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C919复合材料用量才12% 我们与世界差在哪儿?

来源:peek板材供应商-恒鑫实业    作者:PEEK板材加工
C919复合材料用量才12% 我们与世界差在哪儿?,peek板材供应商恒鑫实业

11月2日,翘首企盼的大飞机C919终于下线了。或许可以说,今后的民航大飞机即将成为“ABC”格局,想想就很激动呢。此外,对于我等材料人来说,C919还有很多新材料应用亮点,比如第三代铝锂合金、复合材料在基体结构用量达到了8.8%和12%。

不过,在一片叫好声中,也掺杂了一些“杂音”,很多人还是对C919的技术产生了质疑。除了“攒机”之外,复合材料的用量比之A(airbus)、B(boeing)的明星机型要少一大截,似乎差距太大。

这些年以来,复合材料在民航飞机的用量窜得很快。C919的复合材料用量算是非常保守了,A(airbus)、B(boeing)都出产了复合材料用量超过50%的民航飞机。比如Airbus的A350xwb,复合材料用量达到53%,整架飞机几乎被复合材料给占领,有国外媒体形容这种飞机是“飞翔的复合材料“,此举也被视为开启了碳纤复合材在飞机上应用的新篇章。

以高性能增强纤维,特别是以碳纤维为增强相的先进复合材料,在世界上了得到了人所共知的快速发展,我国两院院士师昌绪先生生前曾说:“复合材料几乎是一个无所不为的材料。”国际著名复合材料组织JEC主席Mutel也讲:“Compositescanbefoundinalmostproductimaginable”。

我国的复合材料事业起步并不晚。自上世纪六十年代初长春应化所李仍元先生研发碳纤维始,六十年代末进入复合材料领域,40多年来我们也取得了一定的成绩与进展,但与世界的先进水平比,我们的应用与发展还存在许多问题和差距,短板和瓶颈。静观国内的事实,我们必须得老实承认在这一重要的技术领域,我们不是赶上或超过世界的先进水平而是落后了。我们应用的规模与水平,设计的方法与观念,材料的基础与配套,制造的工艺与设备均严重落后。落后是全方位的,差距是越来越大了。该领域的先驱,北京中科院化学所原副所长吴仁杰先生曾说,我们就像一个醒来的人,打哈欠,伸懒腰,总也起不来床。这种“起不来床”的感觉,至今犹存。

那么在复合材料领域,我们究竟存在什么问题呢?

1、思想认识和理念的问题

先进复合材料对国防建设和国民经济发展有极为重要的作用,国内对此长期认识不足。现世界上军民机均已用到50%以上的水平(指复合材料占结构重量的百分比),直升机、无人机、通用飞机多已达到80-90%的水平。而我们的军机正式应用在10%以下,民用机ARJ21用量2%以下,C919达到12%左右,但并大规模量产,与世界水平比,差距相当之大。

懂复合材料的结构总师并非飞机研制的总师,他们在自己的岗位上艰难推进应用,但困难重重。我们的未见世界上业已存在的飞机结构复合材料化的大趋势及其对航空工业的影响,对此,航空工业正面临着极其严重的挑战。

相比之下,国外不是这样。美国的航空航天工业协会(AIA)早于上世纪80年代即已拟出一“复合材料发展纲要”,并向美国政府发出警告,指出复合材料是美国90年代的关键技术,必须组织美国的全国力量大力推进复合材料的发展,在竞争的威胁下保持这一领域的优势地位。于是下面完成了一份详尽的先进复合材料“国家技术开发计划”。再看下面的波音飞机公司,一直把复合材料作为重点抓住不放,从B-737平尾入手一直到B-777尾翼的研制鉴定,到B-787的50%复合材料的应用。再如原麦道公司自1976年研制F-18,正式上了机翼,于1982年正式首飞,此后世界上三代机全部是复合材料机翼了(我国的J-10除外)。而我们1995年完成J8-II复合材料机翼预研上天后,直到近20年后才有J-20、J-31机翼正式上天,落后了30多年。

