《用国产高性能材料支撑航空梦》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2023-12-05
  • 留在美国,还是回国?这是上世纪出国大潮中,出国留学人员要做的一道选择题。1988年,我在美国完成硕士、博士和博士后学业后,选择了回国效力。

      我研究的是碳/碳复合材料。什么是碳/碳复合材料?以伊尔-76大型运输机为例,飞机使用的金属基刹车盘重量为2.8吨。如果使用碳/碳复合材料刹车盘,重量只有0.8吨。对零件重量以“克”为计量单位的飞机来说,这是一个革命性的变化。

      英、法、美三国先后研制出了高性能碳/碳航空制动材料,碳/碳复合材料也被欧美等发达国家列入了禁止出口清单。改革开放后,我国从欧美进口的大量民航飞机,使用的都是碳/碳复合材料刹车盘。刹车盘是易耗件,大量进口要消耗大量外汇。此外,购买刹车盘时还附有苛刻的条件。

      关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的,必须靠自主创新。

      从上世纪八十年代起,我们就开始了碳/碳复合材料的基础研究。上世纪九十年代末期,我们完成了碳/碳复合材料飞机刹车盘工业化制备,实验室和台架试验的各项指标均符合要求。但是,最后的“终止起飞”项目测试却出现了问题,试验数据不达标。这意味着前面的努力都功亏一篑。

      那是我们最困难的黑暗日子,我们几乎弹尽粮绝,甚至有队员还打了退堂鼓。但我坚信努力不会白费,国家的任务我们能完成,也必须完成。创新从来都是九死一生!

      都说“十年磨一剑”,可我们整整磨了近二十年。二十年,团队成员从翩翩少年到两鬓斑白,大家把青春和汗水挥洒在了实验室,把最好的年华献给了祖国的材料事业。

      最终,我们成功发明了“逆定向流—径向热梯度沉积热解炭技术”,走出了一条与国外完全不同的技术路线,改写了中国民航飞机必须依赖进口刹车盘才能落地的历史,也使我国成为继英、法、美之后,世界上第四个拥有该项制造技术的国家。

