陈绍杰:我国先进复合材料产事业的发展

2017-01-24  来源:复材在线 浏览次数:10655 收藏  |  分享

摘要:本文介绍了先进复合材料发展应用的趋势,其主要包括了航空的飞机领域、民用领域和碳纤维方面的情况,指出了当前我国的发展应用的要点、差距和问题,最后结合我国的具体情况提出了相关的发展建议。关键词:先进复合材料 产事业 发...
摘要:本文介绍了先进复合材料发展应用的趋势,其主要包括了航空的飞机领域、民用领域和碳纤维方面的情况,指出了当前我国的发展应用的要点、差距和问题,最后结合我国的具体情况提出了相关的发展建议。
关键词:先进复合材料 产事业 发展和应用

从世界范围看,复合材料特别是先进复合材料遇到了前所未有发展机遇。这是由几个重要因素决定的:1)能源短缺、燃料持续涨价,减少有害污染和排放,环保要求越来越高,于是发展高性能结构材料,减轻结构重量成为至关重要的问题;2)先进复合材料自身的优点、特点越来越被人们认识和发掘,如优异的比强度、比刚度高带来的大幅度结构减重,高耐腐蚀性,良好的疲劳耐久性以及可以大规模整体成型等;3)以碳纤维复合材料为代表的先进复合材料自诞生40多年来技术发展日益成熟和进步,特别是各种低成本制造技术的出现,为扩大应用提供了前提条件;4)各种原材料,如钢、铝、钛等近年来均在大幅涨价,唯有先进复合材料总趋势是在不断降价,使其应用更具有了竞争性。

在当前世界经济普遍低迷和不景气的情况下,唯有复合材料呈现了一个蓬勃发展的态势,据估计未来5年内先进复合材料将有每年5%的递增率,而碳纤维产需量每年将有10%左右的递增率,亚太地区将会有更高的增长率,即在世界上先进复合材料业已开创了前所未有的发展空间和机遇。

我国先进复合材料事业的发展水平要快于世界的平均水平。国家认定“材料工业是国民经济的基础产业,新材料是材料工业的先导,是重要的战略性新兴产业。”于是国家于2012年颁发了《新材料产业“十二五”发展规划》,明确了新材料是国家七大新兴战略产业之一,其重点是新型功能材料,高性能结构材料和先进复合材料。内中对碳纤维及其复合材料提出了明确的发展规划和目标要求。在国家的高度重视和相关业界普遍的觉醒下,我国的先进复合材料产事业正呈现一种蓬勃发展的态势。本文将对有关情况做较详细的介绍和分析。同时也会指出我们存在的某些差距、问题和不足,并提出某些有益的发展建议,与国内诸同仁共勉。

一、航空应用发展现状

先进复合材料的发展应用国际上历来分为三大领域:即航空航天、体育休闲和工业领域,我多年来的研究亦遵从此种表述。其中航空航天是最早实现规模化的应用领域之一,因先进复合材料问世之初价格昂贵,别处用不起,所以其应用几乎占了70%以上份额。

以航空领域而言在先进复合材料问世之初即首先用在主要强调作战性能的军机上,自上世纪70年代初始由尾翼到机翼到机身,从次承力件到主承力件,现在一般用量可达50%(系指复合材料占全机结构重量的百分比,下同)。民用飞机紧随其后,目前用量也达到了50%以上,如典型的B787为50%,A350达52%;各种军民用直升机上的用量超过正常翼飞机达到80%左右;各种现代无人机上的用量超过有人机达到90%左右;大多数广有前途的通用飞机用量亦可达90%以上;至于为某一特种目的而研制的特种飞机几乎无一例外的都是全复合材料飞机;先进航空发动机用各种复合材料用量亦可高达15%~20%。我们要有一个概念,因复合材料的密度只有1.6g/cm3,应用量达50%以上,则全机结构必将大部分由复合材料制成。要之,以世界而言,历经40多年的应用发展目前飞机结构已基本实现了“复合材料化”,所谓“化”者乃彻头彻尾、彻里彻外之谓也。现在世界上已达成共识——复合材料是航空航天结构的未来。

下面关键是要看看我们国内的情况及存在的问题和差距。国内研究发展起步并不晚,大约也在上世纪六十年代末七十年代初,以笔者而言即在1970年作为飞机设计人员首先进入该技术领域。当时国内先进行了歼-8和强-5的尾翼、前机身应用研究,1995年研制成功歼-8Ⅱ带整体油箱的复合材料机翼,至今已安全飞行17年。此后进入正式应用,新设计的军机上都采用了复合材料,10号战机6%,11号战机9%,一般用量不超过10%。但最新研制成功的我国四代战机J-20上复合材料的应用有了突破,达20%左右,目标用量会增至29%左右,量上可超过美国F-22水平。直升机上用量会大一些,直9、直10等用量在35%以上,新研制的专用武装直升机目标用量会达到50%左右,位于珠海的“通用飞机有限责任公司”最新引进的4款通用飞机基本上都是全复合材料飞机,现在倍受国人观注的有几个大型军民用飞机项目,其上复合材料的技术和应用无疑都是其关键技术之一,据知上海大型客机C919复合材料上到尾翼一级部件,包括中央翼、后承压框等用量在15%左右,珠海通飞的“蛟龙600”大型灭火/水上救援水陆两栖飞机用量则不到10%。