我们国内认识上时间滞后,高度上不到位,特别是有技术决策权的高层技术领导,这导致了我们今天应用发展的严重落后。所以我们必须提高思想认识,站在经济全球化的高度,以开放的思想,前瞻的目光和创新的思维,充分认识大力发展先进复合材料技术的重要意义和其光明的前景。

2、缺乏政府部门的有力组织和支持

复合材料技术,包括碳纤维、芳纶等增强纤维技术,学科交叉,协作面广,需要相关政府部门有力的组织、支持和投入。而在这方面我们和国外相比存在较大的不足和差距。

长期以来欧美等国制订并投资了一系列发展计划,旨在推动复合材料的应用发展。例如美国1976年由NASA牵头制定了著名的ACEE(AircraftEnergyEfficincy)计划,接着又有著名的ACT(AdvancedCompositeTechnology)计划出现,欧洲近期又有NGCW(NextGenerationCompositeWing)计划,投资1.03亿欧元,多国共16个工业组织参加,旨在推进大型客机上复合材料机翼的应用。

另一个重要的方面是由政府出面统一组织制订相关法规,使复合材料的设计和鉴定文件化、规范化,编制全行业的技术标准,形成设计和鉴定的统一指南,推动复合材料的应用发展。我国的台湾当局一直把复合材料作为支柱产业予以支持发展,当局作了大量组织和领导工作。如近期发展汽车领域的复合材料应用,即由其经济部牵头组织“官产学研”多次召集专题研讨会,并于2012年正式组建“台湾碳纤维电动车开发联盟”,旨在推动先进复合材料在汽车结构上的应用发展。

我国也有一些政府部门的组织和支持,如航空部存在时,曾组织过第一本《复合材料设计手册》的编写,J-8Ⅱ复合材料机翼的研制等,但都在部属范围内进行,规模有限,近期组织T800级碳纤维的有组织评定等,范围扩大到了航空航天。2013年10月工业和信息化部又印发了《加快推进碳纤维行业发展行动计划》,旨在加快碳纤维及其复合材料产业发展。

由上面的简述可见,复合材料的应用发展离不开政府部门的有力组织和大力支持。很多计划和规范的制订等都是多部门甚至多国联合制订并执行,不是哪一个或哪几个科研和工业部门就能胜任的。我们看到西方发达国家复合材料的蓬勃发展,也要看到他们的组织工作和巨大的资金投入。相比之下,我们的差距是显而易见的。

3、基础预研不到位,投资研制不足

国内与国外相比在复合材料技术领域缺乏战略上、整体上的规划与研究,投资亦显严重不足。致使我们基础研究薄弱,预研不踏实,导致技术上落后,许多基础理论和工程实际问题未获解决和很好解决。以飞机设计而言国外普遍有20-30%的减重效果,而我们普遍达不到20%。实践中诸问题的存在使复合材料的应用置信度不够,效果不足,使人觉得效益不大,花钱不少又麻烦不小,故普遍存在“不敢用、不好用、不爱用”的现象,实质是“不会用”,极大地限制应用的发展,说明预研远没给应用提供必要的技术基础。

在为数不多的国家立项预研课题中,缺乏相对统一的组织领导、合作与协调,存在多方领导、多头投入且又投入严重不足,研究力量不足、项目低水平重复。鉴定验收一般都说填补空白,水平国内或国际领先,但工程上一用问题百出,缺乏求真务实的科学态度与作风。如我们国内进入碳纤维的厂商已多达30多家,但许多关键技术问题并未突破,各家鲜有真诚的合作和有效的交流。吉林市声称要建设中国的“硅谷”,可谁又能将其多家原丝、碳丝真正统筹起来,形成拳头,联合攻关呢?致使我国的碳纤维多年仍未走出“质次价高”的怪圈,国内外均缺乏竞争力。

4、设计环节薄弱,问题突出

与金属材料相比,复合材料应用分外讲设计、材料与工艺三者密切结合。但三者中设计是龙头,这个龙头舞不起来,扩大复合材料应用就是一句空话。道理很简单,设计之前本无复合材料,只有纤维和基体,复合材料是设计出来的。国内三者中,设计这一环节最显薄弱,已严重制约了我国先进复合材料应用的发展。以航空航天为核心的国防军工部门尚且如此,其它民用部门情况尤甚。时至今日我们应该明白:设计上不去,应用起不来!

