十年复材织天路,万里长空竞飞鸿(中篇)

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/05/08 09:42:41
十年复材织天路,万里长空竞飞鸿
——中国碳纤维复材发展续篇(中)

上一篇谈到了碳纤维原丝和碳纤维复材的生产技术进展,在这一篇,我们将探讨的是碳纤维和碳纤维复材的检测和分析技术——表征技术。

这又是一个技术性很强的话题,兵器迷啃资料的时候,只觉得乏味、干涩、噎人。

咋说呢……基本上就是吃墙皮的感觉,

这位说了,你自己噎着就罢了,现在又来噎我们,真实良心大大的坏了!

其实,就是因为专业性太强,文字过于晦涩,国内进展情况未有公开等诸多因素,兵器迷在《原文》中,对这部分技术未做描述。但这类技术的意义其实对于碳纤维行业非常重大。因此,这一次我们就试着介绍一下。嗓子眼儿小的同学,请飘过直接看小结。

一、碳纤维复材的缺陷与碳纤维表征技术的意义

《原文》中,对碳纤维复材的优点做了比较多的介绍,其实碳纤维也有很多固有的缺陷,这一次就结合表征技术来谈谈这些问题。

首先,由于碳纤维复合材料是以层结构为基础的,而其层间的结合力相对薄弱,所以一旦出现分层的情况,就会对其整体性能造成严重破坏。麻烦的是,航空承力级复合材料部件的损伤,大多数发生在维护时的各种碰撞、拆卸过程中。而因此产生的分层缺陷往往出现在复材内部,一开始从外表面是很难发现的。而制件的结构强度却可能因此最大下降接近一半,对安全运营所造成的潜在风险可想而知。

再有,即使碳纤维原料没问题,加工成碳纤维复合材料时也会遇到难题。因为CFRP是典型的难加工材料。特别是钻削加工时,在钻孔出口处,很容易产生分层、毛刺和撕裂等缺陷,对碳纤维复材的成品质量构成潜在威胁。而孔出口缺陷中,撕裂往往比毛边的尺寸更大。随着钻头的进给速度、进给量、钻头直径和轴向力等因素的增大,撕裂缺陷将变得越发严重。

最后,用于粘结碳纤维和形成复合材料整体的树脂基体的韧性比较差。即便碳纤维复材本身没有问题,其制件之间的粘合也可能因为树脂基性能下降而导致制件解体。

上面种种问题,都导致复材制件质量下降,成本上升,使用安全性受到严重挑战。所以在《原文》中谈到碳纤维复材制件不但生产上独具特征,在日常维护、测试、修复的经验、流程与方法,与金属构件相比,都会发生颠覆性改变。为此,人们需要完全不同于金属探伤的专门技术,来探测碳纤维复材的内部和表面结构,从而在原料生产-产品成型-设备运营的材料全生命过程中,精确把握其材料特征和力学性能。因此诞生了碳纤维表征技术,即对碳纤维材料的表面结构表征和内部结构表征进行探测、研究和分析的技术。

举个例子。上面谈到的复材加工钻削出口工艺难题,一直困扰着复材加工行业,导致产品加工后质量达标率偏低。国内某企业正是通过复材表征技术设备的检测,再结合加工刀具运动的记录数据,综合分析最终发现了一个特点:就是复材加工时,随着钻头转速的增大,将使出口撕裂值变小,产品质量得到提升。结合进给速度增大导致撕裂值变大、钻头转速增大导致撕裂值变小这两个特点,企业经过反复试验,最终将切削速度与进给速度比值控制在3000-4000以下,有效地减小了撕裂值,保证了复材产品加工质量。

既然表征技术这么重要,那么它都包括哪些具体的技术手段呢?

