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讨论·民机为何不用国产复合材料?
时间:2019年08月07日 来源:本站原创  作者:佚名 浏览次数:

 

      只有通过适航认证的复合材料,才能用在民机上。这里复合材料是指,树脂基碳纤维复合材料,它能够替代金属制造受力结构件。目前我国在航天、军机、军事装备、汽车、风电叶片等都使用了各自研发的复合材料。这种各自研发,供自己部门使用是早期的生产组织模式。她的特点是,针对自己的需求研发基材树脂,再外购、选配碳纤维。
随着技术进步、认识的深入,民机上所使用的材料要求是工业化的产品,要确保材料的性能稳定、一致、并可追踪。根据这个要求,在国际上应运而生,出现了一些原来仅仅生产碳纤维的企业,结合市场的需求研发、生产与自己的碳纤维配套的基材树脂。这就是现在的少数复合材料公司。  
复合材料公司她们向民机提供的碳纤维(和纺织物)、基材树脂、预浸料,都是经过适航认证的产品。时至今日,我国有较多的制造碳纤维的企业,而没有一家复合材料公司。没有复合材料公司,也就拿不出能够用于民机的复合材料。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地位不协调的状况呢?
      这些年,国内的目光紧盯着碳纤维的研发和生产。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,而少有基材树脂。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,而不能生产出工业化的树脂基碳纤维复合材料的尴尬困局。
      早在2005年底,我就向国家发改委建议:在已有碳纤维企业的基础上,组建复合材料公司(或者叫工程材料公司)。其后这些年一直坚持写建议。在这个过程中,抓住一切能够向上反映问题的渠道,如国务院网站上开辟的“建言献策”、“我向总理说句话”等窗口,提出我的建议。去年(2018)结合国际民机市场动态,基本是每月给国家发改委、国家国资委、工信部、商飞写信。每封信都要提到组建复合材料公司。
这十多年中,有几次有关单位打电话来寒暄几句。2013年11月,工信部当时的苏波副部长,批示化工处召开了一个小会讨论我的建议。参会人员一致认为应该组建复合材料公司。刚开了个头,因人事变化就搁置起来了。去年年底今年年初,收到工信部回信。信中表示要搞国产复合材料。1月16日,商飞成立了“民用飞机材料产业发展联盟”。
至今,组建复合材料公司的组织工作,还没有看到动静。

认知不到位,导致制定政策有误。
       树脂基碳纤维复合材料,开始主要用于军品和高档体育、娱乐器材。特别是用于军品的材料和技术,西方对我国严格封锁。长期以来,人们对复合材料制品有种神秘感。一提起她来总是说,碳纤维的或者碳素的,很少能够提到她其中还有树脂。
      为了打破西方的封锁,20世纪90年代末,材料界的院士向国家建议研发、制造碳纤维复合材料。院士那时就指出:“碳纤维及其复合材料是永恒的不可替代的材料”、“碳纤维是战略性材料”。经过十多年的努力,我国已经有几十家企业制造碳纤维。后来的院士目光仍然盯着碳纤维。他们使用最多的词汇是“碳纤维”。有时也用“碳纤维及其复合材料”。但很少提基材树脂,更不会提到基材树脂如何发展。好像有了碳纤维,自然就会有复合材料。院士对对国内能力不了解,说:“我国复合材料在航空领域的应用已有一定基础,拥有原材料的优势。在树脂基复合材料的两大原材料树脂和纤维中,树脂方面我国与国外差距不大”。就在去年11月,院士还提议把我国建成“碳纤维强国”。
       只重视碳纤维、不提基材树脂工业化的顶级专家观点,再加上商飞在研发C919和CR929,购买了国外材料,无暇顾及国产材料的建设。致使国家历次发展规划中,没有组建复合材料公司的项目。我提出组建复合材料公司的建议,一直被搁置起来了。这一搁置就是十多年!

为何一定要组建复合材料公司?

