥若星辰。大而無(wú)當(dāng)，大而不強(qiáng)，實(shí)積弊已久，國(guó)人自強(qiáng)自精之路，尚在漫漫。

書歸正傳。 123,123

碳纖維的應(yīng)用，其實(shí)可以分為兩個(gè)大的分支。即高端軍用領(lǐng)域的小絲束碳纖維和低端民用領(lǐng)域的大絲束碳纖維。 copyright 123456

對(duì)不住了，材料領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ)就是多，兵器迷一樣撓頭。呵呵，各位耐心點(diǎn)看吧。 123456

碳纖維的絲束以K表示，1K表示一個(gè)絲束含1000根碳纖維，3K就是3000根。一般來(lái)講，24K以下為小絲束（small tow）, 24K以上的為大絲束（large tow）。 123456

航空航天領(lǐng)域，特別是軍用航空領(lǐng)域，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上一般采用的是小絲束碳纖維復(fù)材，以3K的碳纖維為主。通常小絲束碳纖維的生產(chǎn)必須采用價(jià)格昂貴的特種聚丙烯睛PAN原絲，而且這些特種PAN原絲的生產(chǎn)技術(shù)是高度保密的，每家公司都有自己的專利技術(shù)。原絲制備技術(shù)高度保密，不出售，不轉(zhuǎn)讓。小絲束碳纖維產(chǎn)品的市場(chǎng)容量相對(duì)小，目前主要用于軍工產(chǎn)品。

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而大絲束碳纖維，能夠以便宜而且公開出售的民用聚丙烯作為原料，制備碳纖維。因此，價(jià)格優(yōu)勢(shì)非常明顯。舉個(gè)例子，2012年的國(guó)內(nèi)碳纖維市場(chǎng)，48K的只有一百多人人民幣一公斤，24K的二百多，12K的三四百，到3K就要七八百，1K的則高達(dá)三四千元一公斤。

20世紀(jì)90年代中期以后，世界碳纖維發(fā)展的最大特點(diǎn)，是大絲束碳纖維獲得重大突破。美國(guó)Zoltek公司近年來(lái)在PAN原絲的研究上取得了突破，成功地采用一般紡織工業(yè)用的聚丙烯，生產(chǎn)性能與T300基本相當(dāng)?shù)腜AN－EX33碳纖維。 內(nèi)容來(lái)自123456

看到這里，那位問了：那能不能用便宜的大絲束產(chǎn)品，替代昂貴的小絲素產(chǎn)品呢？

根據(jù)網(wǎng)上公開的材料，沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所與北京航空材料研究院，早在“十五”期間，就展開了大絲束碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用研究工作。通過(guò)美國(guó)Zoltek的48K大絲束與東麗T300的3K小絲束的對(duì)比試驗(yàn)（見表2），證明了在強(qiáng)度性能上，二者差異不大。但在模量性能上，特別是縱向拉伸和縱向壓縮模量上，大絲束比小絲束低15%左右。因此，目前大絲束雖然便宜，卻尚難以用到軍機(jī)的主承力構(gòu)件或者次承力構(gòu)件上，但可以在通用航空領(lǐng)域、無(wú)人機(jī)和其他民用領(lǐng)域大顯身手。 copyright 123456

表2     48K大絲束與3K小絲素性能對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的小絲束產(chǎn)品,屬于戰(zhàn)略性物資，國(guó)外對(duì)華禁運(yùn)，所以高層相當(dāng)重視，現(xiàn)在也是戰(zhàn)略重點(diǎn)。此外在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的低成本大絲束碳纖維,過(guò)去重視不太夠，現(xiàn)在都在往這個(gè)方向努力，但是尚未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的程度。從需求上看，碳纖維從1950年代主要應(yīng)用在火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)，到1980年代被廣泛應(yīng)用于紡織、化工機(jī)械、建筑、風(fēng)機(jī)葉片及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。比如，在體育領(lǐng)域，碳纖維主要應(yīng)用于高爾夫棒、網(wǎng)球拍、賽車、弓箭、跳竿、冰球棒、游艇、賽艇、滑翔機(jī)、人力飛機(jī)、帆船桅桿、摩托車及登山用品，如登山杖、滑雪杖、攀巖頭盔等。國(guó)內(nèi)各種應(yīng)用占碳纖維率需求比例，大致分別為工業(yè)60%、體育30%，航空10%，因此從推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的角度來(lái)說(shuō)，大絲束碳纖維，無(wú)疑具有更加廣闊的商業(yè)前景。 123,123

 

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既然碳纖維的應(yīng)用這么廣，那咱中國(guó)人，能生產(chǎn)出什么樣的碳纖維和碳纖維復(fù)合材料呢？

欲知后事如何，且聽下回——《工藝篇》分解。
碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展淺析(二). 工藝篇

 

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上回的《基礎(chǔ)篇》，介紹了碳纖維的基本概念。這一回，咱們分別聊聊碳纖維(CF)和碳纖維復(fù)合材料（CFRP
兩方面的生產(chǎn)工藝——用說(shuō)書的話來(lái)講，這叫花開兩朵，各表一枝。

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喜歡用說(shuō)書的方式講兵器，覺著特親切，呵呵。 本文來(lái)自123

一碳纖維的生產(chǎn) 123456

碳纖維根據(jù)基本材料不同，可分為PAN基、瀝青基、酚醛基、纖維素基…..等不同的生產(chǎn)工藝。這次，我們只談軍用高性能聚丙烯腈PAN碳纖維的生產(chǎn)工藝。雖然PAN基碳纖維生產(chǎn)細(xì)節(jié)的保密度比較高，但是大致的原理是公開的，先概要的介紹一下其生產(chǎn)過(guò)程。


如下圖1所示，PAN基碳纖維的生產(chǎn)，從原料單體到原絲、再到碳纖維成品加工，各道工藝的緊密相連，可以在一個(gè)車間內(nèi)連續(xù)的完成全套工藝流程。
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圖1：碳纖維主要生產(chǎn)工藝流程圖 本文來(lái)自123

國(guó)內(nèi)有部分廠家，既沒有上游的PAN原絲生產(chǎn)能力，又沒有下游的碳纖維復(fù)材生產(chǎn)能力，只能直接購(gòu)買國(guó)外原絲，再進(jìn)行預(yù)氧化和碳化的后續(xù)處理生產(chǎn)碳纖維。好比吃魚，頭尾嫌刺多,不舍得下功夫，于是就吃個(gè)中段兒，居然也號(hào)稱自己能做碳纖維，游說(shuō)國(guó)家投入巨資。我們有些人“走捷徑”的本事，那不是一般的高啊，呵呵。 本文來(lái)自123

由于《基礎(chǔ)篇》所述研發(fā)技術(shù)的原因，碳纖維的生產(chǎn)，在國(guó)際上一直由美、日兩國(guó)主導(dǎo)。目前能夠進(jìn)入批量工業(yè)化生產(chǎn)的最高級(jí)碳纖維是T800，T1000等更高品級(jí)仍在實(shí)驗(yàn)室階段。航空主承力級(jí)和航天級(jí)的碳纖維工藝技術(shù)，國(guó)外對(duì)華一直封鎖。就連高性能PAN原絲，如T800原絲, 以及部分碳纖維成品，也都對(duì)華禁運(yùn)——日本曾經(jīng)對(duì)賣高級(jí)碳纖維給中國(guó)的人員判刑嚴(yán)懲。 copyright 123456

兵器迷這個(gè)不忿啊——哪天咱們發(fā)達(dá)了，也開個(gè)單子，以下產(chǎn)品和技術(shù)，對(duì)美日禁運(yùn)……嘿嘿。

中國(guó)人什么都怵，就是不怵禁運(yùn)——逼到無(wú)路可走，唯有痛下苦功。所以軍用高性能碳纖維的生產(chǎn)，自“六五”以來(lái)一直是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)和實(shí)施科技產(chǎn)業(yè)化的攻關(guān)項(xiàng)目。十五期間，在國(guó)家863項(xiàng)目的推動(dòng)下，形成了北京化工大學(xué)、中科院山西煤化所和山東大學(xué)為主的三個(gè)研發(fā)基地，和江蘇、吉林、山西、山東為主的四大生產(chǎn)基地。經(jīng)過(guò)近30年的努力，取得的成績(jī)應(yīng)當(dāng)說(shuō)是可圈可點(diǎn)：

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T300的生產(chǎn) copyright 123456

根據(jù)中國(guó)玻璃纖維復(fù)合材料信息網(wǎng) 2008年的報(bào)道，中復(fù)神鷹碳纖維有限公司萬(wàn)噸碳纖維一期工程，2008年底在江蘇連云港正式投產(chǎn)，目前形成 1000噸規(guī)模碳絲生產(chǎn)能力。該公司曾于2007年5月實(shí)現(xiàn)了碳化生產(chǎn)線投產(chǎn)，當(dāng)時(shí)碳纖維產(chǎn)量只有20噸左右。此后新建了2500噸PAN碳纖維原絲和1000噸碳化生產(chǎn)線。以45%股份成為神鷹第一大股東的中國(guó)復(fù)合材料集團(tuán)董事長(zhǎng)張定金強(qiáng)調(diào)，T300從設(shè)備到產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)百分之百國(guó)產(chǎn)化。而且在技術(shù)研發(fā)上，河南煤業(yè)化工集團(tuán)已經(jīng)擁有PAN基T300碳纖維完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。軍工部門評(píng)價(jià)說(shuō)：“T300的完全國(guó)產(chǎn)化，使得軍用次承力結(jié)構(gòu)碳纖維獲得了完全自主權(quán)”