复合材料设计,包括计算分析,是一个专门的技术。国际上认为培养一个成熟的复合材料设计师至少需要10年。国内严重缺乏有经验的复合材料设计人员,已普遍影响到复合材料的应用发展。如复合材料设计中最有特色的乃是铺层设计,但国内很少有人真正掌握铺层设计的原则和方法,弄不清材料许用值和结构设计值的来源和用法。很少有人具体掌握复合材料连接设计、疲劳耐久性设计、损伤容限设计、稳定性设计、环境影响及其防护设计、修理设计等许多具体设计技术和要领。

设计还有一个重要的问题,即规范和手册等软件建设的问题。国外十分重视有组织地制订相应规范,提出“开发编制全行业标准,改进最终产品一致性”的口号,减少风险,降低成本,促进应用。以各大飞机公司而言无一例外地均有自己的《复合材料设计手册》,而我们基本没有。至于专门用于复合材料设计分析软件的开发,国内也远远落后于国际的水平,如FiberSIM,HyperSizer等软件的开发和应用等。

5、制造技术发展滞后,设备需改造更新

制造是现代复合材料技术中占有至关重要的地位,一切产品都要通过制造方能变为现实。制造技术包括制造方法、成型工艺、模具技术、无损检测以及制造设备等诸方面的问题。与国外相比我们于该方面差距更大。

近年来国外以自动铺带(ATL)和自动铺丝(AFP)为核心的复合材料自动化制造技术正在世界上蓬勃发展并首先用在航空航天工业中,并逐步向民用领域推广。自动铺带机由波音牵头,于1983年投入使用已30多年,自动铺丝机于1990年投入使用已20多年,世界上称这是20世纪最后10年复合材料技术发展史上一个里程碑式的事件。

我们却只有萌芽式的研发和近期的采购应用,落后30多年!自动铺带机国内各飞机公司已引进多台,但自动铺丝机由于国际上对华封锁尚且一台也没有,引进的自动铺带机国内各单位应用亦不充分。设备最好的空客和哈尔滨飞机公司合建的合资企业“哈飞空客复合材料制造中心”也只允许制造A350WB舵面结构,且A350于2014年12月才交付第一架飞机。波音787给中国的最大制件也是方向舵(无设计权),我们连个尾翼都不能做,可见国外对中国限制封锁之严。舵面是国外上世纪80年代中期研发过关的,我们又落后了30多年!

将来的飞机以复合材料为主而不是金属为主已是不争的事实。原有生产金属飞机的设备正在淘汰和弃用,这一切空前地改变了航空制造业的传统,航空产业链面临重大重组进程,能否适应这一重大变革必将决定航空制造业的成败兴衰。对此西方的航空工业正在向大规模生产复合材料制件前进,为此设备和生产手段的更新是不可避免的,投资是巨大的,如欧洲的空客投资3.6亿欧元在德国建成生产A350机身的新厂,英国投4亿英镑在威尔士建设生产A350机翼的新厂。英国甚至要投30亿英镑用于航空航天复合材料项目的建设,投资之巨令人瞠目,我们难以望其项背,航空复合材料有限公司正在组建,整合原621所和625所的技术力量组建新的公司参与竞争,但进度太慢、资金短缺,影响其发挥作用。