二、碳纤维表征技术概述

内部结构表征技术:
以X-射线衍射、电子衍射、隧道扫描显微镜等设备为基础。

其中,X-射线(广角、小角)衍射研究,可以获得碳纤维的取向度、微晶尺寸、石墨化度等重要信息。其数据统计意义上的,对研究材料基本性能
具有很高的价值,但难以确切反映碳纤维内部结构的局部特征。

电子衍射,是通过透射电子显微镜获得碳纤维材料的取向角、层间距、微晶尺寸,发现其内部各种缺陷。其数据是微米级别的,对碳纤维无损探伤具有重要意义。

隧道扫描显微镜、原子力显微镜则可以获得纳米级或原子级的信息,使得人们对碳纤维复材的微观结构认识达到了一个更深入的层次。

表面结构表征技术:
主要依靠X光电子能谱。它可以定性、定量分析碳纤维表面元素和其存在状态。因为物理学发现,当固定激发源能量时,X光形成的光电子的能量仅与物质表面元素的种类和所电离激发的原子规定有关。因此,就可以根据冠电子的结合能定型分析碳纤维表面的元素种类。X光电子能谱就可以定性、定量分析碳纤维表面存在的元素和状态。

三、碳纤维复材表征技术的应用

碳纤维复合材料的表征技术,主要应用在三个方面:

1 生产环节的表征测量,用于监控生产质量和优化生产工艺
2 检测环节的表征测量,用于检验产品质量和分析产品性能
3 使用环节的表征测量,用于监控设备寿命和确保安全运行

国内方面的应用进展如下:

中航复材:材料表征技术方面先进技术主要有:复合材料成分微结构及理化表征技术、复合材料使用性能测试表征技术、复合材料无损检测与评估技术、复合材料服役环境结构模拟分析技术。自行开发了7.5米X6米多通道检测仪,其FJ系列窄脉冲换能器以其优异的声学性能,解决了复合材料无盲区检测的需求,达到了同类产品世界领先水平。

中航复材:自行开发了多型号便携式超声设备,满足复合材料结构外场服务的需求。。

在十五期间国产T300级碳纤维成熟产品。哈工大复合材料及结构研究所,就在2007年使用电子扫描显微镜、X射线衍射仪、显微光谱仪、光电子能谱仪等设备,对国产T300级碳纤维GCF,与日本、美国同级产品进行了结构表征与性能比对分析。综合测量分析的结果,肯定了GCF的微观结构规整,与T300具有相当的弹性模量,且可与树脂基提形成较强的界面作用。同时指出缺点是表面微晶尺寸较大,不利于纤维强度的提高。

沈飞公司:建立复合材料构件制造单元技术数据库,尝试多元化分析手段,采用数字影像技术监控制造全过程用以建立并追溯构件的全程制造历程。沈飞公司与大连理工大学等六家单位对复合材料承力结构件制造进行研究,内容囊括了复合材料从原材料到成形、固化、检测,再到装配的整个制造过程的基础研究工作,可以对复合材料结构件的设计形成反馈。

小结
说起中国碳纤维复材近年来的发展,真可谓可圈可点。

一、碳纤维行业第一梯队已经隐约可见。

当前国内的碳纤维企业林林总总,一哄而起全面开花的局面仍然存在。但随着近年产业推进大浪淘沙,似乎正在发生悄然改变。

原丝领域:
资料显示,2013年底为止中国的PAN原丝生产厂家竟然有30多家,建成总产能已经突破2万吨。中国人一哄而起、跟风赶潮的架势,真是惊人。然而大部分产品质量低劣,成本高于国际价格,因此市场需求度不高。2013年国内生产碳纤维不足3000吨,仅发挥了生产能力的1/10,导致大量设备闲置,全行业总体亏损。而同期,我国进口碳纤维及其制品12386.2吨,同比增长了34.5%;进口额达3.83亿美元。相当于国内产量的4倍。

反观国际上规模化的PAN原丝生产厂商,一共才7家,其中仅东丽一家的产能就接近中国的总和。

不过,在市场的洗礼之下,近年来中国已经开始出现行业洗牌,龙头企业初步显现。江苏航科的T800、中复神鹰的T700都是大热。2015年6月,中复神鹰开建年产3500吨碳纤维生产线三条,计划在3年内完成建设并进入投产,项目总投资达10亿元。项目建成后,将形成原丝15000吨/年及碳纤维6000吨/年生产力,是我国最大的碳纤维生产基地。

