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    航空航天先進復合材料研究熱點大盤點

    ?? 日期:2022-04-20???? 來源:國防科技網/搜狐網????瀏覽:1578????
    核心提示:復合材料與金屬、高聚物、陶瓷并
    復合材料與金屬、高聚物、陶瓷并稱為四大材料。今天,一個國家或地區的復合材料工業水平,已成為衡量其科技與經濟實力標志之一。先進復合材料是國家安全和國民經濟具有競爭優勢的源泉。在此其中,環氧樹脂是優良的反應固化型性樹脂。在纖維增強復合材料領域中,環氧樹脂大顯身手。它與高性能纖維PAN基碳纖維、S或E玻璃纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、玄武巖纖維復合,便成為不可替代的重要的基體材料和結構材料,廣泛運用在電子電力、航天航空、運動器材、建筑補強、壓力管道、化工防腐等六個領域。本文重點論述航空航天先進樹脂基復合材料的國內外現狀及中國正在研究的問題與方向。
     
    復合材料使用的增強纖維
     
    復合材料所用各種纖維材料性能比較見表1。對一些材料的性能進行了比較。由表1可見,僅玻璃纖維就比金屬材料的比強度、比模量分別提高了540%和31%,碳纖維的提高則更為顯著。據文獻報道,由鍵能和鍵密度計算得出的單晶石墨理論強度高達150GPa。因此碳纖維的進一步開發潛力是十分巨大的。日本東麗公司的近期目標是使碳纖維抗拉強度達到8.5GPa、模量730GPa。毋庸置言,碳纖維仍將是今后固體火箭發動機殼體和噴管的主要材料。
     
    開發碳纖維復合材料的其他應用大有作為,如飛機及高速列車剎車系統、民用飛機及汽車復合材料結構件、高性能碳纖維軸承、風力發電機大型葉片、體育運動器材(如滑雪板、球拍、漁桿)等。隨著碳纖維生產規模的擴大和生產成本的逐步下降,在增強混凝土、新型取暖裝置、新型電極材料乃至日常生活用品中的應用也必將迅速擴大。我國為配合北京奧運會,擬大力開發新型CFRP建材及與環保,日用消費品相關的高科技CFRP新市場。
     
    碳纖維是一種高強度、高模量材料,理論上大多數有機纖維都可被制成碳纖維,實際用作碳纖維原料的有機纖維主要有三種:粘膠纖維、瀝青纖維、聚丙烯腈纖維。當前固體火箭發動機結構件用的碳纖維大多由聚丙烯腈纖維制成。
    航1
    航空航天用樹脂基復合材料
     
    據有關資料報導,航天飛行器的質量每減少1千克,就可使運載火箭減輕500千克,而一次衛星發射費用達幾千萬美元。高成本的因素,使得結構材料質輕,高性能顯得尤為重要。利用纖維纏繞工藝制造的環氧基固體發動機罩耐腐蝕、耐高溫、耐輻射,而且密度小、剛性好、強度高、尺寸穩定。再如導彈彈頭和衛星整流罩、宇宙飛船的防熱材料、太陽能電池陣基板都采用了環氧基及環氧酚醛基纖維增強材料來制造。出于航天航空飛行及其安全的考慮所需,作為結構材料應具有輕質高強、高可靠性和穩定性,環氧碳纖維復合材料成為不可缺少的材料。
     
    高性能環氧復合材料采用的增強材料主要是碳纖維(CF)以及CF和芳綸纖維(K-49)或高強玻璃纖維(S-GF)的混雜纖維。所用基體材料環氧樹脂約占高性能復合材料樹脂用量的90%左右。高性能復合材料成型工藝多采用單向預浸料干法鋪層,熱壓罐固化成型。高性能環氧復合材料已廣泛應用在各種飛機上。以美國為例,20世紀60年代就開始應用硼/環氧復合材料作飛機蒙皮、操作面等。由于硼纖維造價太貴,70年代轉向碳/環氧復合材料,并得到快速發展。大致可分為三個階段。第一階段應用于受力不大的構件,如各類操縱面、舵面、擾流片、副翼、口蓋、阻力板、起落架艙門、發動機罩等次結構上。第二階段應用于承力大的結構件上,如安定面、全動平尾和主受力結構機翼等。第三階段應用于復雜受力結構,如機身、中央翼盒等。一般可減重20%~30%。目前軍機上復合材料用量已達結構重量的25%左右,占到機體表面積的80%。高性能環氧復合材料在國外軍機和民機上的應用實例較多。
     