经40多年来的研究发展我国的航空复合材料产事业也取得了相当的成果和进步,达到了一定的规模和水平。国内目前已形成了一支从设计、材料到制造配套的研发队伍,各大主机厂均已建起了复合材料的生产厂和车间,研究院所和相关高校具备了一定的研究力量并培养了一批相关的专业人才。复合材料在各种军、民机型号上已获得了正式应用,并有一批软硬件成果问世,这一切均应予以充分肯定。

国内的航空复合材料技术虽有一定的发展和进步,但与国外的先进水平相比尚存在着许多问题和相当的差距。以飞机结构用复合材料技术而言,我们应用的规模与水平、设计的理念和方法、材料的基础和配套、制造的工艺和设备均严重落后,落后是全方位的,差距甚至有越来越大的趋势!其中应用的落后是根本的落后,带有标志性的落后。如世界上的先进军机自1983年美国的F-18复合材料机翼装机始,基本就没有金属机翼了,我们至J-20才有了批生产的复合材料机翼。现世界上的大飞机如B-2、B787、A350、A400M都采用了复合材料机翼,机身也大量采用了复合材料,而我们在研的几个大飞机,没有一个敢上机翼的。国外军民机复合材料用量普遍达到或接近50%,而我们只在10%~20%之间徘徊,差距不是明显可见吗?应用是龙头,应用是硬道理,应用上不去很多具体技术一定上不去。

现代复合材料技术中至为关键的是制造技术,在该领域中我们也落后较多。现在飞机复合材料结构制造以自动铺带(ATL)和自动铺丝(AFP)为核心已实现了大规模机械化和自动化,再不是手工铺层和制造了。美国自上世纪70年代中期由波音飞机公司牵头发展该项技术,1983年投入工程应用,至今已近30年,仅波音从辛辛那提采购自动铺带机就多达近30台。更为先进的自动铺丝机自1990年进入工程应用已20多年,最近空客为生产A350的制件,一次就从美国采购了6台最新式的VIPER6000自动铺丝系统。我国前几年才有哈飞从西班牙引进了第一个自动铺带机,现已安装调试完毕,进入使用。此后北京航空制造工程研究所与法国Forest-Line合作研制了一台更为先进的自动铺带机,并投入使用。现各大主机厂,如上飞等均在计划引进自动铺带机。但自动铺丝机国内尚一台也没有,国际上对华尚有一定封锁。终于是觉悟了,但已晚了30年。

再如低成本复合材料技术。复合材料毕竟成本较高,特别是制造成本较高。为增加其与金属材料的竞争力,为扩大应用起见,必须大力降低成本。为此美国防部联合工业界早于1996年发起并执行一个低成本复合材料计划,CAI(Composites Affordbility Initiative),前后共执行10年。近年来他们作总结认为取得了重大成果,其成果已有效地用在了F-35和B787等机种的研制上。低成本技术应包括低成本的设计技术,低成本的材料技术,低成本的制造技术,特别是制造技术,因其大约占了总成本近80%的份额。欧洲的低成本计划则有著名的TANGO、ASK计划等,不拟详述。总之西方国家对此给予了相当大的关注,具体执行,努力实现,已有了较多的应用成果。比较而言我们国内至今没有系统的低成本计划的制定和执行,致使航空复合材料产品价格居高不下,极大的限制甚至扼杀了应用的发展。复合材料制件的成本是按公斤计的,因构件的不同准确的给出正式价格很难,只能给个概念。飞机结构件一般600~1500美元/公斤,约为4000~10000元人民币/公斤,而我们的一般为1~1.5万元人民币/公斤,甚至高达2万元/公斤,军机研制军方受不了,民机研制亦觉成本太高,一再要求少用。成本问题极大地制约了应用的发展,成本降不下来,应用上得去吗?

