纪念师昌绪系列文章丨师老与国产碳纤维的航空应用

摘要

中国航空工业集团沈阳飞机设计研究所的章怡宁和朱珊团队在国产碳纤维航空应用上取得显著成果。他们历经5年半，完成国产碳纤维性能评定和应用验证，实现自主保障高性能碳纤维，替代进口T300碳纤维。碳纤维复合材料在航空领域应用广泛，西方国家对此技术封锁。师老推动相关国家计划，促进产业化生产。团队建立考核体系，解决工艺问题，提高产品质量。师老关注耐高温上浆剂研发，已成功应用。师老的奉献精神和科学态度对后辈影响深远，其在国产碳纤维研发中扮演重要角色。

正文

师老与国产碳纤维的航空应用
章怡宁 朱珊

在总装、空装和中航工业公司领导下，由中航工业沈阳所牵头，联合沈飞、制造所、航材院、强度所，拓展纤维公司、北京航空航天大学、复旦大学、中科院化学所等九个单位,组成了跨领域、多学科交叉的产学研联合攻关团队，历经5年半，圆满完成了国产碳纤维航空应用技术研究和工程化验证工作。通过国产碳纤维性能评定、国产碳纤维及其复合材料体系等同性评定、国产碳纤维复合材料结构元件/典型件/组合件/全尺寸部件的试验验证，充分表明国产碳纤维性能已达到国外同类产品水平，并替代T300碳纤维，在多个航空装备上进行了应用，实现了高性能碳纤维的自主保障。

五年多来，师老一直密切关注国产高性能碳纤维的生产与产品质量稳定、支持国产耐热上浆剂的研发、关注国产高性能碳纤维应用验证的进展以及装机应用。

2011年6月21日，师老(前排右2)、李明院士(前排右3)和甘晓华院士(前排右1)参加“国产碳纤维应用研究和工程化验证”项目鉴定审查会，师老任审查组副组长

一

碳纤维复合材料具有比强度高、比刚度高、铺层可设计性、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、尺寸稳定性好以及便于大面积整体成形等特点，在航空领域得到广泛应用，成为飞机机体四大结构材料之一(铝合金、钛合金、合金钢与复合材料)。多年来，日本等西方国家一直对高性能碳纤维产品的出口进行限制，并对高性能碳纤维技术进行严密的技术封锁。虽然国内多次组织攻关，但由于高性能碳纤维技术难度大，久攻不克，产品始终不能自给,全部依赖非正常渠道进口，导致航空用碳纤维陷入受制于人的被动局面。

2000年，师老了解到国产碳纤维尚未过关，以他前瞻性的战略眼光，认为碳纤维是航空航天装备不可或缺的关键材料，如果这个问题不解决，会严重影响国防建设，是我国材料科学工作者的耻辱。“十五”期间，师老敏锐地把握了时机，与有关专家共同呼吁，促成了国家863计划“高性能碳纤维关键技术专题”的设立，以实现批量生产高性能碳纤维为目的，自力更生发展我国的碳纤维事业。通过“随机取样、统一测试、数据公开、优胜劣汰”，积极支持碳纤维性能稳定、且形成批量生产的民企-威海拓展公司进入国防关键材料系统。

经过5年的奋力攻关，国家863计划专题突破了高性能碳纤维技术关键，纤维性能达到了指标要求，并实现了碳纤维小规模稳定生产，为国产碳纤维的产业化生产奠定了扎实基础。因此，当2006年全球碳纤维供货危机来临之际，我们为解决国内航空装备用高性能碳纤维进行调研时，师老推荐了威海拓展公司，从而保证了国产高性能碳纤维航空应用技术研究和工程化验证以及装机应用的进行，为国产碳纤维自主保障能力建设奠定了基础。

目前，国产高强型碳纤维已替代T300碳纤维，在多个航空装备上得到应用;高强型碳纤维也实现了中试规模生产，正在进行应用验证;高强中模型碳纤维技术关键已突破，正在进行性能评定。