      今天,我们的成果已经成功助力国产大飞机C919翱翔蓝天,并成为火箭发动机、超高速飞行器的关键材料,还广泛应用在核能、太阳能、化工以及电子等众多领域。

      未来,我国还要去研制C929等一系列大飞机。我希望在有生之年能再磨一“剑”,彻底实现大飞机机轮刹车系统“中国造”,助力实现中华民族的伟大航空梦。

  • 原文来源:http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2023-12/05/content_563617.htm?div=-1
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    • 编译者:冯瑞华
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    • 这两天,某权威媒体记者的一篇报道“是什么卡了中国碳纤维的脖子:环氧树脂韧性不足,缺股劲儿 亟待攻克的核心技术”风靡一时,占据了碳纤维界的头条,文中声称“目前国内生产的高端碳纤维,所使用的环氧树脂全部都是进口的。”不知道这位记者从哪里得到的信息,国外哪个公司如此胆大敢于卖给中国军用飞机结构用环氧树脂,又有哪架国产军用飞机有幸使用国外的高端环氧树脂。航空结构用树脂体系从来都是对中国的禁运物资,即使民用飞机也只卖给你预浸料,且严格监控产品应用对象。中国军机复合材料从来就没有用过哪怕1克国外的航空树脂。中国的高科技没有像有些人吹的那么好,但也不是像文中所说的那样一无是处。作为一名在航空领域耕耘数十年的一员,有必要把让大家知道航空人的业绩。 实际上对航空人而言航空复合材料用树脂从来就没有想过从国外进口。航空结构所用原材料迄今为止主要是预浸料,针对不同用途有不同种类的碳纤维与树脂的复合(即预浸料),例如波音公司早期使用最多的T300/5208,目前用的最多的是T800/3901-2,52098与3900-2都是市场上不可能购买的树脂。无论国内还是国外,无论是军机还是民机,航空复合材料用树脂从来就不可能从市场上购得,都是与碳纤维配套以预浸料形式供应,专供波音或空客的预浸料不可能供应别的公司,更何况树脂。 我国航空复合材料在军机结构上的应用,要追溯到1970年代中期,首个用于军机的碳纤维复合材构件是由当时三机部(中航工业公司前身)的320厂(今洪都航空集团)、625所(中航复材的前身)和623所(今中航强度所)研制的歼12飞机的进气道壁板,使用的是吉化的高强一号碳纤维,使用的树脂是通常用于玻璃钢的648环氧树脂,该制件于1977年12月28日首飞成功。 从1980年开始三机部又组织研制了强5和歼8-II碳纤维复合材料垂尾的研制,一开始仍使用吉化的高强一号碳纤维和市场上可购得的648环氧树脂,此后由于可从非正常渠道可购得性能优于国产碳纤维且价格更便宜的东丽T300,所以材料体系为T300/648。即使648只是一款性能极其一般的树脂,通过设计师的设计同样实现了减重20%的设计目标,且在役使用超过15年。 从上世纪80年代初航空人即已开始研发航空用环氧树脂,确实航空复合材料用环氧树脂“从配方体系。分子结构去分析,这是一个非常复杂的系统工作,而且科技含量高,研究难度大。”航空人硬是不怕邪,面对国外的禁运和封锁,经过30多年的不懈努力,已培养除了一支老中青结合的航空树脂研发团队,并研发出了几乎所有军机所需适合各种用途和应用对象的航空树脂。的确飞机用环氧树脂要求其与碳纤维复合后具有相当高的CAI(冲击后压缩强度),同时还需具有足够高的湿热条件下的开孔压缩强度,这是一对矛盾,但是航空人很好地解决了这对矛盾,目前军机用环氧树脂的CAI与空客A350和波音787所用树脂性能基本相当。不仅如此,高温使用的双马树脂和聚酰亚胺通常认为是军用物资,绝对是国外的禁运对象,即使是预浸料也不允许出口中国,但航空人同样研发出了性能与国外相当的树脂,完全能够满足军机研发的需求。航空人就是这样,不怕你封锁和禁运,当大量使用国外T300碳纤维时,通过自主研发研制出与T300复合后性能与国外树脂相当的树脂,本世纪初T300有价无市(相当于禁运)时,我们同样开发出了与国外性能相当的国产碳纤维CCF300和HF10A碳纤维,航空人和恒神人同时研发出了与国产碳纤维复合良好的相应的航空用树脂,复合后的性能基本上与国外所用相当。当然使用中与国外树脂在工艺性能方面有差距,但经过长期使用后一定可以与其相当。 在谈及航空用树脂的同时,有一位航空人值得大家铭记,那就是原中航625所的赵渠森(1936~2003)。赵渠森是一位抗美援朝时参军后来转业的公安干警,中专毕业后进入航空体系,长期从事航空材料的应用,上世纪70年代曾编译出版了国内第一本名为“复合材料”的专著,为国内复合材料界的入门必读之书。上世纪80年代他了解到国外正在开发航空用双马树脂,他本可以对此不闻不问,没有任何人向他布置研发任务,在国防重点科研项目规划中也没有对此立项,但他敏感地意识到国内军机研发一定会需要这种材料,主动把国家的需要作为自己的使命,开始研发航空用双马树脂。