复合材料技术发展日新月异,新材料、新工艺、新方法、新理论层出不穷,已经给现代飞机结构设计和制造带来了巨大而深刻的变革,且这场变革还在加深。如用于金属的车铣刨磨锻铸焊等工艺复合材料已基本不用,钣金成型、传统的机加工艺甚至程控、数控机床、大型压机等亦将弃用,以铆、螺等为主的机械连接亦在大量减少。这一切空前的改变了航空制造业的传统,固有的方法和设备可能已过时或将遭遗弃,航空产业链正面临着重大的重组进程。能否适应这一重大变革,必将影响和决定一个国家航空制造业的成败兴衰,对比如果没有清醒的认识,落后将是长期的,不可避免的。适应这种形势西方在投巨资进行大规模的技术改造,由原来生产金属飞机零件向生产复合材料零件转进。如英国最近启动NGCW(Next generation composite wing)计划,投资1.03亿欧元(约10亿人民币)组合16个工业组织和研究机构发展复合材料机翼设计和制造技术,特别是高效低成本的制造技术。空客最近投资3.6亿欧元(约30多亿人民币)在德国建25000m2新厂房生产A350机身件,已建成投产。英国首相卡梅伦2011年底公布空客将投4亿英镑(约40亿人民币)在威尔士建新厂,生产A350机翼等复合材料制件,英计划要投30多亿英镑用于航空航天复合材料项目,投资之巨令人瞠目,我们难以望其项背。反观我们的大飞机机翼上不去,原因不是不言自明吗?

上面的简述只是列出了我们落后的几个方面、事实和其程度,关键是要从中发现问题看到差距,找出原因,认清方向。说到原因可能是多方面的。首先是我们,特别是高层的技术领导,有决策权的领导长期以来没有充分看到世界上业已存在的飞机结构复合材料化的大趋势,思想认识和理念上严重落后。如我们在研的新支线客机ARJ-21,其上复合材料用量不足2%,微乎其微,几个在研的大飞机上不到机翼一级部件,更不用说机身,用量突不破20%的大关。各机种的总师系统普遍认为复合材料上多了风险太大,技术基础不到位,推动起来相当困难。其次是我们国内在该技术领域缺乏战略上总体上的长远规划,没有一个好的顶层设计,投资又严重不足,缺乏长远发展与竞争的意识。还有就是我们的基础研究薄弱,预研不踏实,技术上落后,导致许多工程实践的关键问题未获或未得到很好解决,应用效益不足,麻烦不少,普遍存在“不敢用、不爱用、不好用”的现象,实质是“不会用”,说明预研远没给应用提供必要的技术支撑。

我国航空工业在这一技术领域面临着极为严峻的挑战!

二、民用发展近况

我曾不止一次听到我国材料界的泰斗、两院院士师昌绪师老讲:“复合材料是一个无所不为的材料”。国际著名复合材料组织JEC主席、首席执行官Mutel今年也讲Composites can be found in almost product imaginable.

复合材料技术是典型的军民两用技术、军民兼容技术,近年来其向多元化、多种经营方向发展的趋势十分明显,除有以航空航天为核心的国防军工应用外还有大量的民用,且民用规模远大于军用。体育休闲用品和工业领域的应用即属于民用。下面分别予以论述和介绍。

1、体育休闲用品

这是一个开发较早,现仍有较多需求的应用领域,但现已有渐趋饱和且份额下滑的态势。主要产品可有各种球拍,如高尔夫球杆、网球拍、曲棍球杆、羽毛球拍等 。如高尔夫球拍基本已“碳化”,可年产4000万只;钓鱼竿,可有2000万只/年,约占钓鱼竿总数的50%以上;复合材料自行车,年产30万辆以上;其他尚有赛车、游艇、滑雪用具、弓箭、滑板等等。以自行车而言,从车架、车叉、车把、座管最后到曲柄和车圈,从1986~2011年花了27年时间走完了全复合材料化的进程,技术难度很大,技术含量很高,如最后的车圈,面临刹车的动载高热引发复合材料分层破坏问题的解决等。

我国的台湾素有“复合材料体育用品王国”之称,当局一直把复合材料产业作为支柱产业之一予以支持发展,其规模大、产品新、市场观念强、重开发,注意成果转化形成生产力,产品绝大部分外销,一度执世界市场之牛耳。笔者曾多次应邀访台,此为我所考察亲见。但近年来其体育用品生产已逐渐转来大陆,遍布我国的东南沿海。

世界上60%以上的复合材料高尔夫球杆、各种球拍、钓鱼竿、自行车等均产自中国大陆。仅山东“威海光威集团有限责任公司”即可年耗碳纤维600吨左右,号称世界上最大的复合材料钓鱼竿厂。我国的东南沿海分布着20多家复合材料自行车厂,江苏连云港“神鹰新材料有限责任公司”据称已建成年产10万辆复合材料自行车的产能,还要扩到100万辆/年。位于山东乐陵的“泰山体育产业集团”也在建设10万辆/年的产能,并已投资引进了各种自行车高端测试设备和30多台压机,准备生产赛车和全民健身用车。

我国的碳纤维60%耗在体育休闲用品上,情况可见一斑。

2、工业领域

这是一个涵盖甚广、内容甚多、广有发展前途的一个领域,以先进复合材料应用而言,当前最受观注大有市场前景的是风电和汽车领域的应用。

2.1、风电领域

风能是清洁环保可再生能源,风力发电是世界能源增长最快的领域,每年约有25%的增长率,现全球累计装机2.377亿千瓦(237669MW)。我国累计装机62364MW,超过美国居世界第一,可见中国的风电产业发展非常迅速。

