首先是横向比较,差距巨大。对于最高端的T800,江苏航科5个月的产量只有500公斤,即每个月100公斤的规模,可以说仍然在试生产阶段,距离真正的工业化生产和商业化盈利,还有很长一段路要走。而且,T700未实现100%国产化,T800国产化就差得更远。而美国波音公司,1985年T800就出来了——看到了吧,差距30年啊,呵呵。
当然,做不出来的时候,连可比性都没有,想说你究竟落后多少年都说不出来。现在从无到有,毕竟能比了,也算一种进步吧。
第二就是质量不稳,废品率高。即便是正品,各批次生产的碳纤维的性质也有差异,影响了后续复合材料的生产效果。而且难以搞清其中的原因——同样的生产线和生产工艺,这一批合格,下一批不合格;这一批模量高,下一批模量低,究竟是为什么呢?
主要还是因为,高性能碳纤维的生产工艺灰常、灰常繁复,可以说到了苛刻的地步。兵器迷在这里给出很少几个例子,来说明一下其工艺难度:
例1:很多工艺需要加入不同种类的的稳定剂、催化剂。比如预氧化过程中,纺丝液就需要加入路易斯酸、胫胺、有机金属络合物盐、铝、硼、钛的金属有机化合物以及十二烷基苯磺酸钠类的金属盐等等稳定剂,重量必须在原料的0.1-0.2%左右。
例2:各工序的温度和速度的控制精密。比如纺丝的多段凝固工艺中,第一段的温度为35-80℃,结束后1秒中内,就要迅速进入第二阶段。预氧丝在70毫克/袋的张力下,于惰性气体中加温,必须以每分钟30℃升到600℃。再以每分钟1000℃升到1300℃,同时保持20秒。丝毫不能马虎。
例3:设备运作要求高。比如:预氧化过程中,4组导辊的直径有严格要求,而且表面温度必须分别为285℃,285℃,285℃和315℃,且丝束通过导辊的速度要求为毫米级/秒精度。
例4:物理处理手段同样精密。比如,为防止碳化后碳丝强度降低,在碳化前对预氧化炉出口处对丝束施加0.005-0.1克/袋的张力,并对丝束喷热气流,将单丝吹开,改善丝束强度。
碳纤维的生产工艺参数和运行控制,是一个庞大的体系。其中无论哪个因素,操作时稍有不慎,就会前功尽弃,僵丝、断丝、排焦、起毛、缠结….各种问题层出不穷。所谓‘差之毫厘,谬以千里”,就是这个意思。
中国碳纤维行业生产长期徘徊在“能做出来,就是做不好;能做好,就是贵”的尴尬局面中,说到底,咱们对碳纤维生产的脾气,还没有摸透啊。中国人大干快上的性子,对这种需要精益求精的水磨工夫,还真有点不适应。
那么,那就踏实下来,养养性吧。不只是碳纤维这个行业,我们整个民族,都需要从浮躁、表面化和一鸣惊人的短期行为模式中解脱出来,不求闻达、埋头积累、夯实基础、渐取徐图。
话扯远了,咱们来看看第二个话题——
碳纤维增强复合材料(CFRP)的生产
CFRP,根据基体材料和增强工艺的不同(比如陶瓷基、金属基复合)本来是一个庞大的家族。我们这里只谈基本CFRP生产工艺。大体上有两种,即预浸料-热压罐固化成型工艺,和液体成型工艺。由于前者是航空结构构件的主要复材工艺,今儿就重点聊聊它。
1、预浸料
预浸料-热压罐固化成型工艺的第一步,就是把碳纤维放入热固性高韧性树脂预浸料进行预浸、吸胶,并加温进行固化。
近年来,航空复材构件已经日趋大型化和整体化,以减少复材之间的机械装配和紧固环节,达到提高性能、降低成本、减轻重量的目的。但由此也带来了麻烦——部件越大,其在热压罐内固化过程中的温度控制就越难保证均匀持续,从而导致质量下降。美国在预浸料-热压罐工艺的材料成本中,预浸料废弃率平均为40%。因此,“零吸胶”、“常温加压”的先进预浸料,就成为业内的发展方向。
碳纤维的生产,上面聊过,国内与国外相比是有很大差距的。但树脂预浸料,我们的差距相对小一些。根据航空制造网的消息,国内开发的环氧树脂预浸料碳Ⅷ/BA9918预浸料、碳Ⅶ/BA9916-II预浸料、CCF300/BA9916-II预浸料和双马树脂预浸料CCF300/QY9511、碳Ⅶ/QY9611,都可做到“零吸胶”、“常温加压”,部分预浸料已用于多个型号产品的生产,与美国波音公司的材料有着类似的性能。如下表1:
咋样?和老美比一比,咱们的树脂基不差啊,呵呵,振奋一下。
碳纤维有了,树脂基复材也有了,万事俱备,可以来炒碳纤维复合材料这盘菜了。在这方面,我们就不乐观了。
2、预浸料-热压罐整体成型工艺
用预浸料-热压罐工艺生产碳纤维制造复合材料,要先将碳纤维浸溶在树脂溶剂里,进行铺叠成型。接着经过模具工装进行表面组装固定,在部件接触面贴胶。其后进热压罐100-130度固化,并通过紧固成为成品构件。
美国采用预浸料-热压罐固化成型工艺制造航空制造复合材料的成本中,材料占15%,预浸料铺叠占25%,装配占45%,固化占10%,紧固工艺占5%。
看到了吧?预浸料铺叠和装配在成本中占了70%,这也是咱们关注的重中之重。
早期复合材料制造的大型构件,通常是由各自成形好的部件,通过机械连接组装而成。这样的方式增加了结构的自重,不能很好地发挥复合材料的优点。随着技术的发展,大型复材结构逐渐实现了预浸料-热压罐整体化制造,其工艺可分为三种:
共固化:不同部件分别铺叠,整体进热压罐固化。
共胶接:先完成一个部件的固化,再铺叠其他部件,整体进热压罐共胶接。
后胶接:各部件分别铺叠、分别进热压罐固化,然后整体再次进热压罐胶接。
喂,兵器迷,太太太……抽象了!
是是是……挠头。没别的办法,再举几个例子吧。
例1:壁板类工艺
对于飞机尾翼、机翼和非筒体成型的机身,需要壁板类的大型复材,这类结构主要由蒙皮和长桁组成,其成型工艺有以下几种方式。
共固化:分别铺叠蒙皮和长桁,通过模具工装将其组合在一起,接触面铺胶膜(或不铺胶膜);之后整体进热压罐完成共固化。
胶接:蒙皮先固化,再铺叠长桁,通过模具工装将其固定在已固化好的蒙皮上,接触面铺胶膜,之后进罐完成共胶接。或者反过来,长桁先固化,再与蒙皮共胶接。
后胶接:分别固化蒙皮和长桁;将长桁进行必要的加工;通过模具工装将蒙皮与长桁组装,接触面铺胶膜,之后进热压罐完成胶接。
在实际生产中,上述三种工艺可以混合使用。
例2:盒段整体工艺