    我國于1978年首次將碳-玻/環氧復合材料用于強-5型飛機的進氣道側壁。據有關會專家介紹,20世紀80年代在多種軍機上成功地將C/EP用作垂直安定面、舵面、全動平尾和機翼受力盒段壁板等主結構件。
     
    宇航工業中除燒蝕復合材料外,高性能復合材料應用也很廣泛。如三叉戟導彈儀器艙錐體采用C/EP后減重25%~30%,省工50%左右。還用作儀器支架及三叉戟導彈上的陀螺支架、彈射筒支承環,彈射滾柱支架、慣性裝置內支架和電池支架等55個輔助結構件。由于減重,使射程增加342km。德爾塔火箭的保護罩和級間段亦由C/EP制造。美國衛星和飛行器上的天線、天線支架、太陽能電池框架和微波濾波器等均采用C/EP定型生產。國際通訊衛星V上采用C/EP制作天線支撐結構和大型空間結構。宇航器“空中旅行者”的高增益天線次反射器和蜂窩夾層結構的內外蒙皮采用了K-49/EP。航天飛機用Nomex蜂窩C/EP復合材料制成大艙門,C/EP尾艙結構壁板等。
     
    航空航天國內外發展現狀及趨勢
     
    航天高新技術對航天先進復合材料的要求越來越高,促使先進復合材料向幾個方向發展:①、高性能化,包括原材料高性能化和制品高性能化。如用于航空航天產品的碳纖維由前幾年普遍使用的T300已發展到T700、T800甚至T1000。而一般環氧樹脂也逐步被韌性更好的、耐溫更高的增韌環氧樹脂、雙馬樹脂和聚酰亞胺樹脂等取代;對復合材料制品也提出了輕質、耐磨損、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、抗氧化等要求。②、低成本化,低成本生產技術包括原材料、復合工藝和質量控制等各個方面。③、多功能化,航天先進復合材料正由單純結構型逐步實現結構與功能一體化,即向多功能化方向發展。
     
    碳纖維增強復合材料(CFRP)是目前最先進的復合材料之一。它以其輕質高強、耐高溫、抗腐蝕、熱力學性能優良等特點,廣泛用作結構材料及耐高溫抗燒蝕材料,是其它纖維增強復合材料所無法比擬的。
     
    環氧樹脂由于力學、熱學性能優異,電氣性能優良,耐化學介質性、耐候性好及工藝性優良等優點,數十年來一直是固體火箭發動機復合材料樹脂基體的主體,預計今后相當長時間內仍將如此。環氧樹脂的缺點是耐沖擊損傷能力差,耐熱性較低(<170℃),在濕熱環境下力學性能下降明顯。這些年來環氧樹脂的發展經歷了剛性環氧→柔性環氧→剛性環氧的過程。但居主導地位的一直是剛性雙酚A二縮水甘油醚型環氧樹脂。如美國“三叉戟-1”、“三叉戟-2”導彈以及“飛馬座”火箭采用的HBRF-55A配方以E-PON826為主。多年來各國都在通過加入柔性單元改進環氧樹脂的韌性,通過加入新型剛性鏈單元結構或使用芴型芳香胺固化劑來提高耐熱性,并分別取得了預期的效果。
     