至此，可以說(shuō)，通過(guò)T300級(jí)軍用碳纖維的國(guó)產(chǎn)化，走出了中國(guó)打破國(guó)外壟斷和技術(shù)封鎖的第一步。產(chǎn)品批量生產(chǎn)當(dāng)年，T300進(jìn)口價(jià)應(yīng)激性的跌了一半，呵呵。（兩年后因?yàn)樾枨罅看髢r(jià)格又上去了，這是后話）

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T700的生產(chǎn) 內(nèi)容來(lái)自123456

據(jù)2012年中國(guó)航空?qǐng)?bào)報(bào)道，中航工業(yè)董事長(zhǎng)林左鳴率隊(duì)赴位于江蘇常州國(guó)家高新技術(shù)區(qū)的中簡(jiǎn)科技發(fā)展有限公司考察調(diào)研。中簡(jiǎn)科技成立于2008年，承擔(dān)國(guó)家“863”計(jì)劃高性能碳纖維項(xiàng)目，依托中科院山西煤炭化學(xué)研究院的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)4年時(shí)間，建立了T700碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，年產(chǎn)量可達(dá)300噸。主要設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率達(dá)98%，是國(guó)內(nèi)第一條T700高性能碳纖維生產(chǎn)線。林左鳴明確提出，中航工業(yè)對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品進(jìn)行支持，規(guī)定成員單位必須使用已達(dá)標(biāo)的國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品。 123456

兵器迷點(diǎn)點(diǎn)頭，這就對(duì)了。這種戰(zhàn)略性問題，不能只講究什么市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律，該補(bǔ)貼的要補(bǔ)貼，該保護(hù)的要保護(hù)，扶上馬還要送一程。 123456

T800的生產(chǎn)

據(jù)江蘇經(jīng)濟(jì)報(bào)2012年7月消息，江蘇航科復(fù)合材料科技有限公司建成我國(guó)首條T800碳纖維產(chǎn)業(yè)化線。該項(xiàng)目2009年底啟動(dòng)，航科投入2.5億元，從原絲到成品技術(shù)均為自主研發(fā)，生產(chǎn)線的開工負(fù)荷已提升到90%，5個(gè)月來(lái)累計(jì)產(chǎn)出成品500千克，合格率達(dá)到90%以上. 拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、斷裂延伸三大主要性能指標(biāo)以及線密度、導(dǎo)熱率等其他各指標(biāo)，都與東麗公司的T800產(chǎn)品相當(dāng)。目前，江蘇航科已申請(qǐng)專利85項(xiàng)，其中24項(xiàng)獲授權(quán)。 123456

從原絲開始做出來(lái)，與東麗指標(biāo)相當(dāng)，且有自己的專利技術(shù)，這是可喜的事情，希望早日看到國(guó)家級(jí)鑒定。 123456

可以看出，中國(guó)軍用小絲束高性能碳纖維的生產(chǎn)，從下游煤化工入手，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)的模式，已經(jīng)取得了可觀的進(jìn)展。T300已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了年千噸以上的規(guī)?；a(chǎn)，T700達(dá)到了年百噸規(guī)模的批產(chǎn)規(guī)模，T800也看到了曙光。 123456

不過(guò)，問題也不少——看兵器迷的文章，一般先報(bào)喜后報(bào)憂，這也是規(guī)律，呵呵。

首先是橫向比較，差距巨大。對(duì)于最高端的T800，江蘇航科5個(gè)月的產(chǎn)量只有500公斤，即每個(gè)月100公斤的規(guī)模，可以說(shuō)仍然在試生產(chǎn)階段，距離真正的工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)化盈利，還有很長(zhǎng)一段路要走。而且，T700未實(shí)現(xiàn)100%國(guó)產(chǎn)化，T800國(guó)產(chǎn)化就差得更遠(yuǎn)。而美國(guó)波音公司，1985年T800就出來(lái)了——看到了吧，差距30年啊，呵呵。 123,123

當(dāng)然，做不出來(lái)的時(shí)候，連可比性都沒有，想說(shuō)你究竟落后多少年都說(shuō)不出來(lái)?，F(xiàn)在從無(wú)到有，畢竟能比了，也算一種進(jìn)步吧。 copyright 123456

第二就是質(zhì)量不穩(wěn)，廢品率高。即便是正品，各批次生產(chǎn)的碳纖維的性質(zhì)也有差異，影響了后續(xù)復(fù)合材料的生產(chǎn)效果。而且難以搞清其中的原因——同樣的生產(chǎn)線和生產(chǎn)工藝，這一批合格，下一批不合格；這一批模量高，下一批模量低，究竟是為什么呢？

主要還是因?yàn)?，高性能碳纖維的生產(chǎn)工藝灰常、灰常繁復(fù)，可以說(shuō)到了苛刻的地步。兵器迷在這里給出很少幾個(gè)例子，來(lái)說(shuō)明一下其工藝難度：

例1：很多工藝需要加入不同種類的的穩(wěn)定劑、催化劑。比如預(yù)氧化過(guò)程中，紡絲液就需要加入路易斯酸、脛胺、有機(jī)金屬絡(luò)合物鹽、鋁、硼、鈦的金屬有機(jī)化合物以及十二烷基苯磺酸鈉類的金屬鹽等等穩(wěn)定劑，重量必須在原料的0.1-0.2%左右。 內(nèi)容來(lái)自123456

例2：各工序的溫度和速度的控制精密。比如紡絲的多段凝固工藝中，第一段的溫度為35-80℃，結(jié)束后1秒中內(nèi)，就要迅速進(jìn)入第二階段。預(yù)氧絲在70毫克/袋的張力下，于惰性氣體中加溫，必須以每分鐘30℃升到600℃。再以每分鐘1000℃升到1300℃，同時(shí)保持20秒。絲毫不能馬虎。

例3：設(shè)備運(yùn)作要求高。比如：預(yù)氧化過(guò)程中，4組導(dǎo)輥的直徑有嚴(yán)格要求，而且表面溫度必須分別為285℃，285℃，285℃和315℃,且絲束通過(guò)導(dǎo)輥的速度要求為毫米級(jí)/秒精度。

例4：物理處理手段同樣精密。比如，為防止碳化后碳絲強(qiáng)度降低，在碳化前對(duì)預(yù)氧化爐出口處對(duì)絲束施加0.005-0.1克/袋的張力，并對(duì)絲束噴熱氣流，將單絲吹開，改善絲束強(qiáng)度。 123456

碳纖維的生產(chǎn)工藝參數(shù)和運(yùn)行控制，是一個(gè)龐大的體系。其中無(wú)論哪個(gè)因素，操作時(shí)稍有不慎，就會(huì)前功盡棄，僵絲、斷絲、排焦、起毛、纏結(jié)….各種問題層出不窮。所謂‘差之毫厘，謬以千里”，就是這個(gè)意思。

中國(guó)碳纖維行業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期徘徊在“能做出來(lái)，就是做不好；能做好，就是貴”的尷尬局面中，說(shuō)到底，咱們對(duì)碳纖維生產(chǎn)的脾氣，還沒有摸透啊。國(guó)人大干快上的性子，對(duì)這種需要精益求精的水磨工夫，還真有點(diǎn)不適應(yīng)。 本文來(lái)自123

那么，那就踏實(shí)下來(lái)，養(yǎng)養(yǎng)性吧。不只是碳纖維這個(gè)行業(yè)，我們整個(gè)民族，都需要從浮躁、表面化和一鳴驚人的短期行為模式中解脫出來(lái)，不求聞達(dá)、埋頭積累、夯實(shí)基礎(chǔ)、漸取徐圖。

話扯遠(yuǎn)了，咱們來(lái)看看第二個(gè)話題—— 本文來(lái)自123

二、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)的生產(chǎn)

CFRP,根據(jù)基體材料和增強(qiáng)工藝的不同（比如陶瓷基、金屬基復(fù)合）本來(lái)是一個(gè)龐大的家族。我們這里只談基本CFRP生產(chǎn)工藝。大體上有兩種，即預(yù)浸料-熱壓罐固化成型工藝，和液體成型工藝。由于前者是航空結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主要復(fù)材工藝，今兒就重點(diǎn)聊聊它。

1、預(yù)浸料。 copyright 123456

預(yù)浸料-熱壓罐固化成型工藝的第一步，就是把碳纖維放入熱固性高韌性樹脂預(yù)浸料進(jìn)行預(yù)浸、吸膠，并加溫進(jìn)行固化。

123,123

近年來(lái)，航空復(fù)材構(gòu)件已經(jīng)日趨大型化和整體化，以減少?gòu)?fù)材之間的機(jī)械裝配和緊固環(huán)節(jié)，達(dá)到提高性能、降低成本、減輕重量的目的。但由此也帶來(lái)了麻煩——部件越大，其在熱壓罐內(nèi)固化過(guò)程中的溫度控制就越難保證均勻持續(xù)，從而導(dǎo)致質(zhì)量下降。美國(guó)在預(yù)浸料-熱壓罐工藝的材料成本中，預(yù)浸料廢棄率平均為40％。因此，“零吸膠”、“常溫加壓”的先進(jìn)預(yù)浸料，就成為業(yè)內(nèi)的發(fā)展方向。

