抓住機遇迎接碳纖維復合材料發展的新時期

唐見茂

抓住機遇迎接碳纖維復合材料發展的新時期

唐見茂

復合化是當前新材料的重要發展趨勢之一。就高性能結構材料而言,碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)仍代表當前復合材料發展主流。

CFRP最大優點是輕質高強,用做承載結構材料,特別是航空航天結構材料,有著巨大的性能優勢和經濟效益。在化石資源日益短缺、油價不斷上漲的今天,結構輕巧、維修費用低廉的復合結構材料沖擊著鋁合金承力結構材料一統天下的局面,用CFRP替代鋁合金,結構減重效果可達到20%～40%。因此,自20世紀60年代該復合材料問世以來,在材料的研究、制造、應用等各方面發展非常迅速。

統計結果表明,2007年通用飛機上復合材料的用量,占材料總用量的57%。預計未來10年這一數字將上升到69%,這是一個重要的發展趨勢。

最近推出的波音787夢想飛機,CFRP的用量達到全機結構質量的50%,成為CFRP發展的一個新的里程碑。另一家航空巨頭則提出,在計劃推出的A 350飛機上將CFRP的用量提高到65%。

業內專家預言,在今后的20～30年將是CFRP發展的新時期,飛機上大規模采用CFRP將帶來航空制造產業鏈革命性的變革。例如,創新的設計概念,將促使設計人員組成和知識結構的改變;而材料與結構件成形的同時完成,可以從生產纖維、樹脂的原材料供應商或二級供應商直接向飛機制造商供貨;CFRP的獨特性能無疑會對飛機維修業提出新的、未預見到的挑戰。

我國的CFRP自20世紀60年代末起步,幾十年來在結構設計、樹脂基體研發、制造成形工藝及應用等方面都取得了很大成就,已形成了獨立自主的CFRP產業,但與國際先進水平相比,在應用水平與規模、材料基礎與配套、制造工藝與設備、設計方法與理念等方面,都存在相當大的差距,甚至有越來越大的趨勢。其中應用的落后是根本的落后,我們應該清醒地認識到這一嚴峻的現實。其原因主要是:首先是思想認識和理念上遠落后于世界前進的步伐,沒有看到世界上現已出現的飛機結構材料復合化的大趨勢;其次是國內缺乏戰略總體規劃與研究,規劃落后,缺乏長遠發展與競爭的意識,研究力量分散,基礎研究薄弱,預研不踏實,導致許多基礎理論和工程實踐的關鍵問題未獲或未很好解決,項目低水平重復,設計與制造分離,投資嚴重不足;再就是機制與體制上的問題,缺乏相對統一的組織與領導、合作與協調,存在多方領導,多方投入的問題。

作為一種技術密集型的高技術產業,CFRP的發展水平體現了一個國家的工業技術水平和實力,加速發展我國的CFRP至關重要,為此特提出以下幾點建議。

(1)圍繞大型商用飛機項目,促進產業結構的優化重組,集中建設和發展幾個大型骨干企業,集原材料(基體與增強體)研發、成形制造、質量保證和應用于一體,帶動相關產業的發展;

(2)積極開展國際合作,通過與國外著名大型企業共建聯合研發體、合并、收購或共建合資公司等,引進和消化吸收關鍵核心技術和先進的管理經驗;

(3)加大高強高溫高韌樹脂體系的研發力度,除環氧、雙馬外,研發新的品種,提高性能,擴大產能,以滿足不同領域的CFRP產品應用需求;

(4)國家應出臺切實可行的政策和措施,包括建立國產碳纖維的高端應用產業化示范工程、專門立項、給予稅收優惠等,大力促進國產碳纖維的高端應用,在應用中改進和提高;

(5)加快發展CFRP結構整體化及低成本成形技術,引進必要的關鍵設備,加強計算機模擬及質量認證評估體系的能力建設;

(6)重視高端人才的培養,以此推動產學研一體化的機制建設。

唐見茂 教授,中國材料研究學會咨詢部專家。從事CFRP成型及性能表征評價30多年,有美國斯坦福大學和香港科技大學10年工作經驗。曾參與國家發改委新材料產業化“十五”專項實施總結評估、“十一五”重點發展領域研究和專項實施方案編制及“十二五”新材料重點發展領域規劃預研,主編由國家發改委與中國材料研究學會聯合編寫的《中國新材料產業發展年度報告》(2007,2008,2009)。