风机的叶片、机舱罩甚至塔架等部件均可由复合材料制成。如叶片过去多由玻纤制造,但近年来单机容量越来越大,兆瓦(MW)数越来越高,叶片越来越长,自重越来越大,刚度、强度要求越来越高,玻纤不能承受,被迫转向碳纤,于是先进复合材料开始在风机叶片上大量应用。据知2.5MW叶片及长45m以上的叶片多已采用先进复合材料,主要应用部位是主承力梁,纤维多用50K左右的大丝束纤维,因其成本较低。据估计2011年世界耗于风机叶片上的碳纤维可达8000吨左右,此后将直线上升,至2015年可达12000吨,是碳纤维单项消耗的第一大户。

随中国风电产业的发展风机叶片大型化的进展也非常迅速。如“中国复合材料集团”旗下的连云港中复连众已于今年2月下线了5MW,66.5m长的叶片,为国内之最,年底还要下线6MW,75m长的叶片,在世界上也是领先的,海上风电的发展对大型叶片有强烈的需求。据知66.5m长的叶片上已开始应用了碳纤维。

但我国的多数风机叶片还没有用先进复合材料,应用进展远落后于世界进程。其原因主要是我国的风机叶片多数是引进工程,缺乏自主设计的知识产权,原设计未用先进复合材料,现在就不能改。一旦我国的风机叶片进入自行设计、自主研发阶段情况会有改观,届时先进复合材料会有较多的应用。

还应看到我国风电产业的发展增速近来已明显放缓,2011年增速仅为39.4%,而以前历年均达100%以上。国内叶片生产厂家达50多家,产能严重过剩,世界上主要叶片生产厂家也不过10家左右而已。所以国内叶片厂家正面临调整重组,重新洗牌,优胜劣汰,最后剩下5~6家就足够了,此情此景也可能是市场经济发展的必经之路。

2.2、汽车领域

汽车工业是我国重要的支柱产业,近年来得到迅猛发展。自2010年始我国的汽车年产销量已经突破1800万辆,超过美国跃居世界第一。现代汽车设计有安全、舒适、节能和环保4项基本要求,这和飞机设计几乎是一样的。因此减轻结构重量,节省燃油和减少有害尾气排放,减少环境污染,是当前汽车设计的重要发展方向。汽车重量每减10%,燃油消耗可减7%,可大大节省寿命期内的使用成本,汽车每减重100kg,百公里油耗可降低0.5升,CO2排放量可减少0.5g/km。

汽车减重当前最主要的措施就是大量使用先进复合材料。先进复合材料用在汽车上是代钢不像飞机是代铝,可有更大的减重空间,以密度1.6kg/cm3的复合材料代替7.8kg/cm3的钢一般可有40%~60%的减重。玻璃钢作为早期的复合材料已自上世纪50年代开始用于汽车,西方发达国家用量已达15%左右,我国亦达7%~8%左右,还有发展空间,但玻璃钢不属先进复合材料。先进复合材料由于其自身独具的强度,刚度特性完全可以代钢用于汽车的各种结构,包括主承力结构上,如承力骨架、底盘、侧板、车顶、车门、帽罩、保险杠、翼子板、轮毂、传动轴、板簧等部位。车种则包括了赛车、高档跑车、轿车、大客车、货车以及特种车辆上。如F-1赛车整体结构的75%由先进复合材料制成,意大利的K200全复合材料双人座轿车车体重仅300kg,号称世界最轻;荷兰人甚至研制了一个全复合材料超级巴士,该车为一电动汽车,可载24人,环保无污染。英国的AXON汽车公司研制了一个复合材料节能汽车,较钢制的减重40%,油耗仅为35km/L。复合材料的传动轴和板簧可较钢制件减重50%~60%,且减震阻尼性能更好,欧洲和日本已有较多应用。