有趣的是,江苏航科与西光所合作,是中科院背景;中复神鹰隶属中国复合材料集团有限公司。有趣的是两家一个在镇江,一个在连云港,使得江苏成为中国碳纤维原丝的最大基地。

北方的吉化也不弱,当年“高性能T300级碳纤维及原丝制备成套技术”是吉化的镇宅之宝,凭这个获得中国石油2009年度科技进步特等奖。现在碳纤维原丝产能达到5400吨/年,碳纤维产能达到818吨/年。特别是,碳纤维产品规格涵盖1K至48K不同级别。看过《原文》的同学,应该明白吉化是以小丝束为主的生产结构,以及这意味着什么。点到为止,呵呵。

航空复材领域:

这与原丝领域科研+地方的合作模式不同,一水儿的国家队。中航工业一口气在哈飞、沈飞、西飞、成飞、昌飞、洪都等多家企业建立了航空复材中心。同属于中航工业背景的中航复材,落户北京,颇有后来居上之势。450人的小单位,一半硕士博士,先进设备眼花缭乱,拥有具完全自主知识产权的复合材料数据库,和国内最多的复合材料树脂牌号/预浸料牌号。
中心领导誓“为我国的新型军机和大型民机的研制和定型生产提供坚实保障” 军民通吃,好大的口气。复材收入初创时1亿多元/年4年翻三番达到2014年的9亿多元,成为碳纤维复材生产的大户——林左鸣也真是护犊子,国字特别是军字的大订单基本上被中航复材尽入囊中,当真是肥水不流外人田啊,呵呵。

图1 中航复材的官方和军方背景可见一斑



二、原丝领域部分技术工艺获得突破性进展,但仍有部分产品线空白。
T系列如T800和T700的生产,从十五计划开始到今天,从原料、设备、工艺、规模上都有实质性的进展。未来需要的是大规模生产、稳定质量和降低成本,并对更高端的产品持续跟踪研发。说“跟踪”有点难听,但。我们在T800打拼的时候,人家在强攻T1100,要承认现实,对吧。何况,国内T800的“高强中模”和“基本高模”工程化还是空白呢。兵器迷看到国内媒体报道说“中国T800性能超过日本” 这样的大标题,恨不能个地缝钻下去——落后不丢人,可明明是落后,却要摆出已经超越的姿势,那才丢人呢。

此外,MJ“高模高强”碳纤维的产业化技术也是基本空白。空白到什么程度呢?兵器迷搜集到的公开资料甚至都不能肯定MJ的核心工艺是干喷湿纺还是湿法纺丝,只是猜测可能是湿纺。而且这些资料中,对MJ系列的微观结构鲜有深论。而众所周知,CFRP的宏观力学性能正是由于其微观结构决定的。虽然日方的M60J系列依然因为一些问题尚未完全成熟,但此物在航天级应用绝对是潜力股(卫星、航天器承力结构)。中方如果不加大预研力度,未来将如今天的T系列一般跟着别人后面亦步亦趋,成为又一个潜在的严重短板。

三、复材生产领域部分关键设备获得突破性进展,但对先进技术路线的跟进仍需加强
从中航复材的报道看,过去的自动铺叠设备和热压罐关键设备获得了较大的突破, 30米铺带机和30米热压罐都已经投入试生产和型号工艺验证,过去的大量核心设备空白在急速被填补。而且中航复材的第三代树脂基材料也保持了很好的发展势头。所有这些进步都使得复材生产领域获得了相当的能力提升。但是在降低成本和工艺复杂度上,比如美帝的真空辅助树脂转注成模VaRTM工艺为代表的低温整体成型方面,还需要盯紧对手的发展动态,加大技术储备和研发力度。

图2:美国VaRTM工艺


四、表征技术方兴未艾,但依然是中国复材生产的短板。
在历经多年的生产质量和成本难关之后,中国终于开始逐步发展自己的碳纤维表征技术和生产数据库。各大学材料专业、复材研究机构、生产厂家和最终用户,正在走到一起去研究碳纤维微观结构与宏观性能的种种奥秘。中航复材在生产设备之外,配备了色谱仪、红外光谱仪、DSC和DMA、透射电镜、扫描电镜、光学显微镜等仪器分析设备,掌握了红外热成像、蜂窝激光剪切干涉检测、超声三轴无损检测、超声机械手检测等仪器监测技术,并建立了大型超声C扫描无损检测设备研制及检测标准,拥有20个检测通道,单次检测范围7.5米X6米。

