【文章內(nèi)容簡介】 碳纖維復合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 國內(nèi)經(jīng)過 30 多年的研究，采用進口碳纖維制備的復合材料在軍機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用取得較大發(fā)展。如直 9國產(chǎn)化后復合 材料用量提高到了 36%以上，未來擬研發(fā)的飛機對復合材料用量提出了 25%的要求。我國復合材料在航天飛行器上的應(yīng)用也發(fā)展很快，如長征運載火箭在衛(wèi)星接口支架、有效載荷支架、井字梁、高蜂窩板、環(huán)框及芯桿組件等零部件均采用了碳 /環(huán)氧復合材料。但是，使用的碳纖維均為進口碳纖維。 目前，國內(nèi)復合材料仍以手工鋪放和熱壓罐固化方式為主，已經(jīng)引進了一些先進的制造設(shè)備，并跟蹤國際發(fā)展方向， 17 開發(fā)和完善新型工藝技術(shù)。目前的狀態(tài)如下： （ 1) 以手工鋪放和熱壓罐固化方式為主。在復合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)方面，熱壓罐成形技術(shù)已廣泛采用，共固化 和共膠接技術(shù)也得到了應(yīng)用，各型飛機的復合材料構(gòu)件大都采用此方法制造，如直 EC120 座艙、尾段等，殲八復合材料垂尾、殲八 II 帶整體油箱復合材料機翼、殲 10 復合材料垂尾、方向舵、鴨翼蒙皮、殲 11B 帶“工”字長桁加筋的復合材料垂尾壁板和全動平尾壁板等，目前正在開展的艦載預(yù)警機垂尾、民機平尾、機翼等項目的研制。 （ 2) 正在向著數(shù)字化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。引進了多種國外先進生產(chǎn)設(shè)備，復合材料結(jié)構(gòu)制造的自動化水平不斷提高。相關(guān)企業(yè)先后引進了復合材料數(shù)控下料機、激光鋪層定位系統(tǒng)、編織機、縫合設(shè)備、 RTM 注射機、數(shù)控纏繞機、 數(shù)控復合材料加工設(shè)備、蜂窩加工設(shè)備、復合材料自動無損檢測設(shè)備等。哈飛從國外新引進的自動鋪帶機極大地提高了我國復合材料結(jié)構(gòu)制造的自動化水平。 今后的發(fā)展應(yīng)用動向： （ 1）在熱壓罐成形技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展多種低成本制造技術(shù)。 18 樹脂傳遞模塑 (RTM)和樹脂膜滲透 (RFI)工藝技術(shù)已有較多研究，開始進入應(yīng)用階段。編織 /縫合預(yù)成型件 /RTM 制造技術(shù)的研究，突破了近凈尺寸預(yù)成形技術(shù)、流動浸潤控制技術(shù)、模具設(shè)計技術(shù)和工藝優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。 （ 2）采用低溫固化制造技術(shù) 在殲擊機、大型飛機、直升機、無人機和衛(wèi)星得到了試驗性應(yīng) 用，獲得 2021 年國防科技進步獎一等獎和 2021 年國家技術(shù)發(fā)明二等獎，今后要擴大應(yīng)用范圍。 （ 3）電子束固化復合材料技術(shù) 621 所已經(jīng)研制成功國內(nèi)綜合性能最好的電子束固化復合材料，擁有全部自主知識產(chǎn)權(quán)，已經(jīng)試用于高高空無人作戰(zhàn)平臺結(jié)構(gòu)，并正在開發(fā)此項材料用于纏繞成形的復合材料結(jié)構(gòu)。 （ 4）數(shù)字化制造技術(shù) 數(shù)字化制造技術(shù)及數(shù)據(jù)庫的研究取得初步成果。 621 所和哈飛共同承擔的國防基礎(chǔ)科研項目“復合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線及其支撐技術(shù)研究”的研究目的是建立一個集團公司級、技術(shù)先進、管理先進、面向用戶的航空復合材料數(shù)據(jù)體系及數(shù)據(jù)庫，和一個依托在企業(yè)的航空復合材料制品數(shù)字化制造生產(chǎn)線，為航空復合材料科技工業(yè)的跨越式發(fā)展奠定扎 19 實的技術(shù)基礎(chǔ)和支撐平臺。當然數(shù)據(jù)體系及數(shù)據(jù)庫建立比較容易，但復合材料工程數(shù)據(jù)以及支持復合材料構(gòu)件設(shè)計、制造、檢測等專業(yè)的知識系統(tǒng)的充實還需要更多項目和單位的支持。 （ 5）數(shù)字化模擬技術(shù) 模擬技術(shù)開始研究。利用相關(guān)軟件，針對具體的制件需求，開展了預(yù)成型體制備和 RTM 注射過程的數(shù)字化模擬，有力地支持了重點型號任務(wù)制件如螺旋槳、尾斜軸和方向舵的工藝設(shè)計和工藝優(yōu)化，提高了研制效率、降低了工藝試驗成本，逐步開始從傳 統(tǒng)的工藝研究“試錯”研究模式向數(shù)字化模擬優(yōu)化模式轉(zhuǎn)變。 