有鉴于此,世界上各大汽车公司均在制定和执行汽车的轻结构战略计划,如宝马(BMW)等公司明确提出每车要减重100kg以上,以提高燃油效率,CO2排放减到7.5~12g/km以下,美国则进一步提出30km/L汽油里程目标。为此现世界上各大碳纤维厂家已纷纷和各大汽车公司联手,发展汽车用复合材料技术。德国的大丝束厂家西格里(SGL)已经与宝马合作,于2009年组建合资公司,投资1亿美元在美国西雅图建年产3000吨的50K碳纤维厂,用于生产系列电动车Megacity i3,计划2013年投产。与此同时SGL还与日本三菱丽阳合作,组建低成本的碳纤维厂,并在德国组建复合材料制造厂,组装成车,世界上称此举是汽车工业规模化应用先进复合材料的里程碑事件,要掀起一场轻型汽车上使用复合材料的革命。世界上最大的碳纤维厂家日本的东丽已建起汽车中心AMC,并于2009年与戴姆勒(Daimler)合作,生产Benz汽车,使其所有车型实现减重10%的目标。东丽已研发出复合材料“TEE WAVE”两座敞篷电动汽车,共用CFRP160kg,车体由英国戈登•默里公司设计。日本的东邦则全力以赴在研发快速成型技术,并与丰田(TOYOTA)合作成立“复合材料创新中心”,生产LEA跑车。美国能源部则于近年投资3470万美元给橡树岭国家实验室新建低成本碳纤维中心,声称至少要降50%成本,主要为汽车复合材料应用。我国的台湾结合官产学研近年已多次以“车辆产业应用碳纤维复合材料”为题举办专项研讨会,并于近日正式组建“台湾碳纤维电动车开发联盟”,拟定关键技术攻关项目,并要面向大陆市场。据称这是台湾继研发CFRP体育产品后又一里程碑事件。综上述可见目前世界上相关业界均已积极行动起来,预示着碳纤维复合材料在汽车领域的大规模应用即将开始。飞机领域用了40多年基本走完了复合材料化的进程,依笔者所见汽车领域早晚也会走上复合材料化的进程。

当然汽车领域应用先进复合材料当前面临许多实际问题和技术难题,主要有:

①成本问题:对汽车应用而言,先进复合材料成本还是较高,特别是制造成本高,所以目前多是用在赛车、高档跑车、电动车上等。为此要研发低成本的材料体系,特别是低成本的制造技术。

②技术问题:此处主要是指热塑性复合材料体系的研发和各种低成本的RTM成型技术的研发。以前多用热固性复合材料(Thermosetting Plastic),现在汽车可能多用热塑性复合材料(Thermo Plastic),以利快速成型。热固性的以环氧体系为主,热塑性则可有聚丙烯(PP)、尼龙(PA)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(TPI)等。因汽车应用量大面广,必须大力发展低成本的快速成型技术,如国外目前大力研发的HPRTM技术,即高压RTM技术,要求有超高速固化树脂体系,快速注入RTM设备,快速注入并固化成型,把整个时间缩短10分钟以内甚而3~5分钟。

③缺乏经验和数据:汽车领域应用先进复合材料严重缺乏相关经验和数据。熟悉金属结构的汽车设计师普遍缺乏复合材料的设计和计算经验,缺少数据库(Data base),因此急需学习借鉴,积累经验和数据,加强预研工作,为工程应用提供必要的技术基础。

④设备的更新改造:由生产金属结构汽车到生产复合材料结构汽车同航空情况一样产业链将发生重大变化。汽车工业是个发展成熟的产业,骤然改变之绝非易事,这可能是一个长期而痛苦的过程。

⑤回收再利用:西方国家规定到2015年汽车上报废的零部件95%以上要可以回收再利用。因复合材料回收再利用难于金属的,这会形成应用发展的一个制约条件。国外正大力发展解决这一问题,但国内尚未很好启动此事。为推动汽车复合材料产业的发展,这个问题必须尽早提到议事日程上来,予以解决。

下面再来看看国内的情况。国内亦早于上世纪50年代即开始了玻璃钢在汽车上的应用,但先进复合材料应用甚少,亦无量产和整车开发的计划,总体上落后于世界的水平。但近年来事情有了变化,很多汽车制造商开始对此感兴趣,并有了很多实际行动。

•航空基础研究院,下辖新建的中航复合材料有限责任公司,已与长春一汽签约共建“新材料应用联合试验室”,旨在开发汽车用复合材料产品;

•2010年温总理参观的新能源汽车,即为先进复合材料汽车。深圳有关部门也于2011年研制出全复合材料新能源汽车。

•安徽的奇瑞汽车有限公司已与大连兴科碳纤维有限责任公司、上海东华大学联合研发复合材料汽车部件;

•长春的一汽已在研发先进复合材料的传动轴、板簧、帽罩等部件。

•国内还有人在研制低成本的沥青基碳纤维,首先拟用在汽车上,拟与BYD(比亚迪)合作。还有一些动向和信息,恕不一一例举。

提及我国将重点发展新能源汽车,规划2015年累计达50万辆,2020年达500万辆,当年要有200万辆/年的产能。新能源汽车减重的需求尤为迫切,其车载电池,电机等增重急需减重予以平衡,另外一次充电希望行驶的里程要长,也希望重量要轻。所以新能源和轻结构的结合一定有良好的发展前景,先进复合材料在新能源汽车上应用大有用武之地。

我们要以开放的思想、前瞻的眼光和创新的思维,充分认识先进复合材料在汽车领域应用的重要意义和光明前景,切实推进先进复合材料在汽车领域的应用发展,在该技术领域跟上并超越世界前进的雄伟步伐。