本文來(lái)自123

碳纖維的生產(chǎn)，上面聊過(guò)，國(guó)內(nèi)與國(guó)外相比是有很大差距的。但樹脂預(yù)浸料，我們的差距相對(duì)小一些。根據(jù)航空制造網(wǎng)的消息，國(guó)內(nèi)開發(fā)的環(huán)氧樹脂預(yù)浸料碳Ⅷ /BA9918 預(yù)浸料、碳Ⅶ /BA9916-II 預(yù)浸料、CCF300/BA9916-II 預(yù)浸料和雙馬樹脂預(yù)浸料CCF300/QY9511、碳Ⅶ /QY9611，都可做到“零吸膠”、“常溫加壓”，部分預(yù)浸料已用于多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)，與美國(guó)波音公司的材料有著類似的性能。如下表1： 123456

表1國(guó)內(nèi)外部分雙馬樹脂基韌性復(fù)合材料性能（第一列碳Ⅶ /QY9611為國(guó)產(chǎn)）

表2：國(guó)內(nèi)外部分環(huán)氧基韌性復(fù)合材料性能（第一列碳Ⅶ /QY9611為國(guó)產(chǎn)）
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  內(nèi)容來(lái)自123456

咋樣？和老美比一比，咱們的樹脂基不差啊，呵呵，振奮一下。

碳纖維有了，樹脂基復(fù)材也有了，萬(wàn)事俱備，可以來(lái)炒碳纖維復(fù)合材料這盤菜了。在這方面，我們就不樂觀了。 123456

2、預(yù)浸料-熱壓罐整體成型工藝 123456

用預(yù)浸料-熱壓罐工藝生產(chǎn)碳纖維制造復(fù)合材料，要先將碳纖維浸溶在樹脂溶劑里，進(jìn)行鋪疊成型。接著經(jīng)過(guò)模具工裝進(jìn)行表面組裝固定，在部件接觸面貼膠。其后進(jìn)熱壓罐100-130度固化，并通過(guò)緊固成為成品構(gòu)件。 123,123

美國(guó)采用預(yù)浸料-熱壓罐固化成型工藝制造航空制造復(fù)合材料的成本中，材料占15％，預(yù)浸料鋪疊占25％，裝配占45％，固化占10％，緊固工藝占5％，

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看到了吧？預(yù)浸料鋪疊和裝配在成本中占了70%，這也是咱們關(guān)注的重中之重。

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早期復(fù)合材料制造的大型構(gòu)件，通常是由各自成形好的部件，通過(guò)機(jī)械連接組裝而成。這樣的方式增加了結(jié)構(gòu)的自重，不能很好地發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，大型復(fù)材結(jié)構(gòu)逐漸實(shí)現(xiàn)了預(yù)浸料- 熱壓罐整體化制造，其工藝可分為三種： copyright 123456

   共固化：不同部件分別鋪疊，整體進(jìn)熱壓罐固化。 123,123

共膠接：先完成一個(gè)部件的固化，再鋪疊其他部件，整體進(jìn)熱壓罐共膠接。

后膠接：各部件分別鋪疊、分別進(jìn)熱壓罐固化，然后整體再次進(jìn)熱壓罐膠接。 123456

喂，兵器迷，太太太……抽象了！ 內(nèi)容來(lái)自123456

是是是……撓頭。沒別的辦法，再舉幾個(gè)例子吧。 copyright 123456

例1：壁板類工藝

本文來(lái)自123

對(duì)于飛機(jī)尾翼、機(jī)翼和非筒體成型的機(jī)身，需要壁板類的大型復(fù)材，這類結(jié)構(gòu)主要由蒙皮和長(zhǎng)桁組成，其成型工藝有以下幾種方式。

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共固化：分別鋪疊蒙皮和長(zhǎng)桁，通過(guò)模具工裝將其組合在一起，接觸面鋪膠膜（或不鋪膠膜）；之后整體進(jìn)熱壓罐完成共固化。

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膠接：蒙皮先固化，再鋪疊長(zhǎng)桁，通過(guò)模具工裝將其固定在已固化好的蒙皮上，接觸面鋪膠膜，之后進(jìn)罐完成共膠接?；蛘叻催^(guò)來(lái)，長(zhǎng)桁先固化，再與蒙皮共膠接。

后膠接：分別固化蒙皮和長(zhǎng)桁；將長(zhǎng)桁進(jìn)行必要的加工；通過(guò)模具工裝將蒙皮與長(zhǎng)桁組裝，接觸面鋪膠膜，之后進(jìn)熱壓罐完成膠接。 copyright 123456

在實(shí)際生產(chǎn)中，上述三種工藝可以混合使用。 copyright 123456

例2：盒段整體工藝 123456

對(duì)于飛機(jī)翼面，需要上、下蒙皮與骨架一體成型的整體盒段，按照用途，主要有三種工藝： 123456

一是基于“π”形接頭的盒段結(jié)構(gòu)膠接成型工藝。主要用于飛機(jī)平尾、垂尾。 本文來(lái)自123

二是基于T 形接頭的骨架與上、下蒙皮共固化/膠接一體成型工藝，通常用于飛機(jī)平尾、垂尾部分，如目前波音787 的平尾即采用了這類成型工藝。 內(nèi)容來(lái)自123456

三是基于T 形接頭的骨架與下蒙皮一體共固化/膠接成型工藝，通常主要用于戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼主承力結(jié)構(gòu)。如歐洲EF2000 機(jī)翼、日本F2 機(jī)翼。 本文來(lái)自123

例3：筒體成型工藝 本文來(lái)自123

對(duì)于航空器的機(jī)體，其復(fù)材結(jié)構(gòu)方案有兩類，一類是將機(jī)身的每段筒體分為四塊壁板分別成型后，再用機(jī)械連接方式對(duì)接，空客A350xWB 即為這種工藝方案；另一類則是將機(jī)身每段筒體整體共固化工藝成型，其代表機(jī)型是波音787。

壁板、盒段、筒形制件，涉及飛機(jī)翼面、機(jī)身的主要組成部分，近年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外復(fù)材應(yīng)用的核心領(lǐng)域。對(duì)此感興趣的朋友，請(qǐng)記住預(yù)浸料-熱壓罐這個(gè)晦澀拗口，但是意義重大的術(shù)語(yǔ)吧。 內(nèi)容來(lái)自123456

在預(yù)浸料-熱壓罐工藝中，預(yù)浸料的手工鋪疊是人工成本和人工時(shí)間消耗最大的一個(gè)環(huán)節(jié)，這種工藝的速度慢、質(zhì)量低、時(shí)間長(zhǎng)、人工成本高。因此，鋪疊自動(dòng)化，就成為這個(gè)工藝中最講究的部分。如果說(shuō)，預(yù)浸料-熱壓罐是航空復(fù)材生產(chǎn)工藝的皇冠，那么鋪疊環(huán)節(jié)的自動(dòng)化工藝，就是這個(gè)皇冠上最耀眼的那顆鉆石。 本文來(lái)自123

3 預(yù)浸料鋪疊自動(dòng)化技術(shù) 內(nèi)容來(lái)自123456

目前，業(yè)界對(duì)手工鋪疊改進(jìn)的方式主要有手工自動(dòng)鋪疊、自動(dòng)鋪絲、自動(dòng)鋪帶三種：

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3.1手工鋪疊的自動(dòng)化/ 數(shù)字化技術(shù) 123456

即采用預(yù)浸料自動(dòng)剪裁下料系統(tǒng)和鋪層激光投影定位系統(tǒng)等。采用專門的數(shù)控切割設(shè)備來(lái)進(jìn)行預(yù)浸料和輔助材料的平面切割，從而將依賴于樣板的制造過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榭筛鶕?jù)復(fù)合材料設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行全面運(yùn)作的制造過(guò)程，大大提高了手工鋪疊的工作效率和鋪疊質(zhì)量。 內(nèi)容來(lái)自123456

3.2自動(dòng)鋪帶技術(shù) 123,123

分為平面式自動(dòng)鋪帶機(jī)（FTLM）和曲面自動(dòng)鋪帶機(jī)（CTLM）2種，主要用于鋪放小曲率的大型復(fù)合材料構(gòu)件，如翼面類構(gòu)件的蒙皮，可成型超大尺寸和形狀復(fù)雜的復(fù)合材料制件，且質(zhì)量穩(wěn)定，縮短了鋪層及裝配工時(shí)。與手工相比，先進(jìn)鋪帶技術(shù)可降低制造成本的30%~50％。 123456

第一臺(tái)計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）自動(dòng)鋪帶機(jī)是在美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)計(jì)劃下由General Dynamics公司和Conrac公司合作開發(fā)的，于80年代正式用于航空復(fù)合材料構(gòu)件制造。90年代后，西歐開始研制生產(chǎn)自動(dòng)鋪帶機(jī)。制造自動(dòng)鋪帶機(jī)的技術(shù)主要被歐美掌控，如美國(guó)American GFM Corporation、Cincinnati Machine、CityMachine Tool&Die Company、ITW Workholding、Ingersoll和歐洲的M.TORRES（西班牙）、FOREST-LINE（法國(guó)）等。 本文來(lái)自123

