碳纖維復合材料在航空航天領域應用分析

一、碳纖維的生產(chǎn)

碳纖維根據(jù)基本材料不同，可分為PAN基、瀝青基、酚醛基、纖維素基…..等不同的生產(chǎn)工藝。本文只涉及軍用高性能聚丙烯腈PAN碳纖維的生產(chǎn)工藝。雖然PAN基碳纖維生產(chǎn)細節(jié)的保密度比較高，但是大致的原理是公開的，先概要的介紹一下其生產(chǎn)過程。


碳纖維生產(chǎn)工藝全流程圖

如下圖1所示，PAN基碳纖維的生產(chǎn)，從原料單體到原絲、再到碳纖維成品加工，各道工藝的緊密相連，可以在一個車間內(nèi)連續(xù)的完成全套工藝流程。


圖1：碳纖維主要生產(chǎn)工藝流程圖

國內(nèi)有部分廠家，既沒有上游的PAN原絲生產(chǎn)能力，又沒有下游的碳纖維復材生產(chǎn)能力，只能直接購買國外原絲，再進行預氧化和碳化的后續(xù)處理生產(chǎn)碳纖維。好比吃魚，頭尾嫌刺多,不舍得下功夫，于是就吃個中段兒，居然也號稱自己能做碳纖維，游說國家投入巨資。

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目前國際碳纖維的生產(chǎn)，在國際上一直由美、日兩國主導。目前能夠進入批量工業(yè)化生產(chǎn)的最高級碳纖維是T800，T1000等更高品級仍在實驗室階段。航空主承力級和航天級的碳纖維工藝技術，國外對華一直封鎖。就連高性能PAN原絲，如T800原絲, 以及部分碳纖維成品，也都對華禁運——日本曾經(jīng)對賣高級碳纖維給中國的人員判刑嚴懲。

所以軍用高性能碳纖維的生產(chǎn)，自“六五”以來一直是國家重點研發(fā)和實施科技產(chǎn)業(yè)化的攻關項目。十五期間，在國家863項目的推動下，形成了北京化工大學、中科院山西煤化所和山東大學為主的三個研發(fā)基地，和江蘇、吉林、山西、山東為主的四大生產(chǎn)基地。經(jīng)過近30年的努力，取得的成績應當說是可圈可點：

T300的生產(chǎn)

根據(jù)中國玻璃纖維復合材料信息網(wǎng) 2008年的報道，中復神鷹碳纖維有限公司萬噸碳纖維一期工程，2008年底在江蘇連云港正式投產(chǎn)，目前形成1000噸規(guī)模碳絲生產(chǎn)能力。該公司曾于2007年5月實現(xiàn)了碳化生產(chǎn)線投產(chǎn)，當時碳纖維產(chǎn)量只有20噸左右。此后新建了2500噸PAN碳纖維原絲和1000噸碳化生產(chǎn)線。以45%股份成為神鷹第一大股東的中國復合材料集團董事長張定金強調(diào)，T300從設備到產(chǎn)品已實現(xiàn)百分之百國產(chǎn)化。而且在技術研發(fā)上，河南煤業(yè)化工集團已經(jīng)擁有PAN基T300碳纖維完整的知識產(chǎn)權體系。軍工部門評價說：“T300的完全國產(chǎn)化，使得軍用次承力結構碳纖維獲得了完全自主權。”

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至此，可以說，通過T300級軍用碳纖維的國產(chǎn)化，走出了中國打破國外壟斷和技術封鎖的第一步。產(chǎn)品批量生產(chǎn)當年，T300進口價應激性的跌了一半，呵呵。（兩年后因為需求量大價格又上去了，這是后話）

T700的生產(chǎn)

據(jù)2012年中國航空報報道，中航工業(yè)董事長林左鳴率隊赴位于江蘇常州國家高新技術區(qū)的中簡科技發(fā)展有限公司考察調(diào)研。中簡科技成立于2008年，承擔國家“863”計劃高性能碳纖維項目，依托中科院山西煤炭化學研究院的技術團隊，經(jīng)過4年時間，建立了T700碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，年產(chǎn)量可達300噸。主要設備的國產(chǎn)化率達98%，是國內(nèi)第一條T700高性能碳纖維生產(chǎn)線。林左鳴明確提出，中航工業(yè)對國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品進行支持，規(guī)定成員單位必須使用已達標的國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品。

T800的生產(chǎn)