    耐高溫結構復合材料用的新型熱固性樹脂一般指芳雜環高聚物,如聚酰亞胺、聚苯砜等,它們的耐熱性比改性環氧和多官能團環氧更高,其中聚酰亞胺是目前耐熱性最好、已實現工業化生產的重要品種。聚酰亞胺中的雙馬來酰亞胺(BMI)既具有聚酰亞胺耐高溫、耐濕熱、耐輻射的特點,又有類似于環氧樹脂較易加工的優點。但缺點是熔點高、溶解性差、脆性大,如HexcelF650是成熟的第二代BMI樹脂。在非常潮濕的情況下,最高連續使用溫度為204.4℃,采用HexcelF650基復合材料的導彈經噴氣式戰斗機超聲速沖刺后,能承受比預料更嚴酷的熱環境。如能應用于固體發動機殼體,對其綜合性能的提高十分有利。目前的主要問題是BMI的固化溫度(約300℃)和固化壓強(約1.5MPa)均比較高,使纏繞型組合芯模和殼體內絕熱層難以承受。
     
    氰酸酯樹脂(CE)是二十世紀八十年代開發的一類新型樹脂。主要用途有:高性能印刷電路板、高性能透波結構材料(如雷達罩)、航空航天用高韌性結構復合材料。最早應用于宇航領域的商品化氰酸酯基復合材料為美國Narmco公司的R-5254C,它是碳纖維增強的CE與其它樹脂的混合物。隨后,一些供應CE基復合材料預浸料的公司,在CE中加入玻璃化溫度高于170℃的非晶態熱塑性樹脂如聚碳酸酯(PC)、聚砜(PS)、聚醚砜(PES)等,使CE保持優良耐濕熱性能介電性能同時,沖擊后壓縮強度(CAI)值達到240~320MPa,其使用溫度與改性后的PI、BMI相當。如Ciba-geigy生產的ArocyL-10和RTX366的熔融物粘度極小,只有0.1Pa·s,特別適用于纖維速浸法制預浸料,在SRM研制中有著廣闊的應用前景。“YLA公司”使用XU71787-07試制成碳纖維增強預浸料,經質量評估認為可制作衛星天線。
     
    液晶聚合物是熱塑性樹脂中較為獨特和優異的一類,目前主要有芳族均聚酯和共聚酯。它們是一種自增強材料,高分子主鏈是由剛性或半剛性鏈段和柔性鏈段通過分子裁剪設計而成,在熔融狀態呈液晶態,在冷卻過程中這種有序性保留,使材料獲得優異的力學性能。典型牌號有美國的Vectra樹脂,Ekond樹脂等。液晶聚合物既可以單獨成型(如美國在1990年研制了所有結構部件均由液晶聚合物制作的固體火箭發動機),也可以作為復合材料的樹脂基體。通過注塑、模壓、擠壓成型、或制成帶狀、薄膜狀材料纏繞成型發動機殼體。
     
    國內外噴管用樹脂基防熱材料的發展經歷大致相同,從玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛到碳/酚醛、碳/聚芳基乙炔,從單功能到多功能、低性能到高性能,樹脂體系經歷了從酚醛樹脂、改性酚醛樹脂到高性能樹脂。目前對聚苯并咪唑、聚喹口惡啉、聚苯并唑、聚苯并噻唑、聚芳基乙炔等高性能樹脂的應用研究已成為熱點,是樹脂基防熱材料發展的方向。由于碳/酚醛復合材料具有生產周期短、制造成本低、性能適中等特點,是目前固體發動機噴管燒蝕防熱材料中廣泛使用的材料之一,主要用在如噴管擴張段一類受熱流強度較低的部件上;又因其價格低廉,甚至在美國航天飛機助推器的噴管喉襯上也使用碳/酚醛材料。國外典型的碳/酚醛材料有FM5055、MX4957A等牌號,所用酚醛樹脂多以Ba(OH)2、NH4OH等為催化劑合成。酚醛樹酯雖耐燒蝕性優良,但重現性不好,燒蝕可預示性差。
     