2.3、其他领域

该方面首推基础设施(Infrastructure),即建筑领域的应用,包括房屋、桥梁、隧道等及其相关的混凝土工程,其修复、更新和加固目前已构成先进复合材料应用的重要领域,其多以层压板和包缠料(片材)的形式出现,是一种优质高效低成本的修复方法,为世界所广泛采用。该技术国内亦跟踪发展较好,已用于众多领域与工程,据知此项应用每年即可耗碳纤维1000吨左右,情形可见一斑。

其次还有沿海油气田应用,应用分为沿海(off-shore)和岸基(on-shore)。海上采油平台井上为结构,可有围栏、通道、扶手等均可由复合材料制成,重量轻且防腐。关键应用是井下,井下为系统,可有竖井(Riser),将平台锚固到海底的绳索(Tether)和功能缆线(Umbilical),均可长达几千米重达几千吨,据估计用量会很大,但该项应用技术上比较复杂,应用进展并不尽如人意,国内几乎还是空白,亟待研究开发。

船舶领域应用也是一个重要方面,包括赛艇、游艇、快艇、帆船、舰艇以及潜水艇等,应用部位包括船体、甲板、舱室结构、桅杆、船舵等。美国已将其用于两艘驱逐舰的制造,每艘用碳纤维225吨,声称还要用于潜水艇的制造,艇体壁厚可达70mm。该领域国内亦发展较好,复合材料在各种船艇上应用正在逐渐增加。但目前多为玻璃钢,而非先进复合材料。

前面已指出工业领域应用涵盖是非常广的,此外尚有防弹、生物工程和医学、医疗设备、电子工程、高速列车、工业罗拉(轴辊等零件)、集装箱、机器人结构、燃料电池、发热体、修理产业(修理金属飞机结构、工业设备等)、电缆芯等等不一而足。仅以电缆芯而言国内近期即有较大发展,据知有近20家企业开发此项产品,仅拉挤线已投入180多条,有些已挂线运行,效果良好。所以师老说复合材料几乎是个无所不为的材料。

多年来我从碳纤维耗量入手研究先进复合材料的应用发展,图1给出了其三大应用领域的态势。分析之可见目前航空航天约占20%左右,随B787、A350等大飞机进入量产,此比例会略有增加。体育休闲用品占20%以下,且有进一步下降的趋势,到2015年会降到15%左右。增加最快,占比最大的是工业领域的应用,现已达60%以上,2015年会接近65%左右。国内情况如何呢?据笔者研究,以航空航天为核心的国防军工约占5%左右,远低于世界的平均水平,工业领域应用约占35%左右,60%的碳纤维用在了体育休闲用品,世界60%以上的该类产品均出自中国大陆,究其原因,多系台湾转移而来,我们并无自主知识产权。分析表明我们的应用某种程度上可以讲存在着病态,发展并不健康,此情此景亟待改变!

三、关于碳纤维

碳纤维是复合材料的重要增强相,其质量和数量决定着先进复合材料发展应用的命脉。众所周知,碳纤维工业化生产始于20世纪60年代初的日本。其实我国碳纤维研发起步并不晚,上世纪60年代初中科院长春应用化学研究所李仍元先生就已开始了研发,并在吉林辽源石化厂建生产基地,继之又有沈阳金属所的张名大,北京化学所的吴仁杰等介入研发。因航空航天领域的急需当时的国防科工委主任张爱萍将军1975年11月在广州主持召开著名的“7511”会议,会后正式纳入国家科技攻关计划,全面启动了碳纤维的研发和生产。可惜的是多年的攻关并未突破原丝等关键技术,产品没能走出质次价高的怪圈,无法满足国内的军民用需求,致使我国95%以上的纤维长期依赖进口,在这一重要战略物资上受制于人,长期以来严重制约了我国军民用复合材料产业的发展,后果是极其严重的。

由于复合材料产业的发展,对碳纤维的需求急剧增加,曾于2005~2009年导致了一个世界性的碳纤维危机。危机中碳纤维供应短缺,价格骤涨,控制加强,引起一系列连锁反应。当时日本东丽T300 3K的产品竟涨到8000元/kg。在碳纤维不能自给需求又急剧增加的我国突遭此变,可谓受打击最大,严重的影响了我国军民用复合材料产事业的发展。当然现在危机已经过去,自2009年已出现缓解迹象,进入2010年以来已是产大于销,供大于求,这是世界各大厂家急剧扩产并已达标的结果。目前中国产品进入市场,供应充足,价格也有了理性回归,日本T700 12K的产品200元/kg左右(税后),国产的相应产品则可低到120~150元/kg左右,几乎降到了低谷。

世界主要碳纤维生产厂家近年来产品性能均有提高,主要表现在强度值、刚度值的提高上,表1给出了世界上主要碳纤维厂家产品目前的性能,为体现其现代水平,只列出了其有代表性的高档次产品的性能,并非全部产品的性能。