3.3自動(dòng)鋪絲技術(shù) 123,123

自動(dòng)鋪絲，實(shí)際上是在自動(dòng)鋪絲+自動(dòng)纏繞技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，專為曲率較大的雙曲面蒙皮構(gòu)件的鋪疊而開發(fā)的技術(shù)，適用于大曲率機(jī)身和復(fù)雜曲面的成型，如軍用和民用飛機(jī)雙曲面翼身融合體、S形進(jìn)氣道。自動(dòng)鋪絲可以按構(gòu)件型面增減紗束根數(shù)，可根據(jù)構(gòu)件形狀自動(dòng)切紗適應(yīng)邊界，因此廢料率很低（3%～8%），可完成局部加厚、加筋、鋪層遞減、開口補(bǔ)強(qiáng)等操作，鋪放軌跡自由度更大，可變角度鋪放，能適應(yīng)大曲率復(fù)雜構(gòu)件成型。

123,123

老美諾斯羅普•格魯門公司1995年購(gòu)進(jìn)第一臺(tái)自動(dòng)絲束鋪放機(jī)，將其用于F/A-18E/F的進(jìn)氣道、機(jī)身蒙皮、平尾蒙皮的制造。2010年將有40～50臺(tái)機(jī)器投入使用。目前自動(dòng)鋪絲技術(shù)的代表是美國(guó)辛辛那提機(jī)床公司Viper 纖維鋪放機(jī)系統(tǒng)，有Viper1200、Viper3000，Viper6000系列鋪絲機(jī)。

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唉，美國(guó)，美國(guó)，總是美國(guó)。要是有《復(fù)合材料自動(dòng)鋪疊技術(shù)史》這本書，那目前就只有一個(gè)作者——美國(guó)。 123,123

兵器迷愛嘮叨，呵呵。

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看完人家的，再瞧瞧咱自己的： 本文來(lái)自123

國(guó)內(nèi)情況：

手工鋪疊自動(dòng)化：目前我國(guó)在研和批量生產(chǎn)的航空用先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件大部分仍在使用手工鋪疊，雖然也通過(guò)預(yù)浸料自動(dòng)下料機(jī)和激光投影儀，大幅度提高了復(fù)合材料構(gòu)件的鋪疊效率，但這兩種設(shè)備大多需要進(jìn)口，而且對(duì)于大型構(gòu)件，依然難以保證鋪疊質(zhì)量和速度。 123456

國(guó)內(nèi)自動(dòng)鋪帶機(jī)：中國(guó)正在起步研究的階段。根據(jù)航空制造網(wǎng)的公開報(bào)道，北京航空制造工程研究所研制的6m×20m 大型自動(dòng)鋪帶機(jī)（如圖2），開始在新型飛機(jī)的復(fù)材構(gòu)件研制中得到實(shí)驗(yàn)性的應(yīng)用。但就整個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)?；瘧?yīng)用的程度。

國(guó)內(nèi)自動(dòng)鋪絲機(jī)：至于更上一層樓的自動(dòng)鋪絲機(jī)，尚未見到有國(guó)產(chǎn)化設(shè)備投入應(yīng)用的報(bào)道。

  本文來(lái)自123

圖2:北航工程研究所研制的6m×20m 大型自動(dòng)鋪帶機(jī) 123456

大家看到，手工自動(dòng)鋪疊，咱們?cè)谝M(jìn)條件下推廣應(yīng)用；自動(dòng)鋪帶機(jī)，咱們落后了30年，現(xiàn)在剛開了個(gè)頭；自動(dòng)鋪絲機(jī)，我們連頭還看不到??！

手搭涼棚，望著云端外十萬(wàn)八千里的身影，氣喘吁吁的喊道：“猴哥……你等一等啊……!” copyright 123456

但是，先行者是不會(huì)等咱的，只有自己咬牙趕上去。而技術(shù)的追趕，又何嘗不是另一個(gè)求取真經(jīng)的“長(zhǎng)征”。但愿我們不缺長(zhǎng)征的意志和信念，相信我們會(huì)有與最強(qiáng)者并駕齊驅(qū)的一天。 123456

4 纖維纏繞設(shè)備 123,123

關(guān)于碳纖維復(fù)材的成型設(shè)備，還需要提一下數(shù)控纖維纏繞機(jī)。它主要用于強(qiáng)韌性碳纖維通過(guò)纏繞，成型為圓筒、圓錐、球、雙曲面回轉(zhuǎn)體、組合體回轉(zhuǎn)體等構(gòu)件，也可以進(jìn)行矩形截面、多項(xiàng)式等多維復(fù)雜曲面和組合體形狀結(jié)構(gòu)件纏繞，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、各種彈體、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件、水處理設(shè)備、天然氣儲(chǔ)罐、醫(yī)療防火用壓力容器等等。也是國(guó)外一直對(duì)華禁運(yùn)的東東。

根據(jù)《機(jī)床工具報(bào)》報(bào)道，2007年11月，國(guó)產(chǎn)大型數(shù)控纖維纏繞機(jī)在齊齊哈爾第二機(jī)床廠問世，其SKCR165/1200型數(shù)控纖維纏繞機(jī)，為五坐標(biāo)控制、四坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，是樹脂基復(fù)合材料纏繞成型構(gòu)件的大型數(shù)控專機(jī)。該機(jī)包括五坐標(biāo)控制四坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的纏繞軌跡控制系統(tǒng)、張力自動(dòng)控制系統(tǒng)、溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)和質(zhì)量保證系統(tǒng)，為中國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)CFRP殼體的制造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
本文來(lái)自123

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表3：自動(dòng)化鋪疊和纏繞設(shè)備表

 

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最后，中國(guó)商務(wù)部網(wǎng)站2012年發(fā)布消息，隸屬於中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司的西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，收購(gòu)了奧地利最大的波音飛機(jī)配件公司FACC 91.25％的股份。FACC的主要產(chǎn)品，包括復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)復(fù)合材料內(nèi)飾。希望他山之石，可以攻玉，為提高國(guó)內(nèi)航空復(fù)材的生產(chǎn)工藝水平，再添一把力。

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圖3  FACC公司生產(chǎn)航空復(fù)合材料 copyright 123456

小評(píng)： 123,123

無(wú)論碳纖維還是碳纖維復(fù)材的生產(chǎn)，都有一個(gè)重要特征，就是生產(chǎn)的連續(xù)化程度非常高，工藝開端是原料，工藝末端是成品,中間幾乎沒有半成品的概念。這種高度集成的連續(xù)化生產(chǎn)，帶來(lái)了正反兩方面的影響： 本文來(lái)自123

反面：在金屬加工行業(yè)，工藝落后往往意味著性能降低，但很多時(shí)候也能通過(guò)鈑金加工、鉚接、配重、甚至手工打磨修挫做出來(lái)。而做出來(lái)了，也就能湊合使。但碳纖維領(lǐng)域，工藝落后往往更意味著廢品，不僅是性能壽命下降的問題，而是根本就無(wú)法使用。因此，碳纖維復(fù)材的生產(chǎn)，是“行百里者半九十”的概念——只是在實(shí)驗(yàn)室做出復(fù)材樣品，只和完成了一個(gè)概念設(shè)計(jì)差不多，后面的工藝關(guān)，那才是重頭戲。設(shè)計(jì)定型和生產(chǎn)定型因此緊密耦合——幾公斤樣品，距離用成熟工藝批量生產(chǎn)復(fù)材，可差了十萬(wàn)八千里啊。出于同樣的原因，復(fù)材制件的日常維護(hù)、測(cè)試、修復(fù)的經(jīng)驗(yàn)、流程與方法，與金屬構(gòu)件相比，也會(huì)發(fā)生顛覆性改變。

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正面：在金屬加工行業(yè)，工藝創(chuàng)新往往帶來(lái)性能提高；而在碳纖維領(lǐng)域，工藝創(chuàng)新除了提高性能，往往更能夠直接帶來(lái)產(chǎn)品創(chuàng)新。一種新工藝，甚至可以帶來(lái)CFRP的一個(gè)變種產(chǎn)品分類。比如，增強(qiáng)熱縮性塑料工藝，形成CFRTP；增強(qiáng)C工藝形成CFRC（也稱C/C,就是碳/碳復(fù)合材料），增強(qiáng)金屬工藝形成CFRM，增強(qiáng)橡膠工藝形成CFRR,等等。又如，整體成型工藝，形成了前所未有的超大壁板和整體段件航空制件。倒過(guò)來(lái)說(shuō)，沒有對(duì)復(fù)材工藝的理解和創(chuàng)新，就沒有對(duì)復(fù)材產(chǎn)品的理解和創(chuàng)新。 123456

目前，CF的先進(jìn)工藝，主要把持在日本手里；CFRP的先進(jìn)工藝，主要掌握在美國(guó)人手里。而且其更新和推廣的速度之快，令人驚心。而國(guó)內(nèi)在這個(gè)領(lǐng)域，如上文所述，依然存在著大片的空白。這些空白直接導(dǎo)致先進(jìn)復(fù)材產(chǎn)品系列的缺失。比如在美國(guó)航天航空領(lǐng)域開始規(guī)?；捎玫慕饘倩吞沾苫祭w維復(fù)合材料，甚至沒有進(jìn)入2010版的《中國(guó)航空材料手冊(cè)》。換句話說(shuō)，如果我們不在工藝基礎(chǔ)上下功夫，指望著山寨外援、避重就輕、零敲碎打、投機(jī)取巧，是無(wú)法在航空航天復(fù)材上獲得全面突破的。 123456

