火箭导弹壳体:我国研制CFRP壳体也取得了长足进步。1990年代后期,进行了T300固体火箭发动机壳体的基础试验、壳体结构强度试验、点火试车等全程考核,完成了12K T700 CFRP壳体结构强度试验。第一个用在型号上的是“开拓者一号”固体小运载发动机的第四级(直径640mm),并于2003年9月飞行成功。实现了CFRP壳体的历史性跨越。目前,T800 CFRP壳体预研试验已经展开。

喷管喉衬:我国研制的C/CFRP喷管于1989年点火成功,出口壁厚最薄处仅为0.9mm的大尺寸(Ф500~2000mm左右)喷管显示出优异的综合性能。

再入弹头:根据《东华校友》“创制国防尖端材料的科研先锋——记上海市劳动模范潘鼎教授”一文报道,2001-2003年度上海劳动模范,东华大学材料学教授、博士生导师潘鼎教授,主持了“300Kg/年粘胶基碳纤维扩试线”这一国家级重大军工科研项目,用不同于国外原料的国产棉纤维素原丝制成了填补国内空白、产品质量达到国际先进水平的高纯度航天级粘胶基碳纤维,成果无偿转给中科院山西煤化所,进行放大生产。课题组还制定了“GJB3839-2000”国家标准,形成了具有独立知识产权、世界上独一无二的,用棉纤维素粘胶帘子线制备碳纤维的技术及应用设备。该技术和产品荣获2003年度国家科学技术进步二等奖,解决了DF-31导弹的定型难题,并使我国已成为美俄之外,能够独自掌握这一产品及其生产技术的世界第三大国。

卫星结构:据中国质量新闻网报道,我国2011年发射的嫦娥二号探月卫星,其定向天线的重要支撑部分,定向天线展开臂,是由哈尔滨玻璃钢研究院研发的CFRP复材,总重量仅500余克,较使用铝合金材质减轻近300克,但承重能力毫不逊色。

有朋友说,300克算什么啊?呵呵,要知道,卫星的减重,是以克计的,少1克,能节约500克燃料。少300克,卫星就可以多带一个相机或望远镜,多完成一些任务。再看看减重比例:40%,还是很有效的,呵呵。

总结

至此,关于碳纤维及其复合材料在航空航天领域的发展浅析系列文章,就此打住了。

有朋友问:你说了这么多,那么在碳纤维复材的航空航天应用上,中国在世界上究竟处于什么位置呢?

这个问题,兵器迷可回答不了,咱们借用中国材料大师师昌绪老先生在2010年的评论:目前中国的CFRT应用,大约处于西方发达国家1980年代的水平。

从上面的介绍可以看出,中国的碳纤维复材,在军用领域紧追慢赶,亮点不少。但在民用航空领域的发展,一直大幅度落后于美欧日等国家,直接原因是成本太高,比要替代的铝合金贵的多,甚至比钛合金还要贵。

这其中的间接原因是多方面的。

首先,战略军用小丝束产品,得益于两代“核心”领导的重视,T300军用碳纤维的完全国产化,使得次承力结构军用构件有较快的发展。而民用大丝束领域的政策扶持相对滞后许多。实际上,国家当年资源人力都有限,为了救急,集中精力搞军用小丝束,是完全合理的。但是,从长远来看,通用、民用产品的市场空间更大,是碳纤维行业持久发展、持续创新的厚土沉基。在军品已经打开突破口,经济发展、国力增强的今天,不要说大丝束,即便是小丝束产品,也应当更多的从市场和民用角度,拓宽其行业基础,以军带民、以民养军、分苗嫁接、开枝散叶,形成军用技术和民用产业的良性互动。这是政策层面的原因。

第二,国内十数家碳纤维生产厂家,群雄并起,看似热闹,实际上有很大一部分并没有掌握核心技术。要么是关键设备、关键材料需要进口,要么是工艺参数和质量控制没有吃透。甚至,很多企业到现在,PAN原丝生产还要高价进口东丽公司的DMSO溶剂,属于照猫画虎形的“自主生产”。多数厂家的产品质量批次差异性较大,缠结、断丝时有发生,合格的PAN原丝生产量不过100吨/年,达不到基本规模经济水平。产业布局和关键技术的把握,都有很大的提升空间。这是PAN原丝和碳纤维生产层面的原因。

第三,在预浸料自动铺叠技术和整体成型工艺,已经成为发达国家成熟制造技术,但对于中国航空航天碳纤维复合材料领域,依然是工业化生产中最大的一块短板,甚至空白。即便有了引进设备,我们对复材的物理性质,力学性能研究不透,对加工参数掌握不足,知其然不知其所以然,直接用国外的软件设计复材方案,导致CFRP复材的产量低、价格高、质量不稳定和创新能力低下。军用部件不计成本,也就罢了,而对商业化批量生产和应用,这就是一个重大的阻碍,很多厂家为此畏难而退,裹足不前,干脆直接用已经摸透的金属材料做更有把握和更经济。这是复材生产层面的原因。

第四,航空航天器的设计,需要结合复材性能特性,加强整体设计的思想,而不是简单的替换原金属部件。举一个简单的例子,国内某型军机的平尾改用CFRP复材后,确实轻了不少,但却因此改变了全机力矩平衡,需要通过配重进行调整,结果整机减重效果并不理想。当然,逐项替代也是一种有效的验证步骤,但有一种理念需要强调:局部优化不代表整体优化。在复合材料应用愈加广泛的今天,顶层设计,全局优化,才能最大化的发挥复材的最大功能效用和经济效用。这是设计思想层面的原因。

写至此处,兵器迷觉得笔端异常沉重——回顾碳纤维复材的发展历程,我们再一次感受到美国的强大和日本的扎实。这种强大是深入骨髓的,这种扎实是无所不在的。在碳纤维这个领域,他们傲然前行,卓越领先。

这里面有着深层次的原因。如果不能正视这种真正的领先,反而意淫着多少年GDP赶上美国就扬眉吐气了,那么GDP第一长达上百年的大清朝颓然崩坍的历史,就可能重演。如果不能从长效机制和基础研究上练真功夫,那么我们今天的进步就可能是局部甚至短暂的。