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據(jù)江蘇經(jīng)濟報2012年7月消息，江蘇航科復合材料科技有限公司建成我國首條T800碳纖維產(chǎn)業(yè)化線。該項目2009年底啟動，航科投入2.5億元，從原絲到成品技術均為自主研發(fā)，生產(chǎn)線的開工負荷已提升到90%，5個月來累計產(chǎn)出成品500千克，合格率達到90%以上。拉伸強度、拉伸模量、斷裂延伸三大主要性能指標以及線密度、導熱率等其他各指標，都與東麗公司的T800產(chǎn)品相當。目前，江蘇航科已申請專利85項，其中24項獲授權。

從原絲開始做出來，與東麗指標相當，且有自己的專利技術，這是可喜的事情，希望早日看到國家級鑒定。

可以看出，中國軍用小絲束高性能碳纖維的生產(chǎn)，從下游煤化工入手，通過產(chǎn)學研聯(lián)合攻關的模式，已經(jīng)取得了可觀的進展。T300已經(jīng)實現(xiàn)了年千噸以上的規(guī)模化生產(chǎn)，T700達到了年百噸規(guī)模的批產(chǎn)規(guī)模，T800也看到了曙光。

首先是橫向比較，差距巨大。對于最高端的T800，江蘇航科5個月的產(chǎn)量只有500公斤，即每個月100公斤的規(guī)模，可以說仍然在試生產(chǎn)階段，距離真正的工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)化盈利，還有很長一段路要走。而且，T700未實現(xiàn)100%國產(chǎn)化，T800國產(chǎn)化就差得更遠。而美國波音公司，1985年T800就出來了——看到了吧，差距30年啊，呵呵。

第二就是質量不穩(wěn)，廢品率高。即便是正品，各批次生產(chǎn)的碳纖維的性質也有差異，影響了后續(xù)復合材料的生產(chǎn)效果。而且難以搞清其中的原因——同樣的生產(chǎn)線和生產(chǎn)工藝，這一批合格，下一批不合格；這一批模量高，下一批模量低，究竟是為什么呢？

主要還是因為，高性能碳纖維的生產(chǎn)工藝繁復，可以說到了苛刻的地步。這里給出很少幾個例子，來說明一下其工藝難度：

例1：很多工藝需要加入不同種類的的穩(wěn)定劑、催化劑。比如預氧化過程中，紡絲液就需要加入路易斯酸、脛胺、有機金屬絡合物鹽、鋁、硼、鈦的金屬有機化合物以及十二烷基苯磺酸鈉類的金屬鹽等等穩(wěn)定劑，重量必須在原料的0.1-0.2%左右。 內(nèi)容來自123456

例2：各工序的溫度和速度的控制精密。比如紡絲的多段凝固工藝中，第一段的溫度為35-80℃，結束后1秒中內(nèi)，就要迅速進入第二階段。預氧絲在70毫克/袋的張力下，于惰性氣體中加溫，必須以每分鐘30℃升到600℃。再以每分鐘1000℃升到1300℃，同時保持20秒。絲毫不能馬虎。

例3：設備運作要求高。比如：預氧化過程中，4組導輥的直徑有嚴格要求，而且表面溫度必須分別為285℃，285℃，285℃和315℃,且絲束通過導輥的速度要求為毫米級/秒精度。

例4：物理處理手段同樣精密。比如，為防止碳化后碳絲強度降低，在碳化前對預氧化爐出口處對絲束施加0.005-0.1克/袋的張力，并對絲束噴熱氣流，將單絲吹開，改善絲束強度。

碳纖維的生產(chǎn)工藝參數(shù)和運行控制，是一個龐大的體系。其中無論哪個因素，操作時稍有不慎，就會前功盡棄，僵絲、斷絲、排焦、起毛、纏結….各種問題層出不窮。所謂“差之毫厘，謬以千里”，就是這個意思。

中國碳纖維行業(yè)生產(chǎn)長期徘徊在“能做出來，就是做不好；能做好，就是貴”的尷尬局面中。

二、碳纖維增強復合材料（CFRP）的生產(chǎn)

CFRP，根據(jù)基體材料和增強工藝的不同（比如陶瓷基、金屬基復合）本來是一個龐大的家族。我們這里只談基本CFRP生產(chǎn)工藝。大體上有兩種，即預浸料-熱壓罐固化成型工藝，和液體成型工藝。由于前者是航空結構構件的主要復材工藝，今兒就重點聊聊它。