6、成本高制约应用发展

先进复合材料成本毕竟较高,是制约其扩大应用发展的主要障碍之一。

有鉴于此,西方发达国家近年来纷纷制订低成本的复合材料发展计划,发展低成本的复合材料综合技术。如美国由国防部出面联合工业界于1996年发起并执行一个10年的低成本复合材料计划,即著名的CAI(CompositeAfforabilityInitiative)计划,近年来总结认为取得了巨大成果,并已用在F-35和B787等机型的工程应用中,声称要给出一个设计/制造示范性的转变,要降低总成本的50%。

低成本技术应包括低成本的设计技术、低成本的材料技术、低成本的制造技术。其中核心是低成本的制造技术,因其占了成本的大部份额。以航空航天而言其占约80%的份额,民用则可占60%左右的份额。所以核心是要大力发展低成本的制造技术。这一点对民用领域尤其重要。

相比之下我们国内至今没有系统的低成本计划的制定和执行,缺乏系统、深入、具体的研究和实践,远落后于国外的情况,致使航空复合材料产品价格居高不下。国外构件一般600-1500美元/公斤,约为4000-10000元人民币/公斤。而我们一般1-1.5万元/公斤,甚至2万元/公斤,军机研制军方不接受,民机研制亦觉成本太高,一再希望少用。我们军用T300级碳纤维3500-4000元/公斤。成本问题极大地制约甚至扼杀了应用的发展,在民用领域问题将会更突出。成本降不下来,应用上得去吗?

7、缺乏原始技术创新,创新能力不足

创新是一个民族技术发展的灵魂,事关国民经济发展的命脉,当前国家十分重视和强调,李克强总理还在号召“大众创业,万众创新”,但在复合材料技术领域却表现出重视不够,创新能力不足,与外界相比缺乏原始技术创新。

国内先进复合材料占有60%左右市场份额的是体育休闲用品,世界上60%以上的复合材料体育休闲用品均出自中国大陆。但产品多系台湾转移而来,我们并无自主知识产权,代工的性质效益自然不高。以复合材料自行车而言,目前世界上可有30万辆/年的产量,从车架、车把、车叉、座管到曲柄最后到车圈台湾用27年完成复合材料化的进程,技术含量很高。车及其配件虽然多产自大陆,但我们从未独立完成过一辆复合材料自行车的完整研发。风电至2011年我国已累计装机62364MW,超过美国居世界第一,但复合材料风机叶片却多由国外制作,我们少有自主知识产权。

目前我国进入碳纤维研发和生产的企业已多达30多家,已建成产能达万吨以上,但2014年的产量仅在3000吨左右,还存在着“有产能无产量,有产量无质量”的情况,产量以后可能还会增加,但若创新的下游产品开发不出来,这些纤维的市场在哪,企业的出路何在?历史的经验早已指明,当纤维供应充足时靠卖纤维是不赚钱的,必须大力开发下游产品。目前国内的产品低端的较多,上档次的较少,技术含量较低,附加值不高。我们要发挥中国人的聪明才智,进行有创造性革新的研发,除占领国内市场外,也要有勇气参加世界市场的竞争。

诚然创新并非易事,在整个复合材料技术领域我们并非完全没有创新,只是创新意识还不强,创新能力还不足,创新产品还不多。在当今世界范围内,先进复合材料的新材料、新工艺、新理论、新方法层出不穷,如果我们跟踪模仿尚不到位何谈创新?

8、使用保障能力不足,研发不够

使用保障(supportability)是一个结构系统在其寿命期内在规定的环境条件下不受限制地使用所需要的与可能的后勤保障的综合量度。这一概念用于先进复合材料系因军民机上不断扩大应用而由北大西洋公约组织于上世纪80年代中期提出。一旦复合材料应用发展扩大到一定程度,则必然会遇到这个问题。

当军民用复合材料大量投入使用后,修理问题必然会提到议事日程,修理问题不解决,应用发展必将会受到严重影响,这是不言而喻的。

复合材料结构在制造和使用过程中必然会有各种缺陷和损伤,诸如分层、裂纹、冲击损伤、表面划伤、雷击损伤以及战伤等等。这些都需要修理。国外自上世纪80年代初即已进行了系统研究,现问题已基本获解决,但还在发展研究中。