金屬工藝與復(fù)材工藝，完全是兩個(gè)世界。國(guó)內(nèi)航空業(yè)能在金屬工藝領(lǐng)域駕輕就熟的同時(shí)，在復(fù)材工藝相對(duì)陌生的廣大空間轉(zhuǎn)換思路、刻苦耕耘、大膽求新，無(wú)疑是一個(gè)很大的考驗(yàn)。

看過(guò)了碳纖維和復(fù)材的生產(chǎn)工藝，那么中國(guó)碳纖維復(fù)材的應(yīng)用水平又如何呢？

欲知后事如何，且聽下回——《應(yīng)用篇》分解。 123456

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碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展淺析(三).應(yīng)用篇

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有了前兩篇文章介紹碳纖維復(fù)材的基本概念和生產(chǎn)工藝，現(xiàn)在，咱們分航空和航天兩個(gè)方面，對(duì)CFRP的應(yīng)用，略加介紹。這篇的很多技術(shù)術(shù)語(yǔ)，都在前文中介紹過(guò)。您有了那些鋪墊，再讀下去，會(huì)覺得沒那么生澀。還會(huì)因?yàn)橹懒饲耙蚝蠊形虻酶嘁稽c(diǎn)。所謂外行看熱鬧，內(nèi)行看門道，大概有那么點(diǎn)意思吧。

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說(shuō)到應(yīng)用，國(guó)外的料大家盡管爆，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品公開的信息不多，因此兵器迷所知有限，只能給大家上個(gè)小菜——所有國(guó)內(nèi)資料都來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)官方報(bào)道和公開出版物，并注明了相關(guān)來(lái)源。額來(lái)壇子的目的，第一是學(xué)習(xí)，第二是分享，第三是科普。

一、             航空方面的CFRP應(yīng)用 內(nèi)容來(lái)自123456

業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為，碳纖維復(fù)合材料在軍用航空方面的應(yīng)用大體上可以分為三個(gè)階段（也有按四個(gè)階段分的，差異不大）。民機(jī)對(duì)安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性要求高于軍機(jī)，因此在應(yīng)用上更加保守和延后，但也大體追隨了軍機(jī)的步伐。在此一并介紹。 123456

第一階段——非承力結(jié)構(gòu)：20世紀(jì)60-70年代：由于1公斤CFRP可以大體替代3公斤鋁合金，性能滿足要求，因此開始用于非承力結(jié)構(gòu)，如艙門、前緣、口蓋、整流罩等尺寸較小的部件。對(duì)于民機(jī)，除了上述應(yīng)用外，機(jī)艙大量的內(nèi)飾也會(huì)用到復(fù)合材料，但其中有很多是芳綸或者玻璃纖維復(fù)材，這里不贅述。 123456

國(guó)內(nèi)方面：從難度上說(shuō)，非承力結(jié)構(gòu)是航空復(fù)材的小case，但是應(yīng)用面卻最廣泛。國(guó)內(nèi)在技術(shù)上已無(wú)大的障礙，基本達(dá)到了國(guó)外類似的水平，需要的是大規(guī)模普及。相信ARJ21,C919和運(yùn)20等大平臺(tái)和眾多無(wú)人機(jī)小平臺(tái)定型運(yùn)營(yíng)后，能夠?yàn)榇颂峁V闊的應(yīng)用空間。

這些一般應(yīng)用，大多用便宜的大絲束產(chǎn)品就夠了；而T300以上的產(chǎn)品，貴得離譜，好鋼用在刀刃上，于是大多用在承力結(jié)構(gòu)上。 123456

第二階段——次承力結(jié)構(gòu)：20世紀(jì)70-80年代：隨著力學(xué)性能的改善與前期應(yīng)用的效果提高了人們的信心，CFRP逐步擴(kuò)展到飛機(jī)的次承力結(jié)構(gòu)，即垂尾、平尾、鴨翼、副襟翼舵面等受力較大、尺寸較大的部件。

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其中，1971年美國(guó)F-14戰(zhàn)斗機(jī)把纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成功應(yīng)用在平尾上，是復(fù)合材料史上的一個(gè)里程碑事件。波音B777也將CFRP應(yīng)用于垂尾、平尾等多處部件，共用復(fù)合材料9.9噸，占結(jié)構(gòu)總重的11%。 copyright 123456

國(guó)內(nèi)方面:

中國(guó)將CFRP用于軍機(jī)的舵面和翼面，也已經(jīng)開始成熟。 內(nèi)容來(lái)自123456

根據(jù)《玻璃鋼》等雜志的公開報(bào)道,早在“六五”期間，沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)所、航空材料研究院和沈陽(yáng)飛機(jī)廠共同研制殲擊機(jī)復(fù)合材料垂尾壁板，比原鋁合金結(jié)構(gòu)輕21kg，減重30％。北京航空工藝研究所研制并生產(chǎn)的QY8911／HT3雙馬來(lái)酰亞胺單向碳纖維預(yù)浸料及其復(fù)合材料已用于飛機(jī)前機(jī)身段、垂直尾翼安定面、機(jī)翼外翼、阻力板、整流壁板等構(gòu)件。殲轟7-A戰(zhàn)機(jī)采用了CFRP平尾。

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2009年建國(guó)60周年國(guó)防成就展上，報(bào)道了殲10在鴨翼、垂尾、襟副翼、腹鰭等所有7個(gè)舵面和腹鰭采用了CFRP材料，這與國(guó)外這一階段的發(fā)展水平基本相當(dāng)。

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2011年通用航空大會(huì)上披露，即將定型的獵鷹L15高教機(jī)也采用了復(fù)材的機(jī)頭罩、方向舵和垂尾，其中舵面是CFRP。

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在民機(jī)方面，ARJ21新支線飛機(jī)的復(fù)合材料技術(shù)水平大體達(dá)到了這樣一個(gè)水平，算是開了個(gè)頭，但大規(guī)模應(yīng)用尚需時(shí)日。


圖1 國(guó)內(nèi)某機(jī)型基于“π”形接頭盒段結(jié)構(gòu)成型的CFRP垂直安定面（航空制造網(wǎng)） 本文來(lái)自123

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圖2：獵鷹L15采用了T300CFRP材料制作的尾翼舵面 內(nèi)容來(lái)自123456

國(guó)內(nèi)CFRP次承力構(gòu)件的廣泛應(yīng)用，與T300生產(chǎn)進(jìn)程密切相關(guān)。材料的國(guó)產(chǎn)化，產(chǎn)量的擴(kuò)大化和價(jià)格的低廉化，分別為CFRP次承力構(gòu)件的應(yīng)用提供可能性、適用性和經(jīng)濟(jì)性。從而最終推動(dòng)CFRP次承力構(gòu)件成為國(guó)產(chǎn)軍民航空器的標(biāo)配。

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這一階段的材料和工藝，都是我們用T300和手工鋪疊工藝能夠達(dá)到的，因此未來(lái)的發(fā)展相對(duì)有把握。但如果制件再大些，承力再大些，就會(huì)涉及主承力結(jié)構(gòu)了。 123456

第三階段，從上世紀(jì)80年代至今，隨著高性能碳纖維和預(yù)浸料-熱壓罐整體成型工藝的成熟，CFRP逐步進(jìn)入機(jī)翼、機(jī)身等受力大、尺寸大的主承力結(jié)構(gòu)中。

美國(guó)原麥道飛機(jī)公司于1976年率先研制了F/A-18的復(fù)合材料機(jī)翼，把復(fù)合材料的用量提高到了13%，成為復(fù)合材料史上的又一個(gè)重要里程碑。后期更采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)為FA-18E/F制造CFRP的12塊機(jī)身蒙皮，10塊進(jìn)氣管蒙皮，4塊水平尾翼蒙皮。F16戰(zhàn)斗機(jī)BLOCK50之后也開始采用CRPR復(fù)合材料機(jī)翼。F22戰(zhàn)機(jī)的復(fù)合材料用量已經(jīng)提高到結(jié)構(gòu)重量的22%。目前西方國(guó)家軍機(jī)上復(fù)合材料用量約占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的 20%～50%不等。 本文來(lái)自123

民機(jī)方面，波音777采用全復(fù)合材料尾翼，其翼面及翼盒構(gòu)件，均采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造?？湛虯330/A340飛機(jī)長(zhǎng)9m，寬2m，重200kg的大型蒙皮壁板。A380的后機(jī)身所有蒙皮壁板19段，22%的機(jī)身重量是CFRP。尤其是A380的8*7*2.4米中央翼盒，重8.8噸，CFRP就用了5.5噸，比金屬材料減重達(dá)1.5噸，其燃料經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)可觀。 123456

這方面的先行者，是波音公司的B787“夢(mèng)想”飛機(jī)，復(fù)合材料應(yīng)用率50%。CFRP廣泛應(yīng)用在機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、平尾、機(jī)身地板梁、后承壓框等部位，同時(shí)是第一個(gè)同時(shí)采用CFRP復(fù)合材料機(jī)翼和機(jī)身的大型商用客機(jī)，其23% 的機(jī)身均使用了自動(dòng)鋪絲機(jī)制成的CFRP材料。

