反面:在金属加工行业,工艺落后往往意味着性能降低,但很多时候也能通过钣金加工、铆接、配重、甚至手工打磨修挫做出来。而做出来了,也就能凑合使。但碳纤维领域,工艺落后往往更意味着废品,不仅是性能寿命下降的问题,而是根本就无法使用。因此,碳纤维复材的生产,是“行百里者半九十”的概念——只是在实验室做出复材样品,只和完成了一个概念设计差不多,后面的工艺关,那才是重头戏。设计定型和生产定型因此紧密耦合——几公斤样品,距离用成熟工艺批量生产复材,可差了十万八千里啊。出于同样的原因,复材制件的日常维护、测试、修复的经验、流程与方法,与金属构件相比,也会发生颠覆性改变。
正面:在金属加工行业,工艺创新往往带来性能提高;而在碳纤维领域,工艺创新除了提高性能,往往更能够直接带来产品创新。一种新工艺,甚至可以带来CFRP的一个变种产品分类。比如,增强热缩性塑料工艺,形成CFRTP;增强C工艺形成CFRC(也称C/C,就是碳/碳复合材料),增强金属工艺形成CFRM,增强橡胶工艺形成CFRR,等等。又如,整体成型工艺,形成了前所未有的超大壁板和整体段件航空制件。倒过来说,没有对复材工艺的理解和创新,就没有对复材产品的理解和创新。
目前,CF的先进工艺,主要把持在日本手里;CFRP的先进工艺,主要掌握在美国人手里。而且其更新和推广的速度之快,令人惊心。而国内在这个领域,如上文所述,依然存在着大片的空白。这些空白直接导致先进复材产品系列的缺失。比如在美国航天航空领域开始规模化采用的金属基和陶瓷基碳纤维复合材料,甚至没有进入2010版的《中国航空材料手册》。换句话说,如果我们不在工艺基础上下功夫,指望着山寨外援、避重就轻、零敲碎打、投机取巧,是无法在航空航天复材上获得全面突破的。
金属工艺与复材工艺,完全是两个世界。国内航空业能否在金属工艺领域驾轻就熟的同时,在复材工艺相对陌生的广大空间转换思路、刻苦耕耘、大胆求新,无疑是一个很大的考验。
看过了碳纤维和复材的生产工艺,那么中国碳纤维复材的应用水平又如何呢?
一、航空方面的CFRP应用
业内一般认为,碳纤维复合材料在军用航空方面的应用大体上可以分为三个阶段(也有按四个阶段分的,差异不大)。民机对安全性、经济性、可靠性要求高于军机,因此在应用上更加保守和延后,但也大体追随了军机的步伐。在此一并介绍。
第一阶段——非承力结构:20世纪60-70年代:由于1公斤CFRP可以大体替代3公斤铝合金,性能满足要求,因此开始用于非承力结构,如舱门、前缘、口盖、整流罩等尺寸较小的部件。对于民机,除了上述应用外,机舱大量的内饰也会用到复合材料,但其中有很多是芳纶或者玻璃纤维复材,这里不赘述。
国内方面:从难度上说,非承力结构是航空复材的小case,但是应用面却最广泛。国内在技术上已无大的障碍,基本达到了国外类似的水平,需要的是大规模普及。相信ARJ21,C919和运20等大平台和众多无人机小平台定型运营后,能够为此提供广阔的应用空间。
这些一般应用,大多用便宜的大丝束产品就够了;而T300以上的产品,贵得离谱,好钢用在刀刃上,于是大多用在承力结构上。
第二阶段——次承力结构:20世纪70-80年代:随着力学性能的改善与前期应用的效果提高了人们的信心,CFRP逐步扩展到飞机的次承力结构,即垂尾、平尾、鸭翼、副襟翼舵面等受力较大、尺寸较大的部件。
其中,1971年美国F-14战斗机把纤维增强的环氧树脂复合材料成功应用在平尾上,是复合材料史上的一个里程碑事件。波音B777也将CFRP应用于垂尾、平尾等多处部件,共用复合材料9.9吨,占结构总重的11%。
国内方面:
中国将CFRP用于军机的舵面和翼面,也已经开始成熟。
根据《玻璃钢》等杂志的公开报道,早在“六五”期间,沈阳飞机设计所、航空材料研究院和沈阳飞机厂共同研制歼击机复合材料垂尾壁板,比原铝合金结构轻21kg,减重30%。北京航空工艺研究所研制并生产的QY8911/HT3双马来酰亚胺单向碳纤维预浸料及其复合材料已用于飞机前机身段、垂直尾翼安定面、机翼外翼、阻力板、整流壁板等构件。歼轰-7A战机采用了CFRP平尾。
2009年建国60周年国防成就展上,报道了歼-10在鸭翼、垂尾、襟副翼、腹鳍等所有7个舵面和腹鳍采用了CFRP材料,这与国外这一阶段的发展水平基本相当。
2011年通用航空大会上披露,即将定型的猎鹰L-15高教机也采用了复材的机头罩、方向舵和垂尾,其中舵面是CFRP。
在民机方面,ARJ21新支线飞机的复合材料技术水平大体达到了这样一个水平,算是开了个头,但大规模应用尚需时日。
国内CFRP次承力构件的广泛应用,与T300生产进程密切相关。材料的国产化,产量的扩大化和价格的低廉化,分别为CFRP次承力构件的应用提供可能性、适用性和经济性。从而最终推动CFRP次承力构件成为国产军民航空器的标配。
这一阶段的材料和工艺,都是我们用T300和手工铺叠工艺能够达到的,因此未来的发展相对有把握。但如果制件再大些,承力再大些,就会涉及主承力结构了。
第三阶段,从上世纪80年代至今,随着高性能碳纤维和预浸料-热压罐整体成型工艺的成熟,CFRP逐步进入机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中。
美国原麦道飞机公司于1976年率先研制了F/A-18的复合材料机翼,把复合材料的用量提高到了13%,成为复合材料史上的又一个重要里程碑。后期更采用自动铺丝技术为FA-18E/F制造CFRP的12块机身蒙皮,10块进气管蒙皮,4块水平尾翼蒙皮。F-16战斗机BLOCK50之后也开始采用CRPR复合材料机翼。F-22战机的复合材料用量已经提高到结构重量的22%。目前西方国家军机上复合材料用量约占全机结构重量的20%~50%不等。