    酚醛樹脂典型的改性途徑有共聚改性,包括引進氰基、硼元素、芳環有機硅,以及采用二苯醚甲醛樹脂、芳烷基甲醛樹脂改性等;如氰基酚醛樹脂的熱氧化穩定性明顯提高,分解溫度達440℃,1000℃下的產炭率達68%~70%。為了使酚醛樹樹脂獲得更高性能,我國廣大科技工作者在酚醛樹脂改性方面做了大量的研究工作,相繼開發了硼酚醛、鉬酚醛、高成碳酚醛等新型酚醛樹脂。
     
    聚芳基乙炔(PAA)是一種最有可能取代酚醛樹脂作為燒蝕防熱材料基體的樹脂。它是一種僅含碳元素和氫元素的高度交聯的芳族亞苯基聚合物,由二乙炔基苯和苯乙炔聚合而成。理論成炭率高達90%;聚合時無低分子副產物逸出;樹脂吸水率極低,僅為0.1%~0.2%,遠遠低于酚醛樹脂的5%~10%。
     
    PAA最主要的優點是玻璃化溫度極高,燒蝕重現性好,高溫力學性能保持率高。美國宇航公司用T300和PAA制作的復合材料試件。室溫下層間拉伸強度為5.3MPa,400℃時降為1.4MPa;標準碳/酚醛(FM5055)制作的室溫層間拉伸強度僅為4.2MPa;260e時已下降到0.3MPa[1]。我國華東理工大學已能制備出應用于航天領域的耐燒蝕PAA樹脂,樹脂成碳率達85%。航天四院43所進行了聚芳基乙炔樹脂成碳率、復合工藝性能、力學性能等方面的探索性研究,試驗表明,碳/聚芳基乙炔復合材料成碳率、耐燒蝕性能遠遠優于迄今已應用的碳/酚醛復合材料。目前存在的主要問題是PAA的多苯環結構所引起基體性脆以及PAA與碳布浸潤性差帶來的復合材料層間力學性能不佳。
     
    碳纖維復合材料因其較高的比強度、比模量在國外先進戰略、戰術固體火箭發動機方面應用較多,新型陸基機動固體洲際導彈一、二、三級發動機殼體、新一代中程地地戰術導彈發動機殼體。如美國“侏儒”小型地對地洲際彈道導彈三級發動機燃燒室殼體由IM-7碳纖維/HBRF-55A環氧樹脂纏繞制作,殼體容器特性系數PV/W≥39KM;三叉戟(D5)第一、二級固體發動機殼體采用碳/環氧制作,其性能較凱芙拉/環氧提高30%[17~20];“愛國者”導彈及其改進型,其發動機殼體開始采用D6AC鋼,到/PAC-30導彈發動機上已經采用了T800纖維/環氧復合材料;此外,由美國陸軍負責開發的一種新型超高速導彈系統中的小型動能導彈(CKEM),其殼體采用了T1000碳纖維/環氧復合材料,使發動機的質量比達到0.82。美國的戰略導彈“侏儒”三級發動機殼體,“三叉戟”一、二、三級發動機殼體的復合材料裙,民兵系列發動機的噴管擴張段,部分固體發動機及高速戰術導彈,例如美國的THAAD、ERINT等。從二十世紀六十年代末開始,航天領域中以S玻纖和Kevlar-49纖維復合的金屬內襯輕質壓力容器逐漸取代傳統的全金屬壓力容器。美國在1975年開始了輕質復合材料氣瓶及儲箱研制,采用S-玻纖/環氧、Kevlar/環BADCy/E-51/線性酚醛樹脂氧纏繞復合材料。隨著碳纖維性能提高及成本大幅度下降,碳纖維與低成本鋁內襯制造技術相結合,使得費用低、質量輕、性能高、可靠性好的高壓容器的生產成為現實。表2是美國SCI(Structural Composites Industries)生產的兩種金屬內襯碳纖維纏繞壓力容器材料及性能比較情況。由表2看出,目前空間用復合材料基體主要采用環氧樹脂。
     