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最值得關(guān)注的，是其機(jī)身：787機(jī)身工藝采用直徑5.8m 的成型模胎安裝在一旋轉(zhuǎn)夾具上沿長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，先鋪長(zhǎng)桁然后鋪皮，形成外表光滑的變厚度的殼體以及共固化的桁條組成的機(jī)身段，經(jīng)過(guò)熱壓罐固化后，取下模胎。這一工藝可以代替由上百塊蒙皮壁板、加強(qiáng)筋及長(zhǎng)桁、上千個(gè)緊固件組成機(jī)身的工藝，見下圖。

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圖3：波音787直徑5.8米整體成型CFRP框段 copyright 123456

在研機(jī)方面，波音公司X-45系列飛機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)90%以上，諾斯羅普·格魯門公司的X-47系列飛機(jī)也基本上為全復(fù)合材料飛機(jī)。 內(nèi)容來(lái)自123456

看完波音的系列CFRP主承力結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，兵器迷想問問某些網(wǎng)友，憑哪條說(shuō)美國(guó)是產(chǎn)業(yè)空心化，只剩下金融和房地產(chǎn)了？人家居安思危，幾句謙虛的自拙之語(yǔ)，被剛進(jìn)入工業(yè)化不久的我們?nèi)绔@至寶般的照單全收，再加以主觀放大，作為沾沾自喜的根據(jù)，實(shí)在不足為取啊。

國(guó)內(nèi)方面

根據(jù)中廣網(wǎng)的公開報(bào)道，2012年12月，中航工業(yè)西飛公司向中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱中國(guó)商飛)交付了C919大型客機(jī)中央翼、襟翼及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部段，這是C919大型客機(jī)七大部段中難度最大、工作量最大的兩個(gè)部分。這兩個(gè)部段尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外形公差要求高，尤其是國(guó)內(nèi)民機(jī)最長(zhǎng)尺寸、長(zhǎng)達(dá)15米的襟翼緣條加工，技術(shù)難度非常大。西飛突破了復(fù)合材料大型成型模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)、復(fù)合材料構(gòu)件預(yù)裝配變形控制技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)，整個(gè)研制過(guò)程全部采用先進(jìn)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、傳遞與制造，中央翼部段除1號(hào)肋是金屬件外，全部采用了先進(jìn)的中模高強(qiáng)碳纖維/增韌環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制造。這是國(guó)內(nèi)首次在固定翼飛機(jī)最重要的主承力結(jié)構(gòu)件上使用復(fù)合材料，代表了中國(guó)制造的碳纖維航空復(fù)合材料應(yīng)用的最高水平。

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圖4 國(guó)內(nèi)基于T 形接頭共固化/膠接一體成型工藝研制的盒段件。

 

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圖5國(guó)內(nèi)采用CFRP生產(chǎn)的某機(jī)型縱橫向加筋機(jī)身壁板。

注意，圖5的產(chǎn)品仍然面積較小，需要通過(guò)機(jī)械加工多塊拼接形成大型壁板。而波音787可以整體成型超長(zhǎng)超寬的壁板，覆蓋在兩個(gè)大型工藝分離面（核心主框段）之間，如5.8m×7m 的47 段和 4.3m×4.6m的 48段CFRP壁板。 123456

我們能做出來(lái)786這么大的壁板嗎？回答是：能。 123456

這位眼睛瞪圓了——那為什么不用呢？ copyright 123456

其實(shí)，國(guó)內(nèi)C919大飛在一開始，也曾雄心勃勃，想做類似波音787這樣的大型整體壁板.但我們的工藝水平不成熟，雖然能做出來(lái)，卻無(wú)法控制批次質(zhì)量的穩(wěn)定性. 廢品率高，成本自然下不來(lái)。C919是商飛啊，不是技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，安全性和經(jīng)濟(jì)性都是一票否決，所以琢磨了很久，還是放棄了。仍然采用分塊成型拼接吧。

差強(qiáng)人意,亦屬無(wú)奈。 內(nèi)容來(lái)自123456

為了學(xué)習(xí)CFRP大型構(gòu)件整體成型的新技術(shù)、新工藝，哈飛復(fù)合材料公司與外方合作伙伴一起，共同進(jìn)行C919的部件開發(fā)。下圖6展示的，就是哈飛復(fù)材公司參與制造的C919機(jī)尾框段——在2.4米的長(zhǎng)度內(nèi)，直徑從2米平滑過(guò)渡到1.2米，一次整體成型，是目前公開所見國(guó)內(nèi)合作制作的最大體積整體成型CFRP制件。見圖6 123456

 

圖6：C919機(jī)尾76-81框的CFRP整體成型框段

CFRP主承力結(jié)構(gòu)件，對(duì)T700,T800等高性能軍用碳纖維生產(chǎn)，以及大型復(fù)材整體成型技術(shù)提出了更高需求。國(guó)內(nèi)在這兩方面又都存在短板甚至空白。因此大多數(shù)應(yīng)用是探索性，合作性和階段性的。在短期內(nèi)，我們尚無(wú)法做到主承力結(jié)構(gòu)CFRP的大規(guī)模應(yīng)用。 copyright 123456

對(duì)此，正確的態(tài)度應(yīng)當(dāng)是：學(xué)而時(shí)習(xí)之。中國(guó)人有差距，不可怕。咱學(xué)，咱追，一定有一天咱超——就像空警2000一樣?？膳碌氖峭苑票『鸵估勺源髢煞N極端心態(tài)。這樣的心態(tài)，距離事實(shí)很遠(yuǎn); 距離成功，那是無(wú)限遠(yuǎn)。 123456

CFRP三個(gè)階段的應(yīng)用介紹完了，咱們?cè)倏纯?mdash;—

直升機(jī)、旋翼機(jī)、風(fēng)扇葉片等其他方面

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包括CFRP在內(nèi)的先進(jìn)復(fù)合材料的用量甚至更大。如V-22魚鷹傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，其結(jié)構(gòu)的50%由復(fù)合材料制成，包括機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等，共用復(fù)合材料3000多千克，其中很大一部分是CFRP。V-22的整體后機(jī)身，原由9塊手工鋪疊的壁板裝配構(gòu)成，后改為自動(dòng)鋪絲工藝整體成型，減少了34％的緊固件，53％的工時(shí)，降低了90％廢料率。自動(dòng)鋪絲技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于儲(chǔ)油箱、旋翼整流罩、主起落架艙門。已經(jīng)下馬的“科曼奇”(RAH- 66)共使用復(fù)合材料50%，歐洲最新批次的“虎”式武裝直升機(jī)結(jié)構(gòu)部件的復(fù)合材料用量高達(dá)80%，接近全復(fù)材結(jié)構(gòu)。

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國(guó)內(nèi)方面： copyright 123456

2011年國(guó)際通用航空大會(huì)披露，我國(guó)與法國(guó)、新加坡合作研制的輕型直升機(jī) EC120的機(jī)身、垂尾、水平安定面、尾翼、前艙等結(jié)構(gòu)均由CFRP等復(fù)合材料制成。在軍機(jī)方面，近年來(lái)所有的國(guó)產(chǎn)直升機(jī)旋翼都是多維編制的CFRP復(fù)材葉片，金屬旋翼葉片已經(jīng)完全淘汰。報(bào)載：復(fù)材葉片和先進(jìn)旋翼機(jī)構(gòu)，已經(jīng)成為中國(guó)直升機(jī)整體短板下不可多得的優(yōu)勢(shì)點(diǎn)，水平基本與國(guó)外看齊——殲20、武直10、遼寧號(hào)這些平臺(tái)類的突破固然可喜，而直升機(jī)葉片這樣長(zhǎng)期困境中的點(diǎn)滴進(jìn)步，也同樣令人感動(dòng)。 123456

既然說(shuō)起葉片，再嘮叨兩句航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。 123,123

大家知道，航發(fā)的風(fēng)扇葉片，大多采用鈦合金。金屬葉片有一個(gè)弱點(diǎn)，就是振動(dòng)阻尼性能較差，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)容易震顫，而且不易衰減。而且如果葉片本身已經(jīng)有微小裂紋，就會(huì)在這種持續(xù)震顫中，引發(fā)裂紋由內(nèi)向外快速擴(kuò)張，在極短時(shí)間內(nèi)造成葉片斷裂。這是一種比共振更加危險(xiǎn)的振動(dòng)現(xiàn)象。 123,123

因此，有些風(fēng)扇就在每個(gè)葉片的兩側(cè)加一個(gè)凸臺(tái)，專業(yè)術(shù)語(yǔ)稱為“凸肩”。建國(guó)60周年空軍成就展上披露，在殲11系列的AL31FN和WS-10A發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口，都有這樣的凸肩（見下圖）。這樣，葉片全部高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，各凸肩形連起來(lái)成了一個(gè)加強(qiáng)環(huán)，增加了葉片剛度。而且，葉片是依次疊加的，每個(gè)凸肩“頂”著前面一個(gè)葉片，有效降低了阻尼震顫。但這樣做的后果，是凸肩增加了葉片厚度和重量，同時(shí)增加了葉片數(shù)量，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。

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圖7：殲10發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的凸肩（紅圈處）

而CFRP材料制成的風(fēng)扇葉片，由于纖維多層交叉鋪貼，材料本身“各向異性”性能優(yōu)越，裂紋生長(zhǎng)緩慢，再加上振動(dòng)衰減率比鈦合金快5-6倍，因此可以取消葉片凸肩。2010年珠海航展披露，GE和法國(guó)斯奈克瑪為C919大飛聯(lián)合研制的發(fā)動(dòng)機(jī)LEAP-X，就采用了CFRP三維碳纖維編織物整體成型的風(fēng)扇葉片，不但重量減輕了50%，葉片數(shù)也減少了一半。