国内虽然也于上世纪90年代开始研究,但还不够完善系统,如修理验证试验只做到静载,疲劳试验则不充分;只进行过小规模的零件修理,未进行过大规模的部件修理和验证,人员培训不到位亦缺乏相应的规范等,故还不能说已解决问题,尚需发展研究。

我们军民用飞机、风机叶片、舰船以及工业用品已部分投入使用,修理问题已经提出,若汽车工业大量使用复合材料,问题更会突显。所以急需加大先进复合材料可检性、可维护性和可修理性的研发力度,提供强有力的后勤使用保障能力,扫清先进复合材料使用中的障碍,才能促进复合材料的应用发展。

9、没有启动回收再利用问题的研究解决

使用到期的复合材料制品和生产加工中产生的边角余料的回收再利用是一个重要的技术问题,事涉产业的可持续发展,是一个战略问题。有鉴于此,该问题已引起世界的普遍关注,并大力开始研究解决。

西方发达国家如英国、美国和日本等已纷纷组建专门的机构研究解决这一问题,并已建起了多个专门的企业从事此项具体工作。如欧洲已组建复合材料回收服务公司(UCRU),解决欧洲复合材料回收和可持续发展问题。英国的回收碳纤维公司(RCF)有2000吨/年的处理能力,已和英国GKN航空公司签订合同回收其废品,近期100吨/年,后会有30%的年增长率。

过去回收再利用传统的办法是粉碎、焚烧和掩埋,既不科学又不经济,现在欧洲有些国家如德国等已禁用这些方法。新研究的办法可有高温裂解、溶剂萃取等,旨在将纤维和树脂分开,回收再利用。回收的产品多以短纤维碎料等形式应用,市场有较大需求。

飞机制件一般寿命25-28年,风机叶片20-25年,汽车制件寿命更短,一般10-15年,且西方国家已规定到2015年汽车上报废的零件95%以上要可以回收再利用。问题尖锐的摆在了我们面前,回收再利用这一战略问题不解决,势必会影响我国复合材料产事业的发展。

10、人才短缺,不能满足应用发展的需求

随国内复合材料产事业的发展,对相关专业人才提出了强烈的需求。目前的情况是缺乏掌握现代设计技术和工程制造技术的人才,即人才现状不能满足应用发展的需求。

人才的问题与高校的培养机制有关。多数重点高校设有材料学院,培养了一些材料方面的人才,但鲜有复合材料设计与制造专业。如哈工大、北航、西工大和南航等与航空航天有关的高校普遍没有复合材料设计专业,只有上海的同济大学觉悟较早,几年前其正式开设了复合材料设计专业,但其毕业生很难分到民品部门。

国外的情况则与我们有别。许多美国、英国、澳大利亚以至台湾的相关重点高校,他们普遍设有复合材料课程,并强调“handson”动手能力,参加项目亲手做制件。因应复合材料发展的需要他们早就注意了专业人才的培养。

除相关高校正式开课外,利用社会力量进行在职人员的培养也非常必要。回想上世纪80年代中期我在美国波音公司工作时,他们既已开始了相关的专业培训。波音有强大的“培训中心”,春秋两季招生业余培训,列在招生简章第一位的就是复合材料技术培训,报名晚了都参加不上。

所以国内应大力加强复合材料技术的在职培训,特别是民用部门人员的培训,以促进复合材料的应用发展。其实国内西工大、哈飞、北京SAMPE支部等单位已开展并坚持了这种培训,作了很好的工作,但深度、广度还不够,生员多来自航空航天部门,应注意扩大民用产业部门技术人员的培训。

以人为本,事在人为。适应复合材料的应用发展,我们必须加大人才的培养力度,培训力度,并采取相应措施,切实践行。

延伸阅读:中航工业曲线救国:大飞机的未来在复合材料?

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责任编辑:Kris

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