    此外,國外以復合材料取代金屬制造空間飛行器(衛星、空間站、航天飛機等)構件目前已取得一定程度的應用。表3是國外復合材料在空間飛行器上的一些應用情況[18~20]。
    由于碳纖維的密度、耐熱性、剛性等方面的優勢,增強纖維以碳纖維為主。碳纖維復合材料在空間技術上的應用,國內也有成功范例,如我國的第一顆實用通信衛星應用了碳纖維/環氧復合材料拋物面天線系統;第一顆太陽同步軌道“風云一號”氣象衛星采用了多折疊式碳纖維復合材料剛性太陽電池陣結構等。
    航2
    隨著航空航天工業的迅速發展,對材料的要求也日益苛刻,一個國家新材料的研制與應用水平,在很大程度上體現了一個國家的國防和科研水平,因此許多國家都把新材料的研制與應用放在科研工作的重要地位。
     
    為了適應航空航天領域日益苛刻的要求,通用環氧樹脂已不能滿足要求,世界各國都在致力于開發各種高性能環氧樹脂,以便于開發同高性能增強材料(如芳綸、碳纖維等)相匹配的樹脂體系。
     
    但總結起來,大都是在保證環氧樹脂優異的工藝性的前提下,實現環氧樹脂的多官能化,以改善其固化物的耐熱性和粘接性。比較常用的有4,4‘-二氨基二苯甲烷四縮水甘油胺(TGDDM),鑒于性能價格比,它可能是最實用的高性能環氧樹脂。它具有優良的耐熱性,長時高溫性能和機械強度保持率,固化收縮低,化學和輻射穩定性好,還可用于高性能結構膠粘劑,結構層壓板和耐高能輻射材料,全球許多學者從事TGDDM環氧體系的研究與開發工作,并取得了較大成績。
     
    特別值得指出的是,我國科技工作者經多年研究,開發了商品名為TDE-85的三官能團環氧樹脂,其化學名為4,5-環氧己烷-1,2-二甲酸二縮水甘油酯,其分子中含有兩個反應活性高的縮水甘油酯基和一個反應活性與前者差別很大的脂環環氧基。該樹脂是一種工藝性、耐熱性均很優異的高性能環氧樹脂,西北工業大學、哈爾濱玻璃鋼研究所等單位用TDE-85環氧樹脂為基體材料制作的復合材料,應用在某些有特殊需要的產品上已獲得令人滿意的結果。
    航3
    以碳纖維為增強劑的先進樹脂基復合材料是航空航天工業中最重要材料之一。飛行器減重仍然是今后面臨的關鍵問題。此外,對包括飛行器在內的許多國防裝備的隱身也是需要解決的另一關鍵問題。因此,對先進復合材料,不僅要求其具有高的比強度、比模量和韌性,而且要求具有隱身性能,即兼有結構及功能性能。發展先進復合材料關鍵之一是開發綜合性能優異的樹脂基體。目前研究樹脂基體主要目標是:
    a、高韌性的樹脂基體,如復合材料的沖擊后壓縮強度(CAl)>300 MPa的樹脂基體。
    b、具有高透波率的樹脂基體,其tan&約0.3× 10-2。
    c、吸收雷達波的樹脂基體。
    d、耐熱300℃以上的樹脂基體。
    e、適用于RTM等新型工藝的樹脂基體。
    其中,a、b、d和e已研制成功,但我國尚有一定差距。c仍為空白。研究和開發樹脂基體的途徑是以原有樹脂改性為主,合成新品種并重。
     
    環氧樹脂由于性能優異,數十年來一直是火箭發動機殼體用復合材料樹脂基體的主體,預計今后相當長時間內仍將如此.這些年來曾經歷過剛性環氧-柔性環氧-剛性環氧的再認識過程,但居主導地位的一直是剛性雙酚A二縮水甘油醚的環氧混合物。環氧樹脂的固有缺點是耐沖擊損傷能力差,耐熱性能也較低(小于170℃),火箭發動機在高速下飛行,外表面必須良好絕熱,以防御氣動加熱影響,這樣則加大了發動機的惰性質量。多年來各國都在努力改進環氧樹脂性能,例如提高韌性或耐熱性,以不斷提高發動機的性能。許多研究工作表明環氧樹脂改進仍有很大潛力。
     