國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片，目前只看到渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合葉片，尚未見到實(shí)裝渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)使用CFRP的報(bào)道。2012年珠海航展上的CJ-1000A發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)第一款商用渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)在研產(chǎn)品，據(jù)稱采用了CFRP寬弦復(fù)合大彎掠風(fēng)扇葉片。讓我們假以時(shí)日，拭目以待吧。 123,123

在2011年中國(guó)國(guó)際通用航空大會(huì)上，“天弩”、“風(fēng)刃”等無(wú)人機(jī)采用了全機(jī)結(jié)構(gòu)CFRP材料，V750無(wú)人直升機(jī)、小型通用航空雙座飛機(jī)，也都大范圍采用了CFPR蒙皮，可以看作是國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)材在通用航空領(lǐng)域的有益嘗試。 本文來(lái)自123

航空說(shuō)完了，咱吧眼光再放遠(yuǎn)點(diǎn)，看看航天吧。 copyright 123456

二、             航天方面的CFRP應(yīng)用

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鼻錐和翼面：洲際導(dǎo)彈、宇航飛船高速再入大氣層時(shí)，由于絕熱壓縮空氣的阻力，飛行器表面的溫度非常高。美國(guó)阿波羅飛船指揮艙表面的最高溫度達(dá)2740℃。利用CFRP系列中的分支——碳纖維碳增強(qiáng)復(fù)合材料CFRC（也稱碳/碳復(fù)合材料）制成燒蝕材料，熱力學(xué)性能優(yōu)異，防熱效果好。如美國(guó)碳/碳復(fù)合材料在3837℃高溫持續(xù)255秒的過(guò)程中，線燒蝕率只有0.005毫米/秒，保證了航天飛機(jī)在1650℃的環(huán)境中連續(xù)工作40分鐘安然無(wú)恙。而且，碳/碳復(fù)合材料用來(lái)制造洲際彈道導(dǎo)彈的鼻錐和翼尖，在燒蝕過(guò)程中燒蝕率低、燒蝕均勻和燒蝕對(duì)稱。這保持了航空器的良好氣動(dòng)外形，有利于減少非制導(dǎo)誤差，美國(guó)的民兵-III導(dǎo)彈，就采用了碳/碳復(fù)材鼻錐。

本文來(lái)自123

噴管喉襯：固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓和高能粒子從噴管以3.0～4.5馬赫的超音速噴出，噴管承受3 500℃高溫、5～15 MPa的壓力和高溫沖刷。美國(guó)的民兵-III導(dǎo)彈，第三極火箭噴管喉稱采用了碳布浸漬樹脂，滿足3260℃工作60秒的需求。MX彈道導(dǎo)彈第三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管關(guān)鍵部位如外頭帽前段、整體喉襯入口段和喉部下游段采用了CFRC。固定體和柔性接頭絕熱層采用了碳纖維填充三元乙丙橡膠(EPOM)；海軍三叉戟Ⅱ型(D-5)的第一、第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了CFRC。 123,123

發(fā)動(dòng)機(jī)殼體：導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的減重，有利于提高導(dǎo)彈射程。美國(guó)“北極星”導(dǎo)彈的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體由金屬材料到CFRP材料制造，射程提高了1倍左右。例如，“北極星”AⅠ型的兩級(jí)殼體都用鋼，射程僅為2 200 km；AⅡ型第一級(jí)為鋼，第二級(jí)用GFRP，射程提高到2 800 km；AⅢ兩級(jí)都用GFRP，射程提高到4 600 km。三叉戟Ⅱ型(Trident-Ⅱ，D-5)，固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用了CFRP，射程由Ⅰ型的7 400 km提高到12 000 km，命中精度為90 m，成為當(dāng)前潛射洲際彈道導(dǎo)彈的主要型號(hào)。而且，美國(guó)目前的新型火箭，基本連殼體都是CFRP復(fù)材制成，重量輕、體積小、射程遠(yuǎn)。

再入彈頭：洲際彈道導(dǎo)彈的頭部大面積防熱材料大多采用粘膠基碳纖維增強(qiáng)酚醛樹脂。美國(guó)Amoco、Hitco公司和白俄羅斯的斯威特朗岡斯克(СВЕТЛОГОРСК)是世界上生產(chǎn)粘膠基碳纖維的主要大廠。不但防熱效果好，而且粘膠基碳纖維和酚醛樹脂的純度高，堿、堿土金屬的含量相當(dāng)?shù)?，重返大氣層過(guò)程中形成的燒蝕尾流含金屬離子少，不易跟蹤，加強(qiáng)了導(dǎo)彈的突防和生存能力。 copyright 123456

級(jí)間聯(lián)接：美國(guó)GE公司為“阿特拉斯”導(dǎo)彈設(shè)計(jì)的高2.34米的聯(lián)接器，除口蓋之外全部采用碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，比鋁合金減重44%。 本文來(lái)自123

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料：美國(guó)康維爾公司為雙元“OV-I”衛(wèi)星制作了CFRP的四根大梁結(jié)構(gòu)，減重68%。美國(guó)”ATS”衛(wèi)星的地球觀測(cè)艙CFRP連接支架，長(zhǎng)4.4米，僅重3.6公斤，可承受9頓負(fù)荷。比最好的金屬支架減重50%以上，而且高低溫度下的變形很小。

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有鑒于此，分析了一下印度烈火-5導(dǎo)彈的公開報(bào)道（17.5米的長(zhǎng)度，50噸的重量，1噸的彈頭，長(zhǎng)細(xì)尖銳的彈頭外形…..）, 估計(jì)其尚不具備火箭發(fā)動(dòng)機(jī)CFRP殼體，或者火箭CFRP外殼，且缺乏長(zhǎng)程洲際導(dǎo)彈高彈道再入大氣層所需要的粘膠基碳纖維的獨(dú)立生產(chǎn)能力。果真如此，那么面對(duì)其航天大國(guó)和洲際導(dǎo)彈強(qiáng)國(guó)的炫耀，只能說(shuō)，印度的進(jìn)步是顯著的，差距也同樣顯著。

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這位說(shuō)了，說(shuō)人家阿三，咱自己中不中??？呵呵，咱往下看。

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國(guó)內(nèi)方面：

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據(jù)《合成纖維》等雜志和網(wǎng)上的公開報(bào)道，我國(guó)在戰(zhàn)略武器方面的碳纖維應(yīng)用情況如下：

內(nèi)容來(lái)自123456

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體：中國(guó)的GFRP固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體始于20世紀(jì)80年代，并已取得成功。“東方紅-2”通訊衛(wèi)星運(yùn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)、“風(fēng)云-2”氣象衛(wèi)星運(yùn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)和“長(zhǎng)征-2E”發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體都采用了GFRP來(lái)制造。我國(guó)研制成功的大型(殼體直徑1 402 mm，長(zhǎng)2 058 mm)SPTM-14發(fā)動(dòng)機(jī)與長(zhǎng)二捆火箭配套，成功地將模擬衛(wèi)星送入軌道，標(biāo)志著我國(guó)大型GFRP殼體進(jìn)入實(shí)用階段。之后，我國(guó)研制成功的EPKM-17上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體(直徑1700 mm，長(zhǎng)1 874 mm)與長(zhǎng)二捆大推力火箭配套，于1995年末成功地將“亞洲二號(hào)”衛(wèi)星和“艾克斯達(dá)一號(hào)”衛(wèi)星送入36 000 km的太空。 內(nèi)容來(lái)自123456

火箭導(dǎo)彈殼體：我國(guó)研制CFRP殼體也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。1990年代后期，進(jìn)行了T300固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的基礎(chǔ)試驗(yàn)、殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)、點(diǎn)火試車等全程考核，完成了12K T700 CFRP殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)。第一個(gè)用在型號(hào)上的是“開拓者一號(hào)”固體小運(yùn)載發(fā)動(dòng)機(jī)的第四級(jí)(直徑640 mm)，并于2003年9月飛行成功。實(shí)現(xiàn)了CFRP殼體的歷史性跨越。目前，T800 CFRP殼體預(yù)研試驗(yàn)已經(jīng)展開。

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噴管喉襯：我國(guó)研制的C／CFRP噴管于1989年點(diǎn)火成功，出口壁厚最薄處僅為0.9 mm的大尺寸(Ф500～2 000 mm左右)噴管顯示出優(yōu)異的綜合性能。

本文來(lái)自123

再入彈頭：根據(jù)《東華校友》“創(chuàng)制國(guó)防尖端材料的科研先鋒——記上海市勞動(dòng)模范潘鼎教授”一文報(bào)道，2001-2003年度上海勞動(dòng)模范，東華大學(xué)材料學(xué)教授、博士生導(dǎo)師潘鼎教授，主持了“300Kg/年粘膠基碳纖維擴(kuò)試線”這一國(guó)家級(jí)重大軍工科研項(xiàng)目，用不同于國(guó)外原料的國(guó)產(chǎn)棉纖維素原絲制成了填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白、產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的高純度航天級(jí)粘膠基碳纖維，成果無(wú)償轉(zhuǎn)給中科院山西煤化所，進(jìn)行放大生產(chǎn)。課題組還制定了“ＧＪＢ３８３９－２０００”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，形成了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)、世界上獨(dú)一無(wú)二的，用棉纖維素粘膠簾子線制備碳纖維的技術(shù)及應(yīng)用設(shè)備。該技術(shù)和產(chǎn)品榮獲2003年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，解決了DF-31導(dǎo)彈的定型難題，并使我國(guó)已成為美俄之外，能夠獨(dú)自掌握這一產(chǎn)品及其生產(chǎn)技術(shù)的世界第三大國(guó)。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu) copyright 123456