項目對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用與影響 碳纖維是一種與國民經(jīng)濟和國防安全密切相關(guān)的關(guān)鍵材料，是發(fā)展先進武器裝備所必需的原材料，特別是戰(zhàn)略導彈和戰(zhàn)斗機急需的高性能纖維之一，也是衛(wèi)星、航天飛行器、核能設(shè)備及隱形武器等迫切需要的結(jié)構(gòu)及功能材料的主要增強材料。 1975 年 11 月張愛萍將軍主持了 7511 會議，正式確定碳纖維作為尖端武器關(guān)鍵材料組織全國力量攻關(guān)，但由于方方面面的諸多原因，迄今我國仍然停留在低性能碳纖維生產(chǎn)水平上，遠遠不能滿足我國國防和經(jīng)濟建設(shè)的需要。 20 目前我國的 武器型號主要使用外國產(chǎn)碳纖維，小絲束碳纖維（ 16K）供應(yīng)源極其不穩(wěn)定并且從 2021 年開始對中國實行了事實上的嚴格禁運，國內(nèi)民用領(lǐng)域需要的大絲束 PAN（ 1236K） PAN 碳纖維也基本依賴進口并且用量受到了制約。2021 年進口量達到了 4000 多噸。面對如此重大和緊迫的國家需求，十五期間我國對碳纖維的關(guān)鍵技術(shù)和穩(wěn)定化工程技術(shù)給予了有力的支持，特別是國家 863 計劃碳纖維專項和中國科學院方向性創(chuàng)新項目的啟動和進行，有效地提高了我國碳纖維制備的關(guān)鍵技術(shù)、工程化水平和應(yīng)用技術(shù)，國家自然科學基金委重點項目在碳纖維制備方 面進行了一些初步的探索。通過十五期間以上項目的執(zhí)行，使我國碳纖維制備與應(yīng)用技術(shù)有了長足的進步，并準確地發(fā)現(xiàn)和凝練了一些關(guān)鍵科學問題，為國產(chǎn)碳纖維及其復合材料的應(yīng)用與發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。 開展國產(chǎn)碳纖維復合材料及其在飛行器上應(yīng)用技術(shù) 高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程 項目， 推動航空航天工業(yè) 碳纖維復合材料研究和 結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的發(fā)展，重點 解決當前國產(chǎn)碳纖維復合材料在大飛機項目及其它系列飛機改型工作的瓶頸問題以及滿足穩(wěn)定 批量生產(chǎn)的需要，是 國家中長期科技發(fā)展的需要， 全面提升中國航空航天工業(yè)在國際上的競爭力，促進產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有十分重 要的戰(zhàn)略意義。 21 是保證國家具有戰(zhàn)略性關(guān)鍵技術(shù)的需要 復合材料技術(shù)對國防技術(shù)來講，是一項具有戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵技術(shù)。特別是在航空工業(yè)，各種先進的飛機無不與先進的復合材料技術(shù)緊密聯(lián)系在一起。在以美國為代表的西方國家，先進的復合材料技術(shù)造就了性能卓越的飛機，而每一種新飛機問世的同時，又都大大促進復合材料技術(shù)的向前發(fā)展。因此，當前復合材料在飛機上應(yīng)用的部位和用量的多少已成為衡量飛機結(jié)構(gòu)先進性的重要標志之一。不僅是航空工業(yè)，在航天、兵器、船舶等工業(yè)領(lǐng)域，復合材料制造技術(shù)也是推動這些工業(yè)向高新領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)?？梢哉f復合 材料制造技術(shù)的發(fā)展與一個國家的航空產(chǎn)業(yè)、乃至于整個國防工業(yè)現(xiàn)代化息息相關(guān)，是一項具有戰(zhàn)略意義的關(guān)鍵技術(shù)。 是保障國防安全的需要 自 2021 年下半年全球爆發(fā)了碳纖維危機，國外對我國進口碳纖維實施嚴格控制，目前軍用碳纖維十分緊缺，嚴重危及武器裝備研制生產(chǎn)和未來裝備的持續(xù)發(fā)展，已引起軍委和國家領(lǐng)導人高度關(guān)切。碳纖維作為國家安全戰(zhàn)略物資，絕對不能受制于人。從國防發(fā)展的戰(zhàn)略角度考慮，武器裝備的研制必須立足國產(chǎn)碳纖維，必須應(yīng)用國產(chǎn)碳纖維復合材料，必須不失時機地解決應(yīng)用基礎(chǔ)問題，以促進國產(chǎn)碳纖維復合材料在航空工業(yè)上的高效 可靠持續(xù)應(yīng)用。美國民用飛機的研 22 制可以選用日本生產(chǎn)的碳纖維，而軍用飛機則一直采用美國本國生產(chǎn)的 AS IM IM8等碳纖維。 是大飛機項目順利進行的需要 中國航空第二集團公司科技委副主任崔德剛表示 :為保證中國研制的民用大型飛機具有國際競爭力，并達到適航標準，突破 10項關(guān)鍵技術(shù)之一就是先進復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、適航審定的特殊要求的鑒定技術(shù)。 