重磅·我国民机缺国产复合材料

本文是杨超凡研究员原创于2019年2月15日，已获授权发布。

现代民机机体使用复合材料用量，是衡量先进与否的标誌之一。这里的复合材料，主要是树脂基碳纤维复合材料。这种材料能够代替金属制造受力结构件。

树脂基碳纤维复合材料，由两部分组成。一是基材树脂。基材树脂使用较多的是环氧树脂加固化剂和增塑剂，以及其它功能材料，组成的高分子混合物。制造不同的零件、用不同的工艺方法，基材的配方大不一样。二是增强体，碳纤维。这里用的碳纤维属高强度、中模量。强度、模量达到东丽T800的数量级。它是由原丝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，长度达5700公尺左右的黑色长纤维。

用这种复合材料制造的结构件，增强体碳纤维主要承受外力。而模量高、强度低的基材树脂固定纤维、维持形状，转递外力。这种优势互补、强弱搭配、得益相彰的组合，能满足民机受力结构件的要求。

制造碳纤维最后两道工序是，表面处理和上浆。浆料是多种化学物质的混合物，通常(但不一定)在水中稀释，纤维生产商用它来涂(“sizing”)他们的纤维。在许多情况下，浆料可以被看作是纤维穿在身上的“外套”，将一个生产商提供的纤维与另一个生产商提供的纤维区分开来。所有生产商都开发自己的浆料技术，并将其应用于纤维，以满足最适合目标应用的需要。以下是东丽牌号碳纤维命名规则。规则中明确表示出，上浆剂的用量以及上浆剂的类型。

树脂基碳纤维复合材料断裂韧性受以下机理控制：

• 碳纤维与树脂基体之间脱粘；

• 纤维拉拔；

• 碳纤维片材之间分层。

碳纤维与基材树脂的结合，实际上是碳纤维表面的浆料(上浆剂)与基材树脂的结合。因此，浆料的选择、浆料的用量至关重要。它在一定程度上影响复合材料的性能。

最初，西方国家碳纤维和基材树脂，分属纺织和化工行业。随着航空航天使用复合材料的应用实践和深入研究，在上述认识的促使下，出现了一个新的行业—复合材料公司（或者叫工程材料公司）。如，在美国塔科马的东丽（Toray）复合材料公司；氰特（Cytec）工程材料公司(注1.)以及赫氏（Hexcel）公司。这三家公司共同特点是,都能工业化生产自己品牌的碳纤维和纺织物。三家都有与碳纤维配套的自己品牌的基材树脂。特别是这三家公司供应民机用的材料，都通过了适航认证。

我国目前有较多的碳纤维生产企业，但没有一家复合材料公司。也就是没有一家公司，既生产碳纤维又能生产与它配套的基材树脂。航天和军机虽然早以使用上树脂基碳纤维复合材料，其中基材树脂是各自研发的，而碳纤维是通过各种渠道选配的。这种做法不适合民机，材料也不能通过适航认证。

随着技术进步，西方复合材料公司不完全是向用户，分开提供碳纤维和基材树脂，而是将基材树脂事先浸渍到碳纤维织物中，制成预浸料提供给制造零件的用户。波音787和空客A350机身、机翼均使用预浸料。特别是机身使用的预浸料，它的碳纤维不是一般的纺织物，而是一种叫slit tape的带子（slit tape我译成“碳纤维无捻纱带”）。预浸基材树脂的slit tape应用前景广阔。空客A350-1000机翼、波音777X的机翼梁和蒙皮都用这种材料。波音777X机翼蒙皮用的带子，宽度达38.1毫米。未来中型宽体客机波音NMA（波音797），复合材料机翼也用这种预浸料带子制造。但带子的铺放方式又进入一个新的与空气动力有关的高新技术领域（用Tow-steered方式铺放纤维带，制造变刚度翼盒）。

我国没有碳纤维复合材料企业，也就没有国产复合材料(工业化的商品)。ARJ21、C919不得不购买国外的复合材料。现CR929也在用国外的复合材料。

为什么会出现这种与国家实力不协调的状况呢?

树脂基碳纤维复合材料，开始主要用于高档体育器材和军品。特别是用于军品的材料和技术，西方对我国严格封锁。国内的目光紧盯着碳纤维的研发和生产，忽视与它配套的基材树脂的研发和生产。直到现在国家有关部委所编发的发展新材料的文件中只有碳纤维，而没有基材树脂。在国家这样的指导方针下，造成了只有蓬勃发展的碳纤维生产企业，而不能生产出树脂基碳纤维复合材料的尴尬困局。

我的建议：

在现有的基础上组建复合材料公司。新公司在研发、生产碳纤维的同时，要有一个从事高分子化学的研发团队，统一研发浆料和基材树脂。新公司正式加入中国商飞成立的“民用飞机材料产业发展联盟”。针对商飞所需要的材料，进行研发、试制，并参与商飞的结构件试验工作。在上述工作进展的同时，申请适航认证。达到生产的复合材料通过适航认证。

一架现代民机，因受力不同、结构形式不同，所使用的复合材料、制造工艺也大不相同。目前，双通道、宽体客机主要受力结构件，如机身蒙皮、机翼翼盒蒙皮、机翼梁，使用预浸热固性树脂的预浸料。在热压罐中高温、高压固化。机身、机翼中的其它复合材料零件，多数使用液体成型工艺，即使用预浸料，大都不需要进热压罐固化。制造这些零件所用的碳纤维织物、基材树脂，由赫氏公司和氰特公司提供。另外，制造零件时还用到辅助材料，如胶膜、金属丝与碳纤维交织布、蒙皮表面保护用的贴膜等。制造一架波音787，得用到东丽、赫氏、氰特三家的碳纤维复合材料。因此，国内得组织2-3家复合材料公司进入中国商飞成立的“民用飞机材料产业发展联盟”。

有了国产树脂基碳纤维复合材料，在国民经济许多部门，都可以打出一片新天地。

注：2015年氰特（Cytec）公司被比利时老牌化学公司苏威（Solvay）收购。但原氰特的产品牌号、名称不变。

来源：碳纤维生产技术