他从来没有研发过树脂,更何况航空用双马树脂,但他就是不信邪,利用各种机会向国内外专家请教,收集一切能找到的中文和外文资料,从零开始,经过千辛万苦,带领几位年轻的技术人员,终于研发出了国内第一个航空用双马树脂(西工大专业从事树脂研发的老师几乎同时也研发出了另一个双马树脂)。不过他有幸的是得到了所在单位有远见领导的大力支持,也有幸得到了军机型号研发相关总师的支持,将他开发的双马树脂用于正在研发的军机型号,当然应用过程中出现了各种各样的问题,有时几乎无解,其中的艰辛恐怕常人很难知道,但他坚定不移地破解应用过程中遇到的各种问题和困难,使其性能与国外同类树脂相当,并成功地用于新机复合材料结构。以此为基础,他带领他的团队开发出了一系列用于不同场合和需求的双马树脂体系,现在由他开创的双马树脂体系几乎覆盖了所有高速军用飞机复合材料结构。但他不幸在2003年因病去世,在他弥留之际时,仍念念不忘他的双马不足之处及相应的解决方案。 国产航空复合材料用树脂的研究和应用史告诉我们,这是一场封锁与反封锁的斗争,面对国外的封锁,像赵渠森这样的航空人就会站出来,研发出我们自己与国外性能相当的航空复合材料用树脂。此外历史还告诉我们,即使性能略差的树脂,通过设计师的设计,照样可以在军机结构上应用,实现减重的目标。这个经验可以同样用于国产碳纤维,即使性能略差,通过设计师的设计,同样可以开发出高性能的碳纤维复合材料结构,但前提是用户是否肯用。航空复合材料用树脂的应用是被逼无奈,即使性能略差,用户仍能坚定不移地支持其改进和提高,使之不断完善。国产碳纤维是否有这样的机遇呢?
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    • 人类对于天空的探索自古有之。进入20世纪后,航空航天科学技术兴起并迅速发展,对军事、经济乃至人类社会产生了深远影响。 我们都知道,航空航天飞行器需要在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等各类复杂环境中工作,因此,性能上能够应对以上极端条件的材料就成为了航空航天技术发展的决定性因素之一。 近年来,航空航天材料技术水平不断提高,市场规模不断壮大,尤其是具备轻质、抗疲劳、耐腐蚀等特性的先进复合材料,成为了市场的“香饽饽”。ASD Reports咨询公司最新报告显示,预计到2022年,航空航天复合材料市场总额可达429.7亿美元。 2017年有哪些新型航空航天用材料问世?国内外材料领域龙头企业有何最新布局?各大院校和研究机构的技术研究有哪些突破性进展?新材料在线®对此进行了盘点,以飨读者。 以下以新闻发布时间为倒序,不分先后。 1. 美国联邦航空管理局出台增材制造路线图 10月23日消息,美国联邦航空管理局于9月底提交审查文件,制定了“增材制造战略路线图”草案,路线图包含重要的监管信息,涵盖认证、机器和维护、研究和开发的问题和考虑,以及对增材制造方面教育和培训的双重努力需求。该路线图综合了多方面的贡献,包括美国航空航天局,航空航天工业协会的增材制造工作组和美国军队,并且受到了2018年政府预算的支持。 2.波音公司60万美元助力飞机“增寿”材料研究 10月10日消息,波音公司向德克萨斯大学阿灵顿分校捐赠60万美元,用于测试复合材料部件。项目领导人UTA机械与航空航天工程教授Andrew Makeev表示,项目结束后,这一波音公司和空军希望了解并信赖的研究将能够用于分析预测复合机体结构的剩余使用寿命。该研究有助于提高航空业的可持续发展,管理以及维护飞机生命周期。此外,该项工作或对飞机设计和认证产生重大影响,利用发展能力预测复合空气强度和耐久性,势必会对行业产生影响。 3.Hexcel公司740万英镑研发用于前沿航空部件的碳纤维织布 9月18日消息,赫氏公司(Hexcel)计划设立一项总投资740万英镑的研发计划,旨在开发航空和汽车复合材料结构部件用碳纤维材料。这项为期四年的多轴向灌注材料(MAXIM)项目致力于研发新型碳纤维织物和树脂,生产出成本更低、生产效率更高的非热压罐成型复合材料部件,替代机翼等复杂的金属结构件。该项目支持新材料开发,使得航空工业复合材料相关技术能够全面满足未来项目对复合材料的大量需求。 4.威格斯公司加入热塑性塑料中心 开展航空航天相关研究 9月7日消息,威格斯公司作为第一级成员加入了荷兰恩斯赫德ThermoPlastic复合材料研究中心(TPRC),并将与波音、达赫、德迪恩航空、TenCate和Vaupell航空公司等其他一级和二级成员共同合作。威格斯航空航天总监蒂姆•赫尔表示,公司将进一步开发混合成型材料和工艺技术,旨在为工程师提供飞机部件设计和制造所需的开发工具。这项技术的改进有助于使之在航空航天供应链中发挥作用。 5.航材院-曼大成立石墨烯航空航天材料联合技术中心正式揭牌 7月10日至12日,中国航发代表团先后到访英国曼彻斯特大学和帝国理工学院,“航材院-曼大石墨烯航空航天材料联合技术中心”“航材院-曼大大学技术中心”和“航材院—帝国理工材料表征、加工及仿真中心”也在英国正式揭牌。