1、預浸料

預浸料——熱壓罐固化成型工藝的第一步，就是把碳纖維放入熱固性高韌性樹脂預浸料進行預浸、吸膠，并加溫進行固化。

近年來，航空復材構件已經(jīng)日趨大型化和整體化，以減少復材之間的機械裝配和緊固環(huán)節(jié)，達到提高性能、降低成本、減輕重量的目的。但由此也帶來了麻煩——部件越大，其在熱壓罐內(nèi)固化過程中的溫度控制就越難保證均勻持續(xù)，從而導致質量下降。美國在預浸料-熱壓罐工藝的材料成本中，預浸料廢棄率平均為40%。因此，“零吸膠”、“常溫加壓”的先進預浸料，就成為業(yè)內(nèi)的發(fā)展方向。 123456

碳纖維的生產(chǎn)，上面聊過，國內(nèi)與國外相比是有很大差距的。但樹脂預浸料，我們的差距相對小一些。根據(jù)航空制造網(wǎng)的消息，國內(nèi)開發(fā)的環(huán)氧樹脂預浸料碳Ⅷ /BA9918 預浸料、碳Ⅶ /BA9916-II 預浸料、CCF300/BA9916-II 預浸料和雙馬樹脂預浸料CCF300/QY9511、碳Ⅶ /QY9611，都可做到“零吸膠”、“常溫加壓”，部分預浸料已用于多個型號產(chǎn)品的生產(chǎn)，與美國波音公司的材料有著類似的性能。如下表1：


表1：國內(nèi)外部分雙馬樹脂基韌性復合材料性能（第一列碳Ⅶ /QY9611為國產(chǎn)）


表2：國內(nèi)外部分環(huán)氧基韌性復合材料性能（第一列碳Ⅶ /QY9611為國產(chǎn)）

2、預浸料——熱壓罐整體成型工藝 本文來自123

用預浸料——熱壓罐工藝生產(chǎn)碳纖維制造復合材料，要先將碳纖維浸溶在樹脂溶劑里，進行鋪疊成型。接著經(jīng)過模具工裝進行表面組裝固定，在部件接觸面貼膠。其后進熱壓罐100——130度固化，并通過緊固成為成品構件。

美國采用預浸料-熱壓罐固化成型工藝制造航空制造復合材料的成本中，材料占15%，預浸料鋪疊占25%，裝配占45%，固化占10%，緊固工藝占5%，

早期復合材料制造的大型構件，通常是由各自成形好的部件，通過機械連接組裝而成。這樣的方式增加了結構的自重，不能很好地發(fā)揮復合材料的優(yōu)點。隨著技術的發(fā)展，大型復材結構逐漸實現(xiàn)了預浸料——熱壓罐整體化制造，其工藝可分為三種：

共固化：不同部件分別鋪疊，整體進熱壓罐固化。

共膠接：先完成一個部件的固化，再鋪疊其他部件，整體進熱壓罐共膠接。

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后膠接：各部件分別鋪疊、分別進熱壓罐固化，然后整體再次進熱壓罐膠接。

例1：壁板類工藝

對于飛機尾翼、機翼和非筒體成型的機身，需要壁板類的大型復材，這類結構主要由蒙皮和長桁組成，其成型工藝有以下幾種方式。

共固化：分別鋪疊蒙皮和長桁，通過模具工裝將其組合在一起，接觸面鋪膠膜（或不鋪膠膜）；之后整體進熱壓罐完成共固化。

膠接：蒙皮先固化，再鋪疊長桁，通過模具工裝將其固定在已固化好的蒙皮上，接觸面鋪膠膜，之后進罐完成共膠接?；蛘叻催^來，長桁先固化，再與蒙皮共膠接。

后膠接：分別固化蒙皮和長桁；將長桁進行必要的加工；通過模具工裝將蒙皮與長桁組裝，接觸面鋪膠膜，之后進熱壓罐完成膠接。

在實際生產(chǎn)中，上述三種工藝可以混合使用。

例2：盒段整體工藝

對于飛機翼面，需要上、下蒙皮與骨架一體成型的整體盒段，按照用途，主要有三種工藝：

一是基于“π”形接頭的盒段結構膠接成型工藝。主要用于飛機平尾、垂尾。

二是基于T 形接頭的骨架與上、下蒙皮共固化/膠接一體成型工藝，通常用于飛機平尾、垂尾部分，如目前波音787 的平尾即采用了這類成型工藝。

三是基于T 形接頭的骨架與下蒙皮一體共固化/膠接成型工藝，通常主要用于戰(zhàn)斗機的機翼主承力結構。如歐洲EF2000 機翼、日本F2 機翼。

例3：筒體成型工藝

對于航空器的機體，其復材結構方案有兩類，一類是將機身的每段筒體分為四塊壁板分別成型后，再用機械連接方式對接，空客A350XWB 即為這種工藝方案；另一類則是將機身每段筒體整體共固化工藝成型，其代表機型是波音787。 123456