    80年代又興起用耐熱性強韌性熱塑性樹脂來增韌環氧樹脂。這些熱塑性樹脂本身具有良好的韌性,而且模量和耐熱性較高,作為增韌劑加入到環氧樹脂中同樣能形成顆粒分散相,它們的加入使環氧樹脂的韌性得到提高,而且不影響環氧固化物的模量和耐熱性。但熱塑性樹脂的加入,往往導致體系的粘度增大,且增韌的效果在一定范圍內隨添加量增大而增大,這給這類樹脂的工程應用帶來了諸多難題,尤其是諸如火箭發動機殼體的纏繞成型工藝,但熱塑性樹脂還是一種很有前途的環氧增韌劑。
     
    近年來發展了用耐熱性高、力學性能良好的熱塑性工程塑料來增韌熱固性樹脂,如聚醚砜、聚碳酸酯、聚醚醚酮和聚酰亞胺。從而在不降低體系的玻璃化溫度、強度和硬度等優點的情況下改善高交聯體系的韌性。八十年代初首次報道用Ultem1000a聚醚酰亞胺(PEI)改性環氧樹脂的研究。李善君等合成了一系列與環氧樹脂具有良好相容性的結構新穎的可溶性聚醚酰亞胺PEI。在Epon-828和TGDDM環氧樹脂體系中取得了非常優異的增韌效果。材料斷裂能提高5倍,模量和玻璃化溫度維持不變。以少量組分的聚醚酰亞胺PEI構成網狀連續相而形成了“雙連續”和“相反轉”的相結構。因此控制體系的相結構成為制備高性能復合材料基體樹脂和粘合劑的重要手段。在此基礎上,深入開展了新穎聚醚酰亞胺對熱固性樹脂的增韌改性研究[23~27]。通過對聚合反應誘導相分離規律的研究和應用,研究固化反應和相分離速度的各種影響因素,了解相分離所遵循的動力學模型,控制分相條件,成功獲得了高強度耐熱性能優良的、能適用于航空航天工業的高性能基體樹脂。
     
    液晶聚合物(LCP)中都含有大量的剛性介晶單元和一定量的柔性間隔段,其結構特點決定了它的優異性能。它在加工過程中受到剪切力作用具有形成纖維狀結構的特性,因而能產生高度自增強作用。TLCP增韌環氧樹脂的機理主要為裂紋釘錨作用機制。少量TLCP原纖存在可以阻止裂紋發展,提高了基體的韌性,而材料的耐熱性及剛度則基本不損失。隨著研究的進展,熱致性液晶聚合物增韌環氧樹脂作為一種新的技術,必將在工程應用中發揮重要的作用。
     
    復合材料正在迅速發展成為航天航空工業的基本結構材料。高性能聚合物基復合材料在航空航天工業的用量占其全部用量的80%。由于碳纖維具有高比強度、比模量、低熱膨脹系數和高導熱性等獨特性能,因而由其增強的復合材料用作航空航天結構材料,減重效果十分顯著,顯示出無可比擬的巨大應用潛力。
     
    碳纖維增強樹脂基復合材料用做航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等。在火箭和導彈上使用碳復合材料減重效果十分顯著。因此,采用碳纖維復合材料將大大減輕火箭和導彈的惰性重量,既減輕發射重量又可節省發射費用或攜帶更重的彈頭或增加有效射程和落點精度。人造衛星展開式太陽能電池板多采用碳復合材料制作。隨著碳纖維和基體樹脂性能的不斷提高,碳纖維增強樹脂基復合材料的耐濕熱性和斷裂延伸率得到顯著改善和提高。在飛機上的應用已由次承力結構材料發展到主承力結構材料,拓寬了在飛機工業中的應用。
     