復合材料構(gòu)件成形技術(shù)是制造大飛機的關(guān)鍵。復合材料是一種由高強度、高剛度增強材料鋪設(shè)在基體中構(gòu)成的新型材料，具有高比強度、高比模量、良好的抗疲勞性、隱身性好、抗腐蝕性等一 系列優(yōu)點。在飛機上采用復合材料意味著可以明顯減輕飛機的結(jié)構(gòu)重量，提高飛機的性能。歐洲空中客車公司的超大型客機 A380，碳纖維復合材料的用量占結(jié)構(gòu)總重的 15%。復合材料在美國 B787 飛機上的用量達 50%，機身和機翼部位都采用碳層合板代替鋁合金，機體蒙皮結(jié)構(gòu)幾乎全是復合材料。 隨著我國大飛機項目及其它系列飛機改型工作的啟動，由于系統(tǒng)功能提升、載荷增加以及對著陸和防腐的特殊考慮，如不對飛機所用材料體系作重大更動，飛機結(jié)構(gòu)重量系數(shù)將顯著增加，飛機的整體性能也將受到嚴重影響。因此， 23 必將迫切應(yīng)用碳纖維結(jié)構(gòu)復合材料。 是 國家科技發(fā)展的需要 復合材料現(xiàn)已在航空航天工程、交通運輸、高層建筑、機電工業(yè)、化學工業(yè)、競技體育等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，并顯示出其不可取代的重要地位。復合材料不僅是新材料研制的典范，而且也是 21 世紀多功能、高性能、智能化新材料研究的重點方向。在一定程度上，可以說復合材料的研究水平和應(yīng)用程度是一個國家科技發(fā)展水平的體現(xiàn)。如果不發(fā)展復合材料結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，將對復合材料的應(yīng)用產(chǎn)生嚴重 的制約作用。 目前，我國航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進入了一個關(guān)鍵時刻。先進性能的飛機、直升機對復合材料及制造技術(shù)在航空上的應(yīng)用提出了很高的要求。在 國內(nèi)航空制造領(lǐng)域，復合材料結(jié)構(gòu)在飛機上的應(yīng)用正在逐步提高；但是，在主承力結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用方面還沒有突破性的進展。一些新材料、新工藝和相關(guān)的設(shè)計方法，特別是低成本制造技術(shù)、復合材料數(shù)字化制造技術(shù)及材料、設(shè)計、工藝一體化技術(shù)仍處于很低的水平，還沒有形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。對于國內(nèi)目前正在研制的一些高性能的飛機和直升機來講，國內(nèi)的復合材料技術(shù)，無法滿足其對機體重量、隱身、質(zhì)量以及低成本的要求。復合材料技術(shù)，特別 24 是復合材料制造技術(shù)成為制約我國航空發(fā)展的瓶頸問題之一。 是突破我國飛行器產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的需要 在我國，復合材料技術(shù)經(jīng)過 近 30 年的學習引進、自主研究和開發(fā)應(yīng)用，在一定程度上取得了相當大的進步。通過幾個“五年計劃”的預(yù)先研究，取得了一批研究成果。但是，我國現(xiàn)階段的技術(shù)水平與國外先進國家相比，差距很大：原材料制備能力較低；復合材料制造技術(shù)發(fā)展比較分散，沒有形成統(tǒng)一的技術(shù)發(fā)展規(guī)劃；研究機構(gòu)、高等院校、企業(yè)單位各自為戰(zhàn)；成果轉(zhuǎn)化弱，企業(yè)沒有成為技術(shù)研發(fā)的主體。在型號的研制中，有些技術(shù)的工程應(yīng)用研究還要重新走一遍，形成低水平的重復研究。開展 國產(chǎn)碳纖維復合材料及其在飛行器上 應(yīng)用技術(shù)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程 項目，有助于凝聚國內(nèi)整個配套產(chǎn)業(yè)的力 量，突破技術(shù)發(fā)展瓶頸，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，滿足穩(wěn)定 批量生產(chǎn)的需要， 提高我國航空工業(yè)的競爭力。 通過本項目的研究，可使國產(chǎn)碳纖維復合材料的使用性能滿足飛機部件的要求，指導國產(chǎn)碳纖維高性能化研制和指標體系的科學表征，實現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維自主研制與國產(chǎn)碳纖維應(yīng)用的有機銜接。通過研究碳纖維復合材料工藝技術(shù)，建立應(yīng)用標準，可解決當前國產(chǎn)碳纖維復合材料在飛行器上應(yīng)用的瓶頸問題， 推動航空工業(yè) 碳纖維復合材料研究和 結(jié)構(gòu)制造 25 技術(shù)的發(fā)展。 