據(jù)中國(guó)質(zhì)量新聞網(wǎng)報(bào)道，我國(guó)2011年發(fā)射的嫦娥二號(hào)探月衛(wèi)星，其定向天線的重要支撐部分，定向天線展開臂，是由哈爾濱玻璃鋼研究院研發(fā)的CFRP復(fù)材，總重量?jī)H500余克，較使用鋁合金材質(zhì)減輕近300克，但承重能力毫不遜色。 內(nèi)容來(lái)自123456

有朋友說(shuō)，300克算什么??？呵呵，要知道，衛(wèi)星的減重，是以克計(jì)的，少1克，能節(jié)約500克燃料。少300克，衛(wèi)星就可以多帶一個(gè)相機(jī)或望遠(yuǎn)鏡，多完成一些任務(wù)。再看看減重比例：40%，還是很有效的，呵呵。

總結(jié)

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至此，關(guān)于碳纖維及其復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展淺析系列文章，就此打住了。 copyright 123456

有朋友問：你說(shuō)了這么多，那么在碳纖維復(fù)材的航空航天應(yīng)用上，中國(guó)在世界上究竟處于什么位置呢？ 內(nèi)容來(lái)自123456

這個(gè)問題，兵器迷可回答不了，咱們借用中國(guó)材料大師師昌緒老先生在2010年的評(píng)論：目前中國(guó)的CFRT應(yīng)用，大約處于西方發(fā)達(dá)國(guó)家1980年代的水平。 copyright 123456

從上面的介紹可以看出，中國(guó)的碳纖維復(fù)材，在軍用領(lǐng)域緊追慢趕，亮點(diǎn)不少。但在民用航空領(lǐng)域的發(fā)展，一直大幅度落后于美歐日等國(guó)家，直接原因是成本太高，比要替代的鋁合金貴的多，甚至比鈦合金還要貴。

這其中的間接原因是多方面的。 123456

首先，戰(zhàn)略軍用小絲束產(chǎn)品，得益于兩代“核心”領(lǐng)導(dǎo)的重視，T300軍用碳纖維的完全國(guó)產(chǎn)化，使得次承力結(jié)構(gòu)軍用構(gòu)件有較快的發(fā)展。而民用大絲束領(lǐng)域的政策扶持相對(duì)滯后許多。實(shí)際上，國(guó)家當(dāng)年資源人力都有限，為了救急，集中精力搞軍用小絲束，是完全合理的。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，通用、民用產(chǎn)品的市場(chǎng)空間更大，是碳纖維行業(yè)持久發(fā)展、持續(xù)創(chuàng)新的厚土沉基。在軍品已經(jīng)打開突破口，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)力增強(qiáng)的今天，不要說(shuō)大絲束，即便是小絲束產(chǎn)品，也應(yīng)當(dāng)更多的從市場(chǎng)和民用角度，拓寬其行業(yè)基礎(chǔ)，以軍帶民、以民養(yǎng)軍、分苗嫁接、開枝散葉，形成軍用技術(shù)和民用產(chǎn)業(yè)的良性互動(dòng)。這是政策層面的原因。

第二，國(guó)內(nèi)十?dāng)?shù)家碳纖維生產(chǎn)廠家，群雄并起，看似熱鬧，實(shí)際上有很大一部分并沒有掌握核心技術(shù)。要么是關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵材料需要進(jìn)口，要么是工藝參數(shù)和質(zhì)量控制沒有吃透。甚至，很多企業(yè)到現(xiàn)在，PAN原絲生產(chǎn)還要高價(jià)進(jìn)口東麗公司的DMSO溶劑，屬于照貓畫虎形的“自主生產(chǎn)”。多數(shù)廠家的產(chǎn)品質(zhì)量批次差異性較大，纏結(jié)、斷絲時(shí)有發(fā)生，合格的PAN原絲生產(chǎn)量不過(guò)100噸/年，達(dá)不到基本規(guī)模經(jīng)濟(jì)水平。產(chǎn)業(yè)布局和關(guān)鍵技術(shù)的把握，都有很大的提升空間。這是PAN原絲和碳纖維生產(chǎn)層面的原因。

第三，在預(yù)浸料自動(dòng)鋪疊技術(shù)和整體成型工藝，已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家成熟制造技術(shù)，但對(duì)于中國(guó)航空航天碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域，依然是工業(yè)化生產(chǎn)中最大的一塊短板，甚至空白。即便有了引進(jìn)設(shè)備，我們對(duì)復(fù)材的物理性質(zhì)，力學(xué)性能研究不透，對(duì)加工參數(shù)掌握不足，知其然不知其所以然，直接用國(guó)外的軟件設(shè)計(jì)復(fù)材方案，導(dǎo)致CFRP復(fù)材的產(chǎn)量低、價(jià)格高、質(zhì)量不穩(wěn)定和創(chuàng)新能力低下。軍用部件不計(jì)成本，也就罷了，而對(duì)商業(yè)化批量生產(chǎn)和應(yīng)用，這就是一個(gè)重大的阻礙，很多廠家為此畏難而退，裹足不前，干脆直接用已經(jīng)摸透的金屬材料做更有把握和更經(jīng)濟(jì)。這是復(fù)材生產(chǎn)層面的原因。

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第四，航空航天器的設(shè)計(jì)，需要結(jié)合復(fù)材性能特性，加強(qiáng)整體設(shè)計(jì)的思想，而不是簡(jiǎn)單的替換原金屬部件。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，國(guó)內(nèi)某型軍機(jī)的平尾改用CFRP復(fù)材后，確實(shí)輕了不少，但卻因此改變了全機(jī)力矩平衡，需要通過(guò)配重進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果整機(jī)減重效果并不理想。當(dāng)然，逐項(xiàng)替代也是一種有效的驗(yàn)證步驟，但有一種理念需要強(qiáng)調(diào)：局部?jī)?yōu)化不代表整體優(yōu)化。在復(fù)合材料應(yīng)用愈加廣泛的今天，頂層設(shè)計(jì)，全局優(yōu)化，才能最大化的發(fā)揮復(fù)材的最大功能效用和經(jīng)濟(jì)效用。這是設(shè)計(jì)思想層面的原因。 copyright 123456

寫至此處，兵器迷覺得筆端異常沉重——回顧碳纖維復(fù)材的發(fā)展歷程，我們?cè)僖淮胃惺艿矫绹?guó)的強(qiáng)大和日本的扎實(shí)。這種強(qiáng)大是深入骨髓的，這種扎實(shí)是無(wú)所不在的。在碳纖維這個(gè)領(lǐng)域，他們傲然前行，卓越領(lǐng)先。 123456

這里面有著深層次的原因。如果不能正視這種真正的領(lǐng)先，反而意淫著多少年GDP趕上美國(guó)就揚(yáng)眉吐氣了，那么GDP第一長(zhǎng)達(dá)上百年的大清朝頹然崩坍的歷史，就可能重演。如果不能從長(zhǎng)效機(jī)制和基礎(chǔ)研究上練真功夫，那么我們今天的進(jìn)步就可能是局部甚至短暫的。

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當(dāng)然，承認(rèn)現(xiàn)實(shí)不代表低頭認(rèn)輸。中國(guó)強(qiáng)大過(guò)數(shù)千年，也落后過(guò)數(shù)百年，并且已經(jīng)追趕過(guò)數(shù)十年。雖然領(lǐng)跑者的數(shù)量和差距正在縮小，但學(xué)習(xí)和追趕仍將是我們這個(gè)民族今后很長(zhǎng)一段時(shí)間的常態(tài)。懷著這樣的心態(tài)來(lái)看問題，美日的領(lǐng)先和強(qiáng)大，就能夠成為中國(guó)崛起成型過(guò)程中最好的熱壓罐——我們今天的挫折和困難，就像碳纖維和復(fù)材形成過(guò)程中的高溫和預(yù)浸料。忍辱負(fù)重、腳踏實(shí)地、科學(xué)精心地調(diào)制這一痛苦和嚴(yán)苛的過(guò)程，是中國(guó)軍工，乃至中華民族走向真正強(qiáng)大的必經(jīng)之途。

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期盼著中國(guó)制造碳纖維的千絲萬(wàn)縷，勝金克鐵；

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憧憬著中國(guó)碳纖維復(fù)材制造的航空器，自由高飛。 copyright 123456

注：所有資料來(lái)自于互聯(lián)網(wǎng)公開報(bào)道和公開出版物，如：

《碳纖維的制造和應(yīng)用》 本文來(lái)自123

《碳纖維制造工藝》

《大絲束碳纖維應(yīng)用研究》 本文來(lái)自123

《飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件詳解》 123456

《中國(guó)碳纖維工業(yè)現(xiàn)狀和碳纖維應(yīng)用》

本文來(lái)自123

本文還引用了航空制造網(wǎng)的信息和圖片，在此一并致謝！