    新型隱身材料對于飛機和導彈屏蔽或衰減雷達波或紅外特征,提高自身生存和突防能力,具有至關重要的作用。在雷達波隱身材料方面,除涂層外,復合材料作為結構隱身材料正日益引起人們的關注,主要為碳纖維增強熱固性樹脂基復合材料(如C/EP、C/PI或C/BMI)和熱塑性樹脂基復合材料(如C/PEEK,C/PPS),目前已經得到某些應用。
     
    國內大飛機復合材料現狀、問題與方向
    當然與軍機相比,民機還可以采用國際采購的方式來彌補技術上的差距,如飛機發動機、部分機載設備、零部件和材料都可以采用這種方式。但是民機制造中仍有許多東西是用錢買不來的,如飛機的總體設計能力,尤其是集成能力得靠經驗上的累積。又如電傳操作,這是核心技術,空客在這個方面已比較成熟,波音777也采用了電傳操作技術,其中有些還是光傳技術,這種技術人家是不會賣給我們的,只有靠自己研發。
     
    據了解,現在國產化的T300飛機復合材料正在研制之中,可望不久能投入批量生產,以替代目前進口的T300。在復合材料的制造工藝上,國內的一些主要飛機廠也正在加快更新設備。如西飛,其應用飛機復合材料的主要設備熱壓罐原來的最大直徑為3.5米,現在準備上直徑六米的熱壓罐。國內航空產品制造業中少數能夠依托自主研發, 引進、消化國際先進技術,實現產品國際取證和銷售的生產企業。
     
    哈飛股份與空中客車公司共同在組建合資制造中心, 生產A350XWB寬體飛機項目的復合材料零部件, 正式切入全球飛機制造產業鏈中.并向空中客車公司成功交付第一架份復合材料機體結構件, 此舉不但標志著哈飛股份已成為空中客車公司合格供應商之一,重要的是,在中國自主研發制造的大飛機中,哈飛股份的復合材料必將得到更大規模的運用,公司的復合材料制造面臨飛躍,從而使公司的發展空間更加廣闊。
     
    航空制造業戰略機遇空前。飛機制造業是巨大的系統工程,是基礎科學和制造業企業通力合作的結果,哈飛股份擁有除軍機的軍械加裝和試飛以外的較完整的業務鏈.幾十年生產軍、民用直升機,輕型及支線固定翼飛機研制,參與國際航空的轉包產品生產都為公司參與到大飛機項目中做好了一定的技術儲備。除生產和銷售直9系列, HC120,EC120機身,運12等產品外,另外3個長期投資單位涉及的方向則是民用支線飛機以及中型民航客機的研制生產, 其中安博威公司主要生產銷售50座級渦扇ERJ145支線飛機, 該機型采用當代先進的渦輪風扇發動機和集成化航空電子設備, 其安全性,舒適性和各項性能指標不亞于大型干線飛機,目前該系列飛機全球銷售量已超過700架, 2006年所簽大單生產任務排到2010年。公司在原有的制造直升機和中型飛機(ERJ145支線飛機)所取得的技術儲備和經驗是使公司在參與到大飛機項目時更具優勢。
     
    技術問題一直是我國發展大型客機的最基本問題。近年來雖然有些關鍵技術獲得了突破,但是大型客機的整機研制能力與世界先進水平相比仍是全方位的差距,尤其是波音、空客新的機型大規模采用復合材料后,大型客機的研制能力又一次與世界先進水平拉開了距離。民機技術儲備極少。由于歷史的原因,我國民機在技術上投入非常少,民機的技術儲備更少。原上航集團黨委書記潘繼武說,尤其是我國的民機在實踐上停滯了很多年后,飛機設計的參數、定值積累極少,民機設計能力相對較弱,在技術上突破需要花費很多力量。
     