趋势是好的,但需要指出,我们的自主表征技术研发工作大多建立在观测分析上,但精密观测仪器却又大多来自国外。比如碳纤维内部结构表征探测的关键设备X射线衍射仪,用的是日本产品(如日本理学公司的D/max-rA),扫描电镜用的也是日本产品(如日本HITACHI的S-3400/4700)。而碳纤维表面结构表征探测的关键设备光谱仪,用的是英国产品(如Renishaw的RM1000)和法国产品(如法国的HR800)。

图3 日本理学公司的D/max-rA的X射线衍射仪


图4:日本HITACHI扫描电子显微镜



图5 :英国Renishaw光谱仪


这就是我们今天的局面:产品和设备这两块看得见的短板正在被强力弥补,而检测分析手段和工艺数据积累这两个更加隐性的领域却依然在起步阶段。

个人认为,碳纤维领域的最大问题不是生产原理,而是工艺细节。而工艺细节的保障,正是来自于表征技术的发达:没有设备就别想出产品——没有工艺参数和产品数据积累就是有了设备也无法保证质量和成本——而没有先进的检测与分析手段当然也就没有办法积累参数和数据。碳纤维就是这么个细活儿,想凑合凑合对付着来,那是门儿都没有。

正如中航工业复合材料首席专家专家蒲永伟所言:“当前国内的复合材料制造业是一个以经验和主观判断为主要生产手段的粗糙型产业,未来的发展趋势必然是以理论代替经验,以客观计算代替主观判断,辅以表征测试手段的发展,最终成为理论预测先行、过程规范操作、实时可视监控的现代化产业。”

对照一下我们的进步和不足,看看美国和日本的碳纤维产业实力。什么是深度垄断,什么是全产业链,什么是市场生态,什么是真正的工业强国,列位看官,不妨细细想来。

队伍和技术谈完,就轮到应用了,我们这就回顾一下近年来碳纤维复材在国内的应用,特别是军用,特别是航空军用。

预知后事如何,且听下回分解。


注:所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物,如:
    《碳纤维原丝生产工艺》
《日本碳纤维的生产和性能》
侯知健先生的文章《正确认识碳纤维的缺陷》
空军之翼魏楞杰先生的文章《先进复合材料飞机发展探》
    本文还引用了航空制造网的信息和图片,在此一并致谢!
更多文章,请见个人博客
http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1455885643_0_1.html
十年复材织天路,万里长空竞飞鸿
——中国碳纤维复材发展续篇(中)

上一篇谈到了碳纤维原丝和碳纤维复材的生产技术进展,在这一篇,我们将探讨的是碳纤维和碳纤维复材的检测和分析技术——表征技术。

这又是一个技术性很强的话题,兵器迷啃资料的时候,只觉得乏味、干涩、噎人。

咋说呢……基本上就是吃墙皮的感觉,

这位说了,你自己噎着就罢了,现在又来噎我们,真实良心大大的坏了!

其实,就是因为专业性太强,文字过于晦涩,国内进展情况未有公开等诸多因素,兵器迷在《原文》中,对这部分技术未做描述。但这类技术的意义其实对于碳纤维行业非常重大。因此,这一次我们就试着介绍一下。嗓子眼儿小的同学,请飘过直接看小结。

一、碳纤维复材的缺陷与碳纤维表征技术的意义

《原文》中,对碳纤维复材的优点做了比较多的介绍,其实碳纤维也有很多固有的缺陷,这一次就结合表征技术来谈谈这些问题。

首先,由于碳纤维复合材料是以层结构为基础的,而其层间的结合力相对薄弱,所以一旦出现分层的情况,就会对其整体性能造成严重破坏。麻烦的是,航空承力级复合材料部件的损伤,大多数发生在维护时的各种碰撞、拆卸过程中。而因此产生的分层缺陷往往出现在复材内部,一开始从外表面是很难发现的。而制件的结构强度却可能因此最大下降接近一半,对安全运营所造成的潜在风险可想而知。

