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討論·民機為何不用國產復合材料?
時間:2019年08月07日 來源:本站原創  作者:佚名 瀏覽次數:

 

      只有通過適航認證的復合材料,才能用在民機上。這里復合材料是指,樹脂基碳纖維復合材料,它能夠替代金屬制造受力結構件。目前我國在航天、軍機、軍事裝備、汽車、風電葉片等都使用了各自研發的復合材料。這種各自研發,供自己部門使用是早期的生產組織模式。她的特點是,針對自己的需求研發基材樹脂,再外購、選配碳纖維。
隨著技術進步、認識的深入,民機上所使用的材料要求是工業化的產品,要確保材料的性能穩定、一致、并可追蹤。根據這個要求,在國際上應運而生,出現了一些原來僅僅生產碳纖維的企業,結合市場的需求研發、生產與自己的碳纖維配套的基材樹脂。這就是現在的少數復合材料公司。  
復合材料公司她們向民機提供的碳纖維(和紡織物)、基材樹脂、預浸料,都是經過適航認證的產品。時至今日,我國有較多的制造碳纖維的企業,而沒有一家復合材料公司。沒有復合材料公司,也就拿不出能夠用于民機的復合材料。ARJ21、C919不得不購買國外的復合材料。現CR929也在用國外的復合材料。

為什么會出現這種與國家地位不協調的狀況呢?
      這些年,國內的目光緊盯著碳纖維的研發和生產。直到現在國家有關部委所編發的發展新材料的文件中只有碳纖維,而少有基材樹脂。在國家這樣的指導方針下,造成了只有蓬勃發展的碳纖維生產企業,而不能生產出工業化的樹脂基碳纖維復合材料的尷尬困局。
      早在2005年底,我就向國家發改委建議:在已有碳纖維企業的基礎上,組建復合材料公司(或者叫工程材料公司)。其后這些年一直堅持寫建議。在這個過程中,抓住一切能夠向上反映問題的渠道,如國務院網站上開辟的“建言獻策”、“我向總理說句話”等窗口,提出我的建議。去年(2018)結合國際民機市場動態,基本是每月給國家發改委、國家國資委、工信部、商飛寫信。每封信都要提到組建復合材料公司。
這十多年中,有幾次有關單位打電話來寒暄幾句。2013年11月,工信部當時的蘇波副部長,批示化工處召開了一個小會討論我的建議。參會人員一致認為應該組建復合材料公司。剛開了個頭,因人事變化就擱置起來了。去年年底今年年初,收到工信部回信。信中表示要搞國產復合材料。1月16日,商飛成立了“民用飛機材料產業發展聯盟”。
至今,組建復合材料公司的組織工作,還沒有看到動靜。

認知不到位,導致制定政策有誤。
       樹脂基碳纖維復合材料,開始主要用于軍品和高檔體育、娛樂器材。特別是用于軍品的材料和技術,西方對我國嚴格封鎖。長期以來,人們對復合材料制品有種神秘感。一提起她來總是說,碳纖維的或者碳素的,很少能夠提到她其中還有樹脂。
      為了打破西方的封鎖,20世紀90年代末,材料界的院士向國家建議研發、制造碳纖維復合材料。院士那時就指出:“碳纖維及其復合材料是永恒的不可替代的材料”、“碳纖維是戰略性材料”。經過十多年的努力,我國已經有幾十家企業制造碳纖維。后來的院士目光仍然盯著碳纖維。他們使用最多的詞匯是“碳纖維”。有時也用“碳纖維及其復合材料”。但很少提基材樹脂,更不會提到基材樹脂如何發展。好像有了碳纖維,自然就會有復合材料。院士對對國內能力不了解,說:“我國復合材料在航空領域的應用已有一定基礎,擁有原材料的優勢。在樹脂基復合材料的兩大原材料樹脂和纖維中,樹脂方面我國與國外差距不大”。就在去年11月,院士還提議把我國建成“碳纖維強國”。
       只重視碳纖維、不提基材樹脂工業化的頂級專家觀點,再加上商飛在研發C919和CR929,購買了國外材料,無暇顧及國產材料的建設。致使國家歷次發展規劃中,沒有組建復合材料公司的項目。我提出組建復合材料公司的建議,一直被擱置起來了。這一擱置就是十多年!

為何一定要組建復合材料公司?

