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我国碳纤维复合材料技术领域的问题与差距

2018-08-08 10:23 来源:未知

我国碳纤维复合材料技术领域的问题与差距

       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,近年来在世界上了得到了人所共知的快速发展。先进复合材料是典型的军民两用材料,先进复合材料技术是典型的军民两用技术。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:“Composites can be found in almost product imaginable”。
 
  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,以本人而言即于1970年作为飞机设计人员既已进入该领域,投入研发。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。
 
  本文的重点就在于找出落后的方面及其原因,引起国内相关领导及同仁的关注,并有针对性的采取措施,以期赶上并超过世界上先进复合材料技术发展的雄伟步伐。论及应用发展落后的方面及其原因应是多方面的,但依据本人参与国内先进复合材料军民用发展研究40多年来的切身经验和体会,主要有以下几条,今不揣冒昧,仓促成文,期与国内业界领导及同仁共同探讨并虚心就教。
 
  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。以飞机设计而言,减重是其永恒的主题,复合材料能够带来20-30%的减重,这是其它手段无法达到的,故复合材料一问世首先用在航空上,初期可高达70%左右的碳纤维耗于此处,先军机后民机,制件从小到大,从少到多,从弱到强,从次结构到承力的主结构,从结构到功能,一步步地实现了飞机结构的复合材料化,所谓“化”者大有彻头彻尾,彻里彻外之谓也。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,J-20用到了机翼在~以上,J-31在~以上,但后两者还在试飞并未投产。民机正式研制的ARJ21用量2%以下,C919达到12%左右,但均在研制中,并未量产。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。我们的主要领导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。上世纪80年代中期笔者曾在波音以雇员身份工作,他们抓预研、抓课题的工作态度和气势为我所亲见。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迟后,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。当前先进复合材料已在以航空航天为核心的国防军工领域、能源领域、建筑领域、地面交通领域(包括汽车)、舰船领域、运动休闲以及广大的工业等领域,开创了前所未有的发展空间和机遇,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(Aircraft Energy Efficincy)计划,即飞机节能计划,前后执行了10年,国内各大飞机公司几乎全部参加,减重节油,增加商载,该计划完成了B737平尾、DC10垂尾、L1011垂尾的飞行和鉴定。接着又有著名的ACT(Advanced Composite Technology)计划出现,于1988年-1998年执行,目的在于飞机结构性能,研发“强度、刚度、损伤容限”三者统一的主结构,推动大飞机上机翼、机身主结构的应用。再如欧洲则有TANGO (Technology Application Near-Term Goals and Objective)计划,为欧洲11国共34个部门联合发起并执行,革新设计概念,革新制造方法,旨在结构减重20%,成本降低20%。欧洲近期又有NGCW(Next Generation Composite Wing)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。这方面的实例很多,如美国军用复合材料手册MIL-HDBK-17统一编写和组织250名专家的不断修订;FAA领导下著名的AC-107A\B(飞机复合材料结构)咨询通报的统一制订;美国NASA领导下共享数据库的建设(Share material databases);美欧“商用飞机复合材料修理委员会”(CACRc)的共同组建等实例不胜枚举。
 
  再如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。我曾应邀访台讲学交流,亲身领略了这种气势。
 
  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,该部有能力组织此事又有投资支持,未尝不是好事。
 
  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。基础理论方面如破坏机理与极限强度分析问题、从微观损伤到宏观失效问题、确定性和非确定性分析方法等问题;工程实践上,如材料许用值与结构设计值合理确定问题,质量控制与标准合理制制订等问题、性能测试与共享数据库建设问题、大面积整体成型与胶接结构的分析问题、使用保障与修理维护的问题等。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。从项目论证到评审鉴定诸环节问题较多,学风不正。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。有些人知道一点强度理论,但不知道复合材料强度、刚度计算的工程方法,甚至不了解国际上通行的分析和验证用的“积木式”(BBA-Building Block Approach)方法,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。设计人员发不出符合上述诸原则的设计图纸来,试问生产部门如何进行具体的选材和制造?复合材料必用的连接设计,我们现有的计算方法仍是以前验证过的方法,已有人指出并不太准确。新的系统的方法我手中就有,但近年来推广宣传不够,并未太用。
 
  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Fiber SIM,Hyper Sizer等软件的开发和应用等。
 
  设计影响应用的例子不胜枚举,如风机叶片设计,国外已大量应用先进复合材料,形成碳纤维应用的大户,但国内进展很慢。一个重要原因是我们的叶片多是引进工程,没有原始设计产权,对所用材料不敢做轻易更改。重新设计时连载荷都没有,因为引进时人家不会详细给出。下面汽车工业要大上复合材料,但汽车领域的工程师普遍不会复合材料设计,问题十分尖锐地摆在我们面前,值得关注。
       
       结语
 
  应用是硬道理。应用的落后是根本的落后,带标志性的落后。应用上不去,许多具体技术问题就暴露不出来,解决不了,何谈技术进步?因此应用的落后是我国复合材料技术发展的一个瓶颈、一个短板,关键症结所在。革命尚未成功,同志仍需努力。
 
  国家已经认定材料工业是国民经济的基础产业,新材料是材料工业的先导,是重要的战略性新兴产业。明确了新材料是国家七大新兴战略之一,要重点发展新型功能材料、高性能结构材料和先进复合材料。无需多言,我国已是一个复合材料大国,年耗碳纤维一万吨以上,但还不是一个强国,由大国走向强国,我们必须看到问题,找出差距,认清方向,作出切实努力。业界领导和同仁应努力促进应用、促进发展,与世界一起迎接复合材料蓬勃发展的美好明天。