联合技术中心的成立为中国航发和两所大学搭建了进一步深化合作、人才培养的平台,有利于中国航发提升基础科研能力,加快培养具有国际化视野的高层次科研人才队伍。 6.赫氏公司为空客H160直升机供应复合材料 6月29日消息,赫氏公司和空客公司在巴黎航展上透露,空客直升机已经要求赫氏公司提供了一系列H160直升机部件的复合材料,包括机身、尾翼和转子叶片。此外,赫氏公司还将为空客中型实用直升机项目提供增强件,预浸料,蜂窝材料和胶黏剂,直升机预计于2019年投入正式运营。 7.索尔维和福克联手开发飞机复合材料 6月29日消息,索尔维和GKN航空福克业务部已形成合作伙伴关系,索尔维将成为福克轻质复合材料的首选供应商。两家公司表示,与传统的金属解决方案相比,热塑性复合材料可以将飞机部件的重量降低25%。索尔维复合材料全球业务部门总裁Carmelo Lo Faro表示,与福克业务部的合作,是索尔维成为向航空、石油、天然气和汽车行业提供热塑性复合材料领先供应商的重要一步。 8.美国空军实验室正开发飞机用液态金属天线技术 6月13消息,美国空军实验室(AFRL)研制了一种内部填充液态金属的通道系统,可以根据所需频率和方向进行重新配置天线,并在70MHz到7GHz的频率范围内间进行了测试,该工作或可精简飞机上的通信设备。目前该研究已完成在实验室的测试和试验,正计划在无人机上进行试验。科学家认为这种液态天线技术可在7-10年内获得应用。 9.中俄联合研制新一代远程宽体飞机C929 复合材料比重或超50% 5月22日,中国商飞与俄罗斯联合航空制造集团的合资企业——中俄国际商用飞机有限责任公司在上海成立,该合资公司主要负责中俄联合研制新一代远程宽体飞机C929项目的运行工作。据俄罗斯联合航空制造集团总裁斯柳萨里介绍,C929飞机的复合材料比重将超过50%。复合材料的产能方面,预计将以俄方为主,也可能应用部分中国研制生产的。 10.俄罗斯研制出耐高温超硬的复合材料 能大幅减轻飞机重量 5月12日消息,莫斯科大学的物理学家们合成出一种新型聚合物复合材料,强度远超航空铝钛合金,为建造超轻型飞机和卫星提供可能。科学家通过两个简单环节利用不饱和炔烃、氮化合物和苯,制备出呈橙色状复合新型聚合物基体。含有这些成分制备出的聚合物超级坚固,并能承受约400摄氏度的加热温度,保持结构稳定不变形。据了解,莫斯科大学实验室合成的数批材料试样,已交由巴拉诺夫中央航空发动机研究院和喀山图波列夫国家研究型技术大学等机构进行测试。 11.欧盟成功研制航天专用特种碳纤维及预浸料 5月5日消息,由来自葡萄牙(协调国)、西班牙和爱尔兰的科研团队合作完成的EUCARBON项目,成功建立欧洲第一条面向卫星等航天领域用特种碳纤维生产线,从而有望使欧洲摆脱对该产品的进口依赖,确保材料供应安全。EUCARBON项目于2011年11月启动,致力于提升欧洲在航天用碳纤维及预浸料方面的制造能力。项目历时4年,总投入320万欧元。除了航天领域,项目也在积极发掘特种碳纤维在汽车工业和能源领域应用的潜力。 12.先进材料助力 国产大飞机C919首飞成功 5月5日, 国产大型客机C919在上海浦东机场成功完成首飞任务。C919大型客机的研制,实现了以第三代铝锂合金、复合材料为代表的先进材料首次在国产民机上大规模应用,总占比达到C919飞机结构重量的26.2%。C919在机体选材上开创了两个全国首次,一是先进铝锂合金的应用,一是复合材料应用范围从方向舵等次承力结构到平尾等主承力结构,国内首次在民用飞机的主承力结构、高温区、增压区使用复合材料。 13.汉高胶粘剂技术业务部门西班牙建新航空航天生产线 4月18日消息, 汉高公司胶粘剂技术业务部门已开始在西班牙Montornès地区建造新航空航天应用生产线。新生产线将满足轻量化和自动化等日益增长的全球航空航天工业需求。该生产线将包括新的厂房和设备,以增加生产和仓储能力。第一批产品预计将于2019年交付。通过Montornès的新工厂,汉高粘合技术公司将利用汽车行业的丰富经验,高品质产品和创新能力,进一步支持客户的需要和对成本的控制。 14.商业航空生产商Diehl Aircabin与德国代傲航空Diab签署长期供应协议 3月28日消息,商业航空的客舱内饰生产商Diehl Aircabin与代傲航空Diab签署了长期协议,将为其供应Divinycell F和其他用于客舱内部应用的结构泡沫芯材料。与Nomex蜂窝解决方案相比,使用Divinycell F可以节省高达20%的重量,显著地降低了成本。且Divinycell F生产线拥有业界最短交货时间和最高生产能力。 15.明日宇航入股鲁晨新材达成战略合作 开拓航空航天领域高端复合材料的应用 1月25日消息,成都鲁晨新材料科技有限公司与四川明日宇航工业有限责任公司成功结为战略合作伙伴,共同进军航空航天高端复合材料制造领域。鲁晨新材始终致力于碳纤维、芳纶等高性能复合纤维材料的研发与应用。而明日宇航是目前是中国最大的飞机结构件民营配套基地,以飞机结构件减重技术的开发和服务为技术主线,与鲁晨新材高性能复合纤维材料在航空航天领域“质量轻、强度高”的应用,将形成珠联璧合。