產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度分析 促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 國產(chǎn)碳纖維復合材料及其在飛行器上 應(yīng)用技術(shù)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程 項目可 以帶動下列行業(yè)：金屬生產(chǎn)與加工業(yè)（鋁等有色金屬）、化工業(yè)（塑料、漆、膠等）機械工業(yè)、紡織業(yè)、交通業(yè)等 通過材料和產(chǎn)品的銷售與出口，帶動國產(chǎn)材料及產(chǎn)品擴大國內(nèi)市場份額，進入國際市場參與世界經(jīng)濟的競爭。同時生產(chǎn)過程中，將有原材料與器材消耗，也將對其他相關(guān)行業(yè)（煤碳、電力、原材料、化工等）形成拉動作用。 提高我國國防工業(yè)的技術(shù)水平 通過國產(chǎn)碳纖維復合材料及其在飛行器上 應(yīng)用技術(shù)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程 項目，可以系統(tǒng)地提升我國復合材料的生產(chǎn)能力，設(shè)計技術(shù)、生產(chǎn)工藝和管理技術(shù)，縮短我國碳纖維復合材料生產(chǎn)與應(yīng)用同西方國家的差 距，進一步全面實現(xiàn)與世界先進水平的接軌，提高國家國防工業(yè)的技術(shù)水平。 促進我國航空航天制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展 隨著產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，高新技術(shù)應(yīng)用的成熟，開展與各航空航天院校的密切合作和課題研究，拉動院校的科技理論研究工作，并將理論成果轉(zhuǎn)化為工程實踐，對促進我國航空制造 26 業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，提高我國航空工業(yè)的整體水平，帶動國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將具有十分重要的現(xiàn)實意義。使我國擁有了按國際先進管理要求的工程技術(shù)隊伍和管理隊伍，滿足國際先進適航要求的產(chǎn)品驗證隊伍以及建立具有滿足國際ISO9001要求的質(zhì)量保證體系的能力。 市場分析 以國產(chǎn)海豚飛機為例 ,全機復蓋件 70%是復合材料件，已生產(chǎn)179。179。179。架，與法國合作的 EC120 直升機機體，復合材料用量占重量 35%，已生產(chǎn) 500 多架份，取得了多國適航認可，該機已銷售到世界地。 近年來國外軍機，民機中復合材料構(gòu)件迅速增加，繼B787 復合材料構(gòu)件已達結(jié)構(gòu)重量 50%以后，正在開發(fā)中的A350其復合材料構(gòu)件更將達結(jié)構(gòu)重量 52%。根據(jù)中央有關(guān)部門指示精神：大客先進性應(yīng)相當于 B737 下一代水平的目標，而且要考慮到飛機出來后當時的國際水平。根據(jù)此精神，復合材料構(gòu)件在大客 /大運上都應(yīng)得到大量采用。 我國復合 材料在航天飛行器上的應(yīng)用也發(fā)展很快，如長征運載火箭在衛(wèi)星接口支架、有效載荷支架、井字梁、高蜂窩板、環(huán)框及芯桿組件等零部件均采用了碳 /環(huán)氧復合材料。但是，使用的碳纖維均為進口碳纖維 ,價格昂貴并受人制約。 27 與國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化總體思路、原則、目標關(guān)聯(lián)情況 本項目以國產(chǎn)碳纖維界面表征與增效設(shè)計，預(yù)浸料工業(yè)化生產(chǎn)、國產(chǎn)碳纖維復合材料構(gòu)件設(shè)計制造技術(shù)為主線，旨在突破國產(chǎn)碳纖維復合材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，建立國產(chǎn)碳纖維及其復合材料性能表征與評估、國產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料制備、大型復合材料構(gòu)件制備和復合材料檢測等平臺和應(yīng)用標準，形成國 產(chǎn)碳纖維復合材料研發(fā)與工程應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈，全面提升我國高性能復合材料設(shè)計開發(fā)制造水平，打破碳纖維材料國際壟斷現(xiàn)狀，促進碳纖維原材料產(chǎn)業(yè)、預(yù)浸料制備產(chǎn)業(yè)、航空復合材料構(gòu)件制造產(chǎn)業(yè)以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和