壁板、盒段、筒形制件，涉及飛機翼面、機身的主要組成部分，近年來一直是國內(nèi)外復材應用的核心領域。對此感興趣的朋友，請記住預浸料-熱壓罐這個晦澀拗口，但是意義重大的術語吧。

在預浸料——熱壓罐工藝中，預浸料的手工鋪疊是人工成本和人工時間消耗最大的一個環(huán)節(jié)，這種工藝的速度慢、質量低、時間長、人工成本高。因此，鋪疊自動化，就成為這個工藝中最講究的部分。如果說，預浸料-熱壓罐是航空復材生產(chǎn)工藝的皇冠，那么鋪疊環(huán)節(jié)的自動化工藝，就是這個皇冠上最耀眼的那顆鉆石。

3、預浸料鋪疊自動化技術

目前，業(yè)界對手工鋪疊改進的方式主要有手工自動鋪疊、自動鋪絲、自動鋪帶三種：

3.1手工鋪疊的自動化/ 數(shù)字化技術

即采用預浸料自動剪裁下料系統(tǒng)和鋪層激光投影定位系統(tǒng)等。采用專門的數(shù)控切割設備來進行預浸料和輔助材料的平面切割，從而將依賴于樣板的制造過程轉變?yōu)榭筛鶕?jù)復合材料設計軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件進行全面運作的制造過程，大大提高了手工鋪疊的工作效率和鋪疊質量。

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3.2自動鋪帶技術

分為平面式自動鋪帶機（FTLM）和曲面自動鋪帶機（CTLM）2種，主要用于鋪放小曲率的大型復合材料構件，如翼面類構件的蒙皮，可成型超大尺寸和形狀復雜的復合材料制件，且質量穩(wěn)定，縮短了鋪層及裝配工時。與手工相比，先進鋪帶技術可降低制造成本的30%~50％。

第一臺計算機數(shù)控（CNC）自動鋪帶機是在美國空軍材料實驗計劃下由General Dynamics公司和Conrac公司合作開發(fā)的，于80年代正式用于航空復合材料構件制造。90年代后，西歐開始研制生產(chǎn)自動鋪帶機。制造自動鋪帶機的技術主要被歐美掌控，如美國American GFM Corporation、Cincinnati Machine、CityMachine Tool&Die Company、ITW Workholding、Ingersoll和歐洲的M.TORRES（西班牙）、FOREST-LINE（法國）等。

3.3自動鋪絲技術

自動鋪絲，實際上是在自動鋪絲+自動纏繞技術基礎上發(fā)展起來的，專為曲率較大的雙曲面蒙皮構件的鋪疊而開發(fā)的技術，適用于大曲率機身和復雜曲面的成型，如軍用和民用飛機雙曲面翼身融合體、S形進氣道。自動鋪絲可以按構件型面增減紗束根數(shù)，可根據(jù)構件形狀自動切紗適應邊界，因此廢料率很低（3%～8%），可完成局部加厚、加筋、鋪層遞減、開口補強等操作，鋪放軌跡自由度更大，可變角度鋪放，能適應大曲率復雜構件成型。

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美國諾斯羅普•格魯門公司1995年購進第一臺自動絲束鋪放機，將其用于F/A-18E/F的進氣道、機身蒙皮、平尾蒙皮的制造。2010年將有40～50臺機器投入使用。目前自動鋪絲技術的代表是美國辛辛那提機床公司Viper 纖維鋪放機系統(tǒng)，有Viper1200、Viper3000，Viper6000系列鋪絲機。

國內(nèi)情況：

手工鋪疊自動化：目前我國在研和批量生產(chǎn)的航空用先進復合材料構件大部分仍在使用手工鋪疊，雖然也通過預浸料自動下料機和激光投影儀，大幅度提高了復合材料構件的鋪疊效率，但這兩種設備大多需要進口，而且對于大型構件，依然難以保證鋪疊質量和速度。

國內(nèi)自動鋪帶機：中國正在起步研究的階段。根據(jù)航空制造網(wǎng)的公開報道，北京航空制造工程研究所研制的6m×20m 大型自動鋪帶機（如圖2），開始在新型飛機的復材構件研制中得到實驗性的應用。但就整個行業(yè)來說，遠未達到規(guī)?；瘧玫某潭?。 123456