除性能外人们还关心碳纤维的产能和产量。应该说要准确的给出这些数据,是一件十分困难并难以做到的事,不同人的资料来源,统计计算方法不同,结果各异。表2给出了一个笔者研究统计的近况。纤维有大小丝束之分,一般以24K为界。产能(Name Capacity)不等于产量(Production Output),从产能到产量要乘一个折减系数,一般对小丝束该系数取0.65~0.75,对大丝束则取0.9左右,不同人取法不同。产能是客观存在的,产量是人工可调可控的。

由上表可见以2011年计世界碳纤维的总产能已达8万吨左右,产量则达6万吨左右,估计需求应在5万吨左右,严重产大于销,供大于求。

谈到产能、产量,众所周知日本以东丽为首的三大厂家几乎占了世界市场70%,具有垄断地位。但近年来情况有变化,许多国家进入了该领域,如俄罗斯、中国、土耳其、韩国、印度、巴西、沙特等都有了自己的碳纤维生产能力和量产,其产能产量多数尚未统计进相关数据。如土耳其的AKSA,原是世界上最大的腈纶厂,转产碳纤维后今年建成3500吨/年的产能,据知每年销往中国的即达到600吨左右。我国台湾的台塑已有8750吨/年的产能,号称世界第四。垄断的格局正在逐渐被打破。

下面看看中国的近况。近五年的碳纤维危机,严重打击了中国复合材料产事业的发展,也刺激了中国的惊醒,国家的最高领导对此十分重视。胡锦涛主席几年内对此做过多次指示:“要继续加强领导,大力协同,合作攻关,努力争取实现高性能纤维国产化。同时也要整合资源,优化布局,防止重复建设。”2008年3月5日在会见中复神鹰碳纤维有限公司董事长张国良时指示说:“我国研发碳纤维对相关高科技产品影响很大,但目前受制于人,希望你们不但要把批量做出来,而且要做出高质量的碳纤维来。”指示的核心精神十分明确,就是要又好又快的发展我国的碳纤维产业。

在国家领导的直接关怀重视下,在相关专家和参研人员的努力拼搏下,近5年来我国的碳纤维研发取得了突破性进展,突破表现在三个方面:1)基本突破了T300量级的产品研发,军工产品应用可以不再受制于人;2)建成了几个千吨/年的生产线,进入了规模量产;3)正在向T700、T800量级的产品研发进军,不久可望有成。但同时也也应指出,我们的碳纤维研发还存在着许多问题,依笔者所见主要有四个“不够”:产品性能不够高、质量不够稳、成本不够低、品种不够全、情况亟待改进。

据知我国投入碳纤维研发和生产的企业大大小小可达30多家,估计已建成的产能达1万吨/年以上,但2011年的实际产量估计只在2000~2200吨之间,存在着“有产能无产量,有产量无质量”的现象。国内的年需求量约在1万吨/年左右,约占世界总产量的1/5,不足之数依赖进口。应指出碳纤维产品出来后,必须经过严格、全面、系统的质量评定,主要评定内容包括力学性能、工艺性能和界面性能等,同时还要对形成的复合材料进行全面的性能测试和试验。未经严格的评定则质量不保,将来市场不保。还应指出,按照目前国内产能的建设似有过剩之嫌,应注意慎上碳纤维项目,没有过关的技术没有充足的资金以不要轻举妄动为宜,这毕竟是一个技术复杂,竞争激烈的项目,“没有钱不行,有了钱也不一定行”。也可能上去之后才会感到“苦海无边,回头无岸”。

风机叶片今日的境遇也可能在碳纤维企业上重演。须知全世界大的碳纤维厂家不过才10个左右,日3美3德1台1,我国需要多少个?历史经验表明,碳纤维供应充足后,生产厂家只卖碳纤维很难赚钱,必须及时开发下游产品,以从中获利。实际上世界上大多数厂家都是这么做的,如现在各大厂家均已和汽车厂家联合开发汽车复合材料产品即是明证。下游产品还应包括织物和预浸料等中间产品,世界上约有35%左右的碳纤维要以预浸料形式应用,制成终端产品,日本东丽近年在美国西雅图南建预浸料厂,就近供应B787用。美国HXCEL和Cytec分别在天津和上海建预浸料厂,引进瑞士的高档设备,分别为我国的风机叶片和上海的大飞机提供预浸料。

四、相关发展建议

1、注意学习掌握复合材料设计技术

复合材料讲求设计、材料和工艺三者的密切结合,现在尤其强调设计制造一体化(Design for manufacture)。但三者中设计是龙头,是起牵头主导作用的。须知复合材料不同于金属材料,复合材料是设计出来的,没有设计就没有复合材料。试问设计师不画出图纸来,你如何选购材料制造零件?设计包括计算分析、软件研发和试验验证等,是复合材料技术中极为重要的方面之一。目前世界上复合材料设计已有了很大进步,某种程度上可以说已走向了成熟化、规范化。但国内尚非如此,几乎是三个方面中最弱的一环,航空航天领域尚且如此,民用部门情况尤甚。不懂复合材料基本铺层设计的原则和方法,弄不清许用值(Allowable)和设计值(Design Value)的来源和使用,不会具体的强度计算和分析,不了解“积木式”(BBA)方法的验证程序等等,如何进行各向异性的复合材料结构设计?设计这个龙头舞不起来,扩大复合材料发展应用就是一句空话。所以国内在设计方面急需学习、提高和培训,尽快改变设计严重落后的局面。