2011年12月27日，师老(前排右3)、甘晓华院士(前排右1)和总装科技委张耀(前排右2)参加国产高性能碳纤维项目科技成果鉴定会，师老任鉴定委员会主任

二

作为中国材料科学界的泰斗和两院院士，师老根据新材料研发和航空应用的经验体会，一再强调要重视国产碳纤维在航空装备上的应用研究，要根据实际应用的需求，合理提出产品性能指标，不要盲目追求高指标。只有通过应用发现问题，不断改进，逐步提高和稳定质量。

遵照师老的教诲，我们根据航空型号的使用特点，创建了考核评定国产碳纤维性能的指标体系，分别从纤维、预浸料和复合材料三个层面对碳纤维性能、特别是纤维的界面特性和工艺性能进行全面考核。实践表明，我们合理提出的指标体系对于控制纤维产品质量、加快其应用进程、降低研制风险起到了十分重要的作用。在此基础上，编制了三项集团公司标准，分别规范了航空用碳纤维及其织物鉴定、航空用碳纤维预浸料鉴定和航空用树脂基碳纤维复合材料等同性评定的程序。

我们制定了循序渐进的应用研究技术方案，首先开展并通过国产碳纤维及其复合材料体系的性能评定，然后进行并通过结构元件/典型件/组合件/全尺寸部件的验证试验，转入批量装机应用考核。在国产碳纤维及其复合材料体系的等同性评定以及验证试验过程中，发现了诸如碳纤维工艺适应性差(断丝与起毛现象多、纤维展开性差)、耐湿热性能低、纤维力学性能指标不匹配、上浆剂耐热性能低、离散性大等问题。通过问题反馈、分析研究、组织攻关，及时解决了问题，使国产碳纤维的性能不断改善、产品质量和批产稳定性逐步提升。现今，国产碳纤维拉伸强度的离散系数(Cv)已由初期的8%降低到5%以下，拉伸模量的离散系数也由初期的5%降低到3%以下，达到国外同级产品水平，保证了航空应用的安全性和可靠性。

2008年12月15日，师老(前排右2)与李明院士(前排右3)参加“国产碳纤维应用研究和工程化验证”项目装机评审会，师老任评审组副组长

三

师老是高温合金材料的大师，一直从事金属材料研究，年届80岁时才涉及有机高分子材料领域的碳纤维专业知识，仍然虚心学习。给我们后辈留下了深刻影响。

上浆剂是碳纤维碳化过程中表面处理后在其表面涂覆的有机高分子材料，对碳纤维起粘合(集束纤维，改善工艺性)、润滑(降低摩擦，减少纤维损伤)、润湿(利于树脂浸渍)和偶联(改善纤维与树脂的界面特性)等作用。上浆剂的热分解温度应与树脂的固化温度相匹配，否则影响复合材料的耐湿热性能和制件质量。通过验证试验，我们对上浆剂的作用有了新的认知。提出了研制耐高温上浆剂的建议，虽然业内对此有些不同的看法，但师老认真听取了我们的分析后表示认同和支持，并关注上浆剂的研制进展和应用情况。

2010年11月4日，师老(前排右2)与李明院士(前排右3)参加“N-106耐热上浆剂材料研制及装机评审会”，师老任评审组组长

联合攻关团队的精诚合作，通过多轮次配方改进、碳纤维生产线上涂覆工艺试验、预浸料制备工艺适应性试验、复合材料关键性能评定和结构件试验验证，在不到两年时间内，完成了耐高温上浆剂的研制和验证。2010年11月4日，中航工业科技与信息化部在北京主持召开了“N-106耐热上浆剂材料研制及装机评审会”，师老参加并担任评审组组长。该上浆剂现已批量应用。

回首往事，国产高性能碳纤维自主保障能力的实现以及在航空装备上的应用，与师老对高性能碳纤维研发和应用高瞻远瞩的推动、坚定不懈的支持作用是分不开的。在与师老的接触中，我们深深感受到了老一辈科学家一心为国家、为事业的奉献精神，严谨求实的科学态度，不计较个人得失的的崇高品德，永远值得我们敬仰和学习。

本文原载于《师昌绪院士战略思维与实践足迹》。