國內(nèi)自動鋪絲機：至于更上一層樓的自動鋪絲機，尚未見到有國產(chǎn)化設備投入應用的報道。


圖2：北航工程研究所研制的6m×20m 大型自動鋪帶機

4、纖維纏繞設備

關于碳纖維復材的成型設備，還需要提一下數(shù)控纖維纏繞機。它主要用于強韌性碳纖維通過纏繞，成型為圓筒、圓錐、球、雙曲面回轉體、組合體回轉體等構件，也可以進行矩形截面、多項式等多維復雜曲面和組合體形狀結構件纏繞，如火箭發(fā)動機殼體、各種彈體、衛(wèi)星結構件、水處理設備、天然氣儲罐、醫(yī)療防火用壓力容器等等。也是國外一直對華禁運的東東。

根據(jù)《機床工具報》報道，2007年11月，國產(chǎn)大型數(shù)控纖維纏繞機在齊齊哈爾第二機床廠問世，其SKCR165/1200型數(shù)控纖維纏繞機，為五坐標控制、四坐標聯(lián)動，是樹脂基復合材料纏繞成型構件的大型數(shù)控專機。該機包括五坐標控制四坐標聯(lián)動的纏繞軌跡控制系統(tǒng)、張力自動控制系統(tǒng)、溫度自動控制系統(tǒng)和質量保證系統(tǒng)，為中國火箭發(fā)動機CFRP殼體的制造奠定了堅實的基礎。


表3：自動化鋪疊和纏繞設備表

最后，中國商務部網(wǎng)站2012年發(fā)布消息，隸屬於中國航空工業(yè)集團公司的西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，收購了奧地利最大的波音飛機配件公司FACC 91.25%的股份。FACC的主要產(chǎn)品，包括復合材料飛機結構件、復合材料發(fā)動機結構件、飛機復合材料內(nèi)飾。希望他山之石，可以攻玉，為提高國內(nèi)航空復材的生產(chǎn)工藝水平，再添一把力。


圖3 FACC公司生產(chǎn)航空復合材料

小評：

無論碳纖維還是碳纖維復材的生產(chǎn)，都有一個重要特征，就是生產(chǎn)的連續(xù)化程度非常高，工藝開端是原料，工藝末端是成品，中間幾乎沒有半成品的概念。這種高度集成的連續(xù)化生產(chǎn)，帶來了正反兩方面的影響：

反面：在金屬加工行業(yè)，工藝落后往往意味著性能降低，但很多時候也能通過鈑金加工、鉚接、配重、甚至手工打磨修挫做出來。而做出來了，也就能湊合使。但碳纖維領域，工藝落后往往更意味著廢品，不僅是性能壽命下降的問題，而是根本就無法使用。因此，碳纖維復材的生產(chǎn)，是“行百里者半九十”的概念——只是在實驗室做出復材樣品，只和完成了一個概念設計差不多，后面的工藝關，那才是重頭戲。設計定型和生產(chǎn)定型因此緊密耦合——幾公斤樣品，距離用成熟工藝批量生產(chǎn)復材，可差了十萬八千里啊。出于同樣的原因，復材制件的日常維護、測試、修復的經(jīng)驗、流程與方法，與金屬構件相比，也會發(fā)生顛覆性改變。

正面：在金屬加工行業(yè)，工藝創(chuàng)新往往帶來性能提高；而在碳纖維領域，工藝創(chuàng)新除了提高性能，往往更能夠直接帶來產(chǎn)品創(chuàng)新。一種新工藝，甚至可以帶來CFRP的一個變種產(chǎn)品分類。比如，增強熱縮性塑料工藝，形成CFRTP；增強C工藝形成CFRC（也稱C/C,就是碳/碳復合材料），增強金屬工藝形成CFRM，增強橡膠工藝形成CFRR,等等。又如，整體成型工藝，形成了前所未有的超大壁板和整體段件航空制件。倒過來說，沒有對復材工藝的理解和創(chuàng)新，就沒有對復材產(chǎn)品的理解和創(chuàng)新。 copyright 123456

目前，CF的先進工藝，主要把持在日本手里；CFRP的先進工藝，主要掌握在美國人手里。而且其更新和推廣的速度之快，令人驚心。而國內(nèi)在這個領域，如上文所述，依然存在著大片的空白。這些空白直接導致先進復材產(chǎn)品系列的缺失。比如在美國航天航空領域開始規(guī)模化采用的金屬基和陶瓷基碳纖維復合材料，甚至沒有進入2010版的《中國航空材料手冊》。換句話說，如果我們不在工藝基礎上下功夫，指望著山寨外援、避重就輕、零敲碎打、投機取巧，是無法在航空航天復材上獲得全面突破的。

金屬工藝與復材工藝，完全是兩個世界。國內(nèi)航空業(yè)能在金屬工藝領域駕輕就熟的同時，在復材工藝相對陌生的廣大空間轉換思路、刻苦耕耘、大膽求新，無疑是一個很大的考驗。