    西安飛機工業(集團)有限責任公司(簡稱西飛)、第一飛機設計研究院、中國飛行試驗設計研究院三家曾共同完成了一份資料,對本世紀初我國飛機的研制能力做出了一個詳細的評估。這份資料稱,我國飛機設計水平與國際水平相比差距約20年。在超音速巡航技術、噴管矢量技術、高推重比技術及無人駕駛控制技術等方面都有一定差距,綜合設計能力也低,設計實踐經驗欠缺,設計規范落后。在飛機制造技術方面,與世界飛機制造加工基地相差10至20年,如數控效率只有波音的1/8。
     
    更讓人焦慮的是,隨著近年來復合材料在飛機上的大量應用,我國民機研制的能力有進一步與世界先進水平拉開的危險。
     
    飛機上的復合材料主要是指碳纖維的復合材料。以前國際上的大型客機采用的材料都是以先進鋁合金為主,飛機的設計、制造都建立在這種材料基礎上。以波音777為例,其機體結構中,鋁合金占到70%、鋼11%、鈦7%,復合材料僅占到11%,而且復合材料主要用于飛機輔件。但到波音787時,復合材料的使用出現了質的飛躍,不僅數量激增,而且開始用于飛機的主要受力件,現在波音787的復合材料用量已占到結構重量的50%。
     
    飛機結構件大規模使用復合材料,是現代飛機制造史上的一次革命性變化。它使飛機重量更輕、強度更高、耐疲勞耐腐蝕性更好,而且復合材料中的高強度碳纖維進行大規模工業化生產后,可以使飛機的制造成本更低。同時在計算機技術、激光、C掃描等先進科技的支持下,復合材料制造飛機結構件的質量能夠更加可靠地保證飛機的安全性。根據波音和空客公開的研究資料表明,到2020年它們的飛機將全部采用復合材料。
     
    而我國目前僅掌握金屬飛機的研制能力,復合材料只能少量地用在飛機輔件上,在主結構上的應用還需要進一步預研。這就好比是空客、波音已經能用鋼筋水泥造房子,而我國僅掌握全套的用“秦磚漢瓦”造房子的辦法,現在才開始學著使用鋼筋水泥。更要命的是,用于飛機的復合材料我國現在還需要進口,尤其是像T800這樣廣泛應用的飛機復合材料我國還不會生產。
     
    我國進行大型客機的研制,面臨的技術困難是巨大的。在日趨激烈的航空市場上,沒有技術領先、具有競爭力的飛機,即使生產出來了,也無法占據市場。在波音和空客用復合材料飛機替代金屬飛機的大背景下,我國要研制大型客機,只有迎頭趕上,生產出與之抗衡的飛機才行,這需要廣大技術人員付出更多的努力。
     
    目前國內的飛機專家都已認識到了這個問題,一批專家已提前進行飛機的預研。據中國航空工業第一集團公司科技委副主任馮培德透露,現在已有上億元的經費投入到預研中,其中就包括材料。
     
    “冰凍三尺,非一日之寒”,我國民機技術全方位地落后于歐美國家,是由于多方面的因素造成的,其中主要有三個:一是由于我國民機的型號研制頻度太低,無法有效積累大量數據;二是由于民機生產至今還沒有相關的研究所,民機直到現在還沒有轉向研究開發型;三是我國科技轉化生產力水平較低,與歐美航空工業相比,我國航空企業還沒有成為真正的科技轉化生產力的主體,科技轉化生產力體制機制的最佳模式還沒形成。
     
    我國現在開始抓飛機復合材料的預研,當然有利于縮小與世界先進水平的差距。但是從長遠來看,要從根本上解決我國民機技術上的差距,還得從解決我國民機技術長期落后的三個原因做起,即要加大民機研制的頻度、成立專門的民機研究所、建立科技轉化生產力體制機制的航空工業最佳模式。高性能樹脂基體及其改性是我們樹脂行業的責任和義務。努力做好這方面的研發和產業化才能使我們從一個生產消費大國變成真正的生產消費強國。
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