      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。树脂基碳纤维复合材料断裂韧性受以下机理控制:
Ø  碳纤维与树脂基体之间脱粘;
Ø  纤维拉拔;
Ø  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。
基于上述认识,将分属纺织和化工行业的碳纤维和基材树脂,结合在一块,相辅相成,取长补短,研发、制造。因此,复合材料公司就是顺理成章的选择。复合材料公司生产的碳纤维和与它配套的基材树脂都是工业化的产品。工业化的产品就可以申请适航认证。

组建复合材料公司难在哪里?
      目前国内已有的碳纤维企业还处于发展阶段,没有能力增加基材树脂的研发、生产工作。提供基材树脂的技术,又掌握在航空、航天以及科研、院所和大型企业手中。这些提供基材树脂的单位不可能建工业化的碳纤维生产线。这两方面如何结合不是轻而易举的事情。
     新建的复合材料公司,首要的任务应该是研发、制造民机所用的树脂基碳纤维复合材料。在此同时,针对汽车、风电叶片等复合材料用量较大的产品,研发复合材料。
      民机材料需要通过适航认证。认证工作不仅仅是审查材料本身的制造工艺和产品质量。关键是要结合相应的飞机结构,做试验件,有的还是1:1的试验件,进行验证。这项工作没有商飞的配合,很难进行。整个适航认证工作时间长,要投入巨大的人力、物力和财力。单靠新公司,一般承受不起。研发能通过适航认证的基材树脂,是“长、弯、慢”项目。
      新材料通过适航认证后,商飞的民机用量有限。复合材料公司在相当长的时间里不能盈利。
基材树脂是一种特殊的化工产品。不同用途、不同的结构件、不同的制造工艺,就得用不同的基材树脂。一架复合材料用量50%左右的民机,至少得用3-4种基材树脂。另外,在研发基材树脂的同时,还得研发相应的辅助材料。
       基材树脂和浆料是高分子化学行业中,极度专业的产品。国内从事这方面人才不多。如何在短时间内,聚集一定数量的研发人员,企业有难度。

如何组建复合材料公司?

    
目前国际上几家复合材料公司,都是在原有的碳纤维生产企业和化学公司,经多次收购、兼并的结果。最近的案例是,2015年7月比利时老牌化学公司苏威(Solavy),重金收购了供应民机复合材料的氰特(Cytec)公司。2013年9月东丽复合材料公司收购了,全球第三大碳纤维制造公司 – 卓尔泰克(Zoltek)。鉴于国内的企业模式,不可能采用上述用资金收购、兼并,重建复合材料公司。我的建议:

1.正确认识,碳纤维和碳纤维复合材料有关系,但在材料工业领域确是两个分支。制造结构件使用最多的是碳纤维复合材料,而不是碳纤维。

2.国家制定的发展规划中,要有碳纤维复合材料项目。目前突出树脂基碳纤维复合材料。

3.大力普及正确的碳纤维复合材料知识。让更多的人们认识到碳纤维和碳纤维复合材料,在国防、国民经济中的重要作用。

4.在现有的碳纤维制造企业中遴选2-3家企业,增加基材树脂和浆料(上浆剂)的研发、生产工作,组成复合材料公司。

5.国家设立专项资金,用于建设2-3家新建复合材料公司。并支持新公司最初一段时间的生产经营活动。

6.国家给以专业人员聚集的优惠政策。

7.新公司的民机复合材料项目,纳入中国商飞“民用飞机材料产业发展联盟”。由商飞牵头制定国产民机复合材料研发规划。

结束语:

碳纤维不等于碳纤维复合材料。没有工业化的碳纤维复合材料,难成为制造强国。世上的事,不怕慢就怕站。
杨超凡  2019.8

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。

注:本文由杨超凡研究员创作,如需转载请注明作者及出处。

文章链接:

杨超凡·研究员独家解读民机及民机用碳纤维复合材料


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