      制造碳纖維最后兩道工序是,表面處理和上漿。漿料是多種化學物質的混合物,通常(但不一定)在水中稀釋,纖維生產商用它來涂(“sizing”)他們的纖維。在許多情況下,漿料可以被看作是纖維穿在身上的“外套”,將一個生產商提供的纖維與另一個生產商提供的纖維區分開來。所有生產商都開發自己的漿料技術,并將其應用于纖維,以滿足最適合目標應用的需要。樹脂基碳纖維復合材料斷裂韌性受以下機理控制:
Ø  碳纖維與樹脂基體之間脫粘;
Ø  纖維拉拔;
Ø  碳纖維片材之間分層。
碳纖維與基材樹脂的結合,實際上是碳纖維表面的漿料(上漿劑)與基材樹脂的結合。因此,漿料的選擇、漿料的用量至關重要。它在一定程度上影響復合材料的性能。
基于上述認識,將分屬紡織和化工行業的碳纖維和基材樹脂,結合在一塊,相輔相成,取長補短,研發、制造。因此,復合材料公司就是順理成章的選擇。復合材料公司生產的碳纖維和與它配套的基材樹脂都是工業化的產品。工業化的產品就可以申請適航認證。

組建復合材料公司難在哪里?
      目前國內已有的碳纖維企業還處于發展階段,沒有能力增加基材樹脂的研發、生產工作。提供基材樹脂的技術,又掌握在航空、航天以及科研、院所和大型企業手中。這些提供基材樹脂的單位不可能建工業化的碳纖維生產線。這兩方面如何結合不是輕而易舉的事情。
     新建的復合材料公司,首要的任務應該是研發、制造民機所用的樹脂基碳纖維復合材料。在此同時,針對汽車、風電葉片等復合材料用量較大的產品,研發復合材料。
      民機材料需要通過適航認證。認證工作不僅僅是審查材料本身的制造工藝和產品質量。關鍵是要結合相應的飛機結構,做試驗件,有的還是1:1的試驗件,進行驗證。這項工作沒有商飛的配合,很難進行。整個適航認證工作時間長,要投入巨大的人力、物力和財力。單靠新公司,一般承受不起。研發能通過適航認證的基材樹脂,是“長、彎、慢”項目。
      新材料通過適航認證后,商飛的民機用量有限。復合材料公司在相當長的時間里不能盈利。
基材樹脂是一種特殊的化工產品。不同用途、不同的結構件、不同的制造工藝,就得用不同的基材樹脂。一架復合材料用量50%左右的民機,至少得用3-4種基材樹脂。另外,在研發基材樹脂的同時,還得研發相應的輔助材料。
       基材樹脂和漿料是高分子化學行業中,極度專業的產品。國內從事這方面人才不多。如何在短時間內,聚集一定數量的研發人員,企業有難度。

如何組建復合材料公司?

    
目前國際上幾家復合材料公司,都是在原有的碳纖維生產企業和化學公司,經多次收購、兼并的結果。最近的案例是,2015年7月比利時老牌化學公司蘇威(Solavy),重金收購了供應民機復合材料的氰特(Cytec)公司。2013年9月東麗復合材料公司收購了,全球第三大碳纖維制造公司 – 卓爾泰克(Zoltek)。鑒于國內的企業模式,不可能采用上述用資金收購、兼并,重建復合材料公司。我的建議:

1.正確認識,碳纖維和碳纖維復合材料有關系,但在材料工業領域確是兩個分支。制造結構件使用最多的是碳纖維復合材料,而不是碳纖維。

2.國家制定的發展規劃中,要有碳纖維復合材料項目。目前突出樹脂基碳纖維復合材料。

3.大力普及正確的碳纖維復合材料知識。讓更多的人們認識到碳纖維和碳纖維復合材料,在國防、國民經濟中的重要作用。

4.在現有的碳纖維制造企業中遴選2-3家企業,增加基材樹脂和漿料(上漿劑)的研發、生產工作,組成復合材料公司。

5.國家設立專項資金,用于建設2-3家新建復合材料公司。并支持新公司最初一段時間的生產經營活動。

6.國家給以專業人員聚集的優惠政策。

7.新公司的民機復合材料項目,納入中國商飛“民用飛機材料產業發展聯盟”。由商飛牽頭制定國產民機復合材料研發規劃。

結束語:

碳纖維不等于碳纖維復合材料。沒有工業化的碳纖維復合材料,難成為制造強國。世上的事,不怕慢就怕站。
楊超凡  2019.8

作者簡介:楊超凡,飛機制造高級專家,近年專攻民機復合材料。原航空工業部首批研究員級高級工程師,享受國務院特殊津貼。

注:本文由楊超凡研究員創作,如需轉載請注明作者及出處。

文章鏈接:

楊超凡·研究員獨家解讀民機及民機用碳纖維復合材料


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