2、要加大人才培养力度

在复合材料领域,特别是民用领域,我们严重缺乏有经验的专业技术人才,特别是缺乏掌握现代设计技术和工程制造技术的人才,即人才现状远不能满足发展的需求。国际上讲培养一个成熟的复合材料设计师至少需要十年。人才的问题与高校的培养机制有关,以哈工大、北航、西工大和南航等与航空航天有关的院校而言,普遍没有复合材料设计专业,只有上海同济大学觉悟较早,三年前正式设立了复合材料设计专业。事在人为,以人为本。我们应加大人才的培养力度、培训力度,以满足产业发展对人才的需求。

3、要大力加强下游产品的开发

复合材料产业的发展,首先是应用的发展,是适销对路产品的开发和投产。必须要牢记应用是硬道理。只有促进应用,才能促进发展。中国的碳纤维已有上万吨的产能,而且还会不断增加,如果没有足够的市场出路在哪里?前文已指出中国现在60%以上的碳纤维耗在体育用品上,这是一种带有“病态”的不健康发展状态,至今没变。故发展的重点应在工业领域,并首推风机叶片和汽车行业,当然也包括其他的应用。目前国内的产品低端的较多,上档次的较少,技术含量较低,附加值不高。我们要发挥中国人的聪明才智,进行有创造性革新的研发,除占领国内市场外,也要有勇气参加世界市场的竞争。有关国际会议已指出“现在世界上最大的潜在的复合材料制造商和终端用户就是中国。”这一结论意味着中国复合材料产品的开发有着广泛的前景和市场。

4、注意发展革新的制造工程技术

任何军民用产品的研发都离不开制造技术。目前世界上复合材料以ATL和AFP为核心自动化制造技术发展很快,世界上认为这是近20年来复合材料技术发展史上的里程碑式的事件。目前西方已在航空航天领域普遍应用并有向民用发展之势。此外如共胶接/共同化成型技术、发挥复合材料优点和特点的大规模整体成型技术、广义的RTM技术、特别是适用于汽车领域的HPRTM技术、近代的复合材料修理技术等也都应在我们的密切关注之列。

5、要大力降低成本,发展低成本复合材料技术。

先进复合材料毕竟成本较高,是阻碍其进一步扩大应用的主要障碍之一。有鉴于此西方发达国家都已制定了低成本复合材料计划,多年来认真执行并已取得了积极成果,成功的用在了产品研发上。相比之下,我们国内一直没有系统制定并执行的低成本计划。低成本技术包括了低成本设计技术、低成本材料技术、低成本的制造技术,其各有详细的内含,但核心是低成本的制造技术,在航空航天领域大约要占到80%的份额,民用产品领域估计也要占到50%~60%以上的份额。我们应该坚信,成本下不来,应用上不去!

6、要启动回收再利用技术

使用到期的复合材料制品或加工中的边角余料的回收再利用是个重要问题。传统的办法多是粉碎、焚烧和掩埋,既不科学又不经济,现在欧洲有些国家如德国等已禁用这些办法。于是很多国家如英国、美国和日本等已纷纷组建专门的机构研究解决这一问题,并建起多个从事此项产业的企业开始了实际工作。办法可有高温裂解、溶剂萃取等,旨在将碳纤维回收再利用,应用多以短纤维,磨成碎料等形式使用,可用于建筑等领域,市场是有较大需求的。但国内尚未系统的开展此项工作,从可持续发展的角度出发国内从现在起就应着手此项工作,为扩大先进复合材料的应用扫清障碍。

我们正处于复合材料产事业蓬勃发展的大好时期。毫无疑问我国已是世界上当之无愧的复合材料大国。据统计我国2011年玻纤产量已达279万吨,各种复合材料产量已达381万吨,均超过美国跃居世界第一位,碳纤维耗量已超过万吨/年,约占世界的1/5~1/4。但我国还不是复合材料强国,发展中还有许多问题,差距甚至危机。热望业界同仁既要看到成绩和前景,又要看到问题和差距,综观大局,妥筹善策,积极行动,谋划发展,共同迎接复合材料产事业繁荣发展的美好明天。

推荐阅读

服务支持

关注我们

关于我们 |  联系我们 |  法律声明 |  友情链接 |  网站地图 |  帮助中心 | 

® 2009-2014 复材在线 版权所有 京ICP备11017963号-1 网站经营许可证编号:京ICP证070755号 (c)2008-2019 frponline.com All Rights Reserved