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没有国产碳纤维复合材料,总是一个心病

   发布时间:2019-06-17 点击人数:346次

复合材料是一个既古老又十分宽泛的材料。目前人们最关注的是,能够代替金属材料制造结构件的,树脂基碳纤维复合材料。早期,西方称这种材料为碳纤维增强塑料(树脂),英文Carbon-fibre reinforced plastic (resin) – CFRP。其中碳纤维多是短切纤维,纤维含量一般不超过30%。材料中以塑料为主,是基础材料。用这种材料加工零件,仍然使用普通塑料加工工艺。制成的零件外观与普通塑料零件差别不大。这一时期,碳纤维隶属纺织行业。塑料是化工行业的产品。


随着制造碳纤维技术长足地进步,中模量碳纤维的强度,如东丽T800的拉伸强度达到5490Mpa(7075高强度铝合金的拉伸强度510Mpa),长度可达5700公尺。此时它用作增强体,多是碳纤维的纺织物,如纱线、布、带。相配合的树脂,又多用热固性树脂:


Phenolics  (PH)        酚醛树脂


Epoxies  (EP)          环氧树脂


Bismaleimides (BMI)     双马来酰亚胺(简称双马树脂)


Cyanate esters  (CE)     氰 酸 酯


Polyimides   (PI)        聚 酰亚 胺


航空、航天结构件使用的复合材料,其中90%基础树脂是双酚A缩水甘油醚的环氧树脂。基础树脂中要加入固化剂、增塑剂和一些功能材料,组成基材树脂(matrix)。中模量、高强度碳纤维与增韧环氧树脂基材(matrix)组合的复合材料,就是现在的“先进碳纤维复合材料”。先进碳纤维复合材料与早期复合材料,最大的区别是,作为增强体的碳纤维的含量达65%。而作为基体的基材树脂(matrix),反到只有35%。而且,先进碳纤维复合材料可以用来制造民机身和机翼。


“贵族材料”碳纤维,最初用于军工产品。军工企业根据自己产品的性能和制造工艺,研发基材树脂(matrix),然后选配碳纤维。至今,我国一直沿用这种生产组织模式。如,中航工业有自己的,能力很强的基材树脂(matrix)研发、制造单位。几家飞机制造公司也有类似的小型研发机构(中航工业的产品主要是军机)。


随着先进复合材料在民机上大量应用,特别是主要受力结构,如机翼、机身使用复合材料。人们对树脂基碳纤维复合材料,进行了深入地研究。对碳纤维、基材树脂(matrix)和这二者的结合,揭示出一系列真谛。把它的优越性能用到极致,同时克服了一些不足之处。这其中最具影响的是,碳纤维与基材树脂(matrix)的结合,实际上是碳纤维表面的浆料与基材树脂(matrix)的结合。


目前,先进复合材料中的碳纤维,它是由原絲或叫前体的聚丙稀腈(PAN),经氧化、碳化得到的含碳量达95%以上,直径5-7微米的黑色长纤维。制造的最后工序是对纤维进行表面处理并上浆,使纤维表面附着一层浆料,保护纤维。浆料多是溶于水的树脂。所有生产商使用自己合成的原丝。并开发自己的浆料技术,将其应用于纤维,以满足最适合目标应用的需要。原丝、氧化、碳化、浆料都是各制造商的商业秘密。其中浆料技术最为神秘。2013年11月在工信部化工处召集的一次小会上,有人介绍说,东丽研发的浆料有上千种。




碳纤维与基材树脂(matrix)结合的程度,是影响复合材料最终性能的关键因素之一。为了确保复合材料的性能稳定一致和减少研发过程中的变数。一些碳纤维制造企业,顺理成章地将基材树脂(matrix)的研发与浆料的研发结合在一起,共同研发。这种将隶属纺织行业的碳纤维生产企业与隶属化工行业的基材树脂(matrix)结合生产的组织形式,就是现在的复合材料公司或者叫工程材料公司。如,东丽复合材料(美国)公司、氰特工程材料公司、赫氏材料公司。




复合材料公司(或工程材料公司)不仅提供碳纤维纺织物,同时还提供配套的基材树脂(matrix)和预浸料(半固化片)。特别针对新民机具体结构件的特点和工艺方法,研发基材树脂(matrix)和碳纤维织物。材料的研发是和民机适航认证同步进行。这种合作模式减少了飞机制造公司和材料公司对新材料的验证工作。波音777尾翼所用的T800H/3900-2复合材料,就是东丽用这种模式研发的。东丽为了紧密配合777复合材料尾翼的研制工作,还特地将工厂建在尾翼研制工厂(Frederikson)的马路对面。


至今,树脂基碳纤维复合材料在民机上的用量,达到了50-53%。波音787被誉为“塑料飞机”。这一路走来,给我们一个重要启示,碳纤维和基材树脂(matrix),变数极大。早期由航空工业自己研发基材树脂(matrix),再外购、选配碳纤维的生产模式,尽管也能提供复合材料,但不能保证材料性能稳定一致。这样的复合材料不能取得适航认证,不能用民机。文章标题中“没有国产碳纤维复合材料”就是指的没有取得适航认证的碳纤维复合材料。


长期以来主流技术部门谈起先进材料, 都用“ 碳纤维及复合材料 ”一词(最近多用“碳纤维及其复合材料”)。这种提法突出了碳纤维,不提基材树脂。实际是把复合材料放在在次要位置。《勿让“碳纤维强国”成为空谈 》一文中,更加突出了这种思维。受这种观点的影响,致使国家制定发展政策也偏向碳纤维。在政策的引导下,国内制造碳纤维的企业疯张。至今,我国没有一家能够生产用于民机的“ 树脂基碳纤维复合材料 ”的企业。


没有国产树脂基碳纤维复合材料,要研发出先进民机,制约的因素很多,存在着较大的风险。治愈这个“心病”的良方是,国家选择至少两家碳纤维生产企业,增加基材树脂的研发、生产业务,成为名副其实的复合材料公司。公司的研发、生产项目要配合商飞的需求,开展工作,这其中就包括材料的适航认证工作。新成立的复合材料公司,除了生产民机用的材料外,还要研发、生产航天、汽车、风电叶片等行业所用的树脂基碳纤维复合材料。一旦这个目标实现了,原来仅生产碳纤维的企业,再也不愁碳纤维会滑落到“白菜价”。药方虽好,还需要动用“集中力量办大事”的优势,才能尽快治愈这个心病。


来源: 碳纤维研习社

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