这次又是日本东丽,创新研发出兼具高强型和高模型的MJ系列碳纤维,使其兼备高强度和高模量,综合性能提升较大。MJ系列产品包括M40J,M55J,M60J。中科院山西煤化所和中科院研究生院的研究表明,MJ产品最大特点就是纤维表面都有沟槽,这与上面谈到的干喷湿纺产品的平滑表面形成鲜明对比。

表1:东丽MJ系列产品性能表 型号 抗拉强度/GPa 抗拉模量/GPa M40J 4.41 377 M55J 4.02 540 M60J 3.82 588

我们在进步,人家也没闲着。

因此,中国碳纤维原丝行业保持航向,目标东丽,不变!

二中国碳纤维复材生产技术的进展

自动铺叠技术

《原文》:

手工铺叠自动化:航空用先进复合材料构件大部分仍在使用手工铺叠,预浸料自动下料机和激光投影仪两种关键设备大多需要进口。而且对于大型构件,依然难以保证铺叠质量和速度。自动铺带机:中国正在起步研究的阶段。北京航空制造工程研究所研制的6m×20m 大型自动铺带机,开始在新型飞机的复材构件研制中得到实验性的应用。

国内自动铺丝机:尚未见到有国产化设备投入应用的报道。

进展:

中航工业制造所于2006年组建技术团队,致力于复合材料自动化铺放的工程化应用,通过近十年来的扎实研究,已经获得较大进展。国内成飞也在相关技术研发和工程化应用方面获得扎实成绩。

1自动铺带机:

中航复材完成了国产预浸带制备、铺带工艺等系列研究与相关工程化应用验证,已将自动铺带用于新型飞机的机翼复合材料壁板;针对民机尾翼、机翼等课题需求,完成了尾翼平尾蒙皮、机翼蒙皮的系列研究与验证试验。在中航复材的厂区高跨净化间内,国内最先进的大型自动铺带设备——1台30米×6.5米铺带机,具备了32丝束铺放能力,可实现大型复合材料构件的铺放。

中国航空新闻网报道,成飞“大型复合材料整体壁板精确制造技术研究”科技成果与2014年一次性通过了成果鉴定。

一、首次在装配飞机机翼壁板上采用复合材料自动铺带技术,解决了大型复合材料整体壁板精确制造的技术关键,制定了自动铺带的工艺规范标准;

二、开发了基于激光投影技术的自动铺带在线检测技术,实现了自动铺带尺寸、角度、轮廓快速精确检测,申请了发明专利;

三是提出了基于数字化技术的帽形加筋壁板R区精确填充方法,研制了专用转角R区填充物成型工装,实现了帽型结构的一步成型制造;

四、建立了复合材料加筋壁板变形控制理论模型和筋条漂移模型,实现了对帽形加筋壁板的变形和漂移的有效控制。

成飞项目已申请4项发明专利,并已成功应用于机翼复合材料大型整体壁板的制造中,产品质量稳定、可靠。四川省科学技术鉴定委员会认为:该项目总体技术国内领先,达到国际先进水平。

2自动铺丝机:

与自动铺带机类似,国内最先进的1台30米×6.5米铺丝机也装备了中航复材,正结合某民机(推测为ARJ21/C919)课题,开展自动铺丝技术的研究和工程验证。

点评:

从消息看,国内自动铺叠技术取得了重大进展,说明这一短板正在被迅速弥补当中。要知道,即使有激光投影仪,人工铺放的精度一般也就是3mm左右。而自动铺放使用自动铺层技术,铺放、滚压等制造工艺过程都是由程序自动控制,重复性与一致性好,质量稳定。其铺放精度一般可达1.2~1.5mm之内,最高精度甚至可以达到可达0.76mm以内,是人工铺放的4倍。现在铺带机完成了工程化应用验证,铺丝机也开始了这一进程,非常令人欣喜。这是其一。

从设备上看,中航工业在国内的碳纤维复材自动铺放铺叠领域,绝对是第一把交椅。两台30米大机就不说了,就是那三个手工铺叠、功能结构铺叠和液体成型纤维预形体制备三个独立净化间里的下料机、激光投影仪、大型缝合机、纤维预形体制备机等高大上制造设备,也足以让其他同行眼馋啊。这是其二。

整体成型技术

在碳纤维复材的整体成型技术方面,中航复材依然处于国内同行业的领先地位。针对梁、壁板结构,开发了梁成型技术、长桁成型技术、加筋(单向、纵横向)壁板成型技术;针对盒段整体化结构,开发了基于π接头的整体成型技术、纵墙与下蒙皮整体成型技术、纵墙与上下蒙皮整体制造技术;针对舵面结构,开发了全高度蜂窝整体成型技术和U单元壁板成型技术;针对透波结构,开发了透波夹芯结构整体成型技术;针对发动机外涵道结构,开发了聚酰亚胺高温复合材料成型技术;针对复合材料结构的装配需求,开发了舵面、垂尾、平尾、舱门、机翼和中央翼等复合材料部件的装配技术。

在成型设备方面,中航复材厂房内容的热压罐区,拥有9台先进热压罐设备。其中那台直径7米长30米超大热压罐,具备30米长筒型和壁板型、盒段型构件的整体成型制造能力。在技术储备上,中航复材已配合设计研制了多个型号的翼面/机身加筋壁板、多墙整体化壁板/盒段、全高度蜂窝整体舵面,实现了小批或批量生产,在部分相关关键技术上已经达到世界先进水平。

点评:

中航复材在大型热压罐设备上的成绩和其他整体成型技术的进展,标志着预浸料-热压罐为核心的碳纤维复材生产关键技术获得了重大突破。那台7X30米的大罐,已经可以分段实现中小型运输机的机体整体成型,和美帝的12米直径罐有差距,但也已属难能可贵的进步。全部9台大罐小罐,形成了系列化的热压罐工艺设备,为复材整体成型的核心工艺打下了良好的硬件基础。

但是…..呵呵,兵器迷就是这样,但是后面做文章。

我们也应该看到,预浸料-热压罐技术有着一个固有的缺点。

这个缺陷就是成本高昂。

不但制造成本高,使用和维护成本更是高得惊人。比如美国NASA为固化一个直径10米的太空发射载具桶形复合材料结构,曾建造了一座直径12米,长24米的热压罐,直接制造成本就是4000万美元。安装及后续操作、维持经费则高达6000万美元。

这样的开销,就是美帝也头疼。况且,航空构件的尺寸多种多样,而热压罐的大小,对构件尺寸是一种制约。

为此,美国发展了真空辅助树脂转注成模工艺(Vacuum-assisted Resin Transfer Molding,以下简称VaRTM)。