观点·没有国产碳纤维复合材料，总是一个心病

本文摘要：（由ai生成）

碳纤维复合材料作为先进材料，在航空、航天领域广泛应用。其发展经历了从短纤维增强塑料到高强度碳纤维与增韧树脂组合的先进复合材料。碳纤维与树脂的结合技术，尤其是浆料技术，对材料性能至关重要。复合材料公司通过整合碳纤维与树脂研发，提供稳定性能的复合材料，满足民机适航要求，推动碳纤维复合材料在民机上的广泛应用。

复合材料是一个既古老又十分宽泛的材料。目前人们最关注的是，能够代替金属材料制造结构件的，树脂基碳纤维复合材料。早期，西方称这种材料为碳纤维增强塑料（树脂）,英文Carbon-fibrereinforcedplastic (resin) – CFRP。其中碳纤维多是短切纤维，纤维含量一般不超过30%。材料中以塑料为主，是基础材料。用这种材料加工零件，仍然使用普通塑料加工工艺。制成的零件外观与普通塑料零件差别不大。这一时期，碳纤维隶属纺织行业。塑料是化工行业的产品。

随着制造碳纤维技术长足地进步，中模量碳纤维的强度，如东丽T800的拉伸强度达到5490Mpa(7075高强度铝合金的拉伸强度510Mpa)，长度可达5700公尺。此时它用作增强体，多是碳纤维的纺织物，如纱线、布、带。相配合的树脂，又多用热固性树脂：

Phenolics  (PH)    酚醛树脂

Epoxies (EP)    环氧树脂

Bismaleimides(BMI)    双马来酰亚胺（简称双马树脂）

Cyanateesters  (CE)    氰酸酯

Polyimides   (PI)    聚酰亚胺

航空、航天结构件使用的复合材料，其中90%基础树脂是双酚A缩水甘油醚的环氧树脂。基础树脂中要加入固化剂、增塑剂和一些功能材料，组成基材树脂（matrix）。中模量、高强度碳纤维与增韧环氧树脂基材（matrix）组合的复合材料，就是现在的“先进碳纤维复合材料”。先进碳纤维复合材料与早期复合材料，最大的区别是，作为增强体的碳纤维的含量达65%。而作为基体的基材树脂（matrix），反到只有35%。而且，先进碳纤维复合材料可以用来制造民机身和机翼。

“贵族材料”碳纤维，最初用于军工产品。军工企业根据自己产品的性能和制造工艺，研发基材树脂（matrix），然后选配碳纤维。至今，我国一直沿用这种生产组织模式。如，中航工业有自己的，能力很强的基材树脂（matrix）研发、制造单位。几家飞机制造公司也有类似的小型研发机构（中航工业的产品主要是军机）。

随着先进复合材料在民机上大量应用，特别是主要受力结构，如机翼、机身使用复合材料。人们对树脂基碳纤维复合材料，进行了深入地研究。对碳纤维、基材树脂（matrix）和这二者的结合，揭示出一系列真谛。把它的优越性能用到极致，同时克服了一些不足之处。这其中最具影响的是，碳纤维与基材树脂（matrix）的结合，实际上是碳纤维表面的浆料与基材树脂（matrix）的结合。

目前，先进复合材料中的碳纤维,它是由原絲或叫前体的聚丙稀腈(PAN)，经氧化、碳化得到的含碳量达95%以上，直径5-7微米的黑色长纤维。制造的最后工序是对纤维进行表面处理并上浆,使纤维表面附着一层浆料,保护纤维。浆料多是溶于水的树脂。所有生产商使用自己合成的原丝。并开发自己的浆料技术，将其应用于纤维，以满足最适合目标应用的需要。原丝、氧化、碳化、浆料都是各制造商的商业秘密。其中浆料技术最为神秘。2013年11月在工信部化工处召集的一次小会上，有人介绍说，东丽研发的浆料有上千种。

碳纤维与基材树脂（matrix）结合的程度，是影响复合材料最终性能的关键因素之一。为了确保复合材料的性能稳定一致和减少研发过程中的变数。一些碳纤维制造企业，顺理成章地将基材树脂（matrix）的研发与浆料的研发结合在一起，共同研发。这种将隶属纺织行业的碳纤维生产企业与隶属化工行业的基材树脂（matrix）结合生产的组织形式，就是现在的复合材料公司或者叫工程材料公司。如，东丽复合材料（美国）公司、氰特工程材料公司、赫氏材料公司。

复合材料公司(或工程材料公司)不仅提供碳纤维纺织物,同时还提供配套的基材树脂(matrix)和预浸料（半固化片）。特别针对新民机具体结构件的特点和工艺方法，研发基材树脂（matrix）和碳纤维织物。材料的研发是和民机适航认证同步进行。这种合作模式减少了飞机制造公司和材料公司对新材料的验证工作。波音777尾翼所用的T800H/3900-2复合材料，就是东丽用这种模式研发的。东丽为了紧密配合777复合材料尾翼的研制工作，还特地将工厂建在尾翼研制工厂（Frederikson）的马路对面。

至今，树脂基碳纤维复合材料在民机上的用量，达到了50-53%。波音787被誉为“塑料飞机”。这一路走来，给我们一个重要启示，碳纤维和基材树脂（matrix），变数极大。早期由航空工业自己研发基材树脂（matrix），再外购、选配碳纤维的生产模式，尽管也能提供复合材料，但不能保证材料性能稳定一致。这样的复合材料不能取得适航认证，不能用民机。文章标题中“没有国产碳纤维复合材料”就是指的没有取得适航认证的碳纤维复合材料。

长期以来主流技术部门谈起先进材料, 都用“ 碳纤维及复合材料 ”一词（最近多用“碳纤维及其复合材料”）。这种提法突出了碳纤维，不提基材树脂。实际是把复合材料放在在次要位置。《勿让“碳纤维强国”成为空谈》一文中，更加突出了这种思维。受这种观点的影响，致使国家制定发展政策也偏向碳纤维。在政策的引导下，国内制造碳纤维的企业疯张。至今，我国没有一家能够生产用于民机的“树脂基碳纤维复合材料 ”的企业。

没有国产树脂基碳纤维复合材料，要研发出先进民机，制约的因素很多，存在着较大的风险。治愈这个“心病”的良方是，国家选择至少两家碳纤维生产企业，增加基材树脂的研发、生产业务，成为名副其实的复合材料公司。公司的研发、生产项目要配合商飞的需求，开展工作,这其中就包括材料的适航认证工作。新成立的复合材料公司,除了生产民机用的材料外,还要研发、生产航天、汽车、风电叶片等行业所用的树脂基碳纤维复合材料。一旦这个目标实现了，原来仅生产碳纤维的企业，再也不愁碳纤维会滑落到“白菜价”。药方虽好，还需要动用“集中力量办大事”的优势，才能尽快治愈这个心病。

                                   杨超凡

2019.6.2

作者简介：杨超凡，飞机制造高级专家，近年专攻民机复合材料。原航空工业部首批研究员级高级工程师，享受国务院特殊津贴。

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