再有,即使碳纤维原料没问题,加工成碳纤维复合材料时也会遇到难题。因为CFRP是典型的难加工材料。特别是钻削加工时,在钻孔出口处,很容易产生分层、毛刺和撕裂等缺陷,对碳纤维复材的成品质量构成潜在威胁。而孔出口缺陷中,撕裂往往比毛边的尺寸更大。随着钻头的进给速度、进给量、钻头直径和轴向力等因素的增大,撕裂缺陷将变得越发严重。

最后,用于粘结碳纤维和形成复合材料整体的树脂基体的韧性比较差。即便碳纤维复材本身没有问题,其制件之间的粘合也可能因为树脂基性能下降而导致制件解体。

上面种种问题,都导致复材制件质量下降,成本上升,使用安全性受到严重挑战。所以在《原文》中谈到碳纤维复材制件不但生产上独具特征,在日常维护、测试、修复的经验、流程与方法,与金属构件相比,都会发生颠覆性改变。为此,人们需要完全不同于金属探伤的专门技术,来探测碳纤维复材的内部和表面结构,从而在原料生产-产品成型-设备运营的材料全生命过程中,精确把握其材料特征和力学性能。因此诞生了碳纤维表征技术,即对碳纤维材料的表面结构表征和内部结构表征进行探测、研究和分析的技术。

举个例子。上面谈到的复材加工钻削出口工艺难题,一直困扰着复材加工行业,导致产品加工后质量达标率偏低。国内某企业正是通过复材表征技术设备的检测,再结合加工刀具运动的记录数据,综合分析最终发现了一个特点:就是复材加工时,随着钻头转速的增大,将使出口撕裂值变小,产品质量得到提升。结合进给速度增大导致撕裂值变大、钻头转速增大导致撕裂值变小这两个特点,企业经过反复试验,最终将切削速度与进给速度比值控制在3000-4000以下,有效地减小了撕裂值,保证了复材产品加工质量。

既然表征技术这么重要,那么它都包括哪些具体的技术手段呢?

二、碳纤维表征技术概述

内部结构表征技术:
以X-射线衍射、电子衍射、隧道扫描显微镜等设备为基础。

其中,X-射线(广角、小角)衍射研究,可以获得碳纤维的取向度、微晶尺寸、石墨化度等重要信息。其数据统计意义上的,对研究材料基本性能
具有很高的价值,但难以确切反映碳纤维内部结构的局部特征。

电子衍射,是通过透射电子显微镜获得碳纤维材料的取向角、层间距、微晶尺寸,发现其内部各种缺陷。其数据是微米级别的,对碳纤维无损探伤具有重要意义。

隧道扫描显微镜、原子力显微镜则可以获得纳米级或原子级的信息,使得人们对碳纤维复材的微观结构认识达到了一个更深入的层次。

表面结构表征技术:
主要依靠X光电子能谱。它可以定性、定量分析碳纤维表面元素和其存在状态。因为物理学发现,当固定激发源能量时,X光形成的光电子的能量仅与物质表面元素的种类和所电离激发的原子规定有关。因此,就可以根据冠电子的结合能定型分析碳纤维表面的元素种类。X光电子能谱就可以定性、定量分析碳纤维表面存在的元素和状态。

三、碳纤维复材表征技术的应用

碳纤维复合材料的表征技术,主要应用在三个方面:

1 生产环节的表征测量,用于监控生产质量和优化生产工艺
2 检测环节的表征测量,用于检验产品质量和分析产品性能
3 使用环节的表征测量,用于监控设备寿命和确保安全运行

国内方面的应用进展如下:

中航复材:材料表征技术方面先进技术主要有:复合材料成分微结构及理化表征技术、复合材料使用性能测试表征技术、复合材料无损检测与评估技术、复合材料服役环境结构模拟分析技术。自行开发了7.5米X6米多通道检测仪,其FJ系列窄脉冲换能器以其优异的声学性能,解决了复合材料无盲区检测的需求,达到了同类产品世界领先水平。

中航复材:自行开发了多型号便携式超声设备,满足复合材料结构外场服务的需求。。

在十五期间国产T300级碳纤维成熟产品。哈工大复合材料及结构研究所,就在2007年使用电子扫描显微镜、X射线衍射仪、显微光谱仪、光电子能谱仪等设备,对国产T300级碳纤维GCF,与日本、美国同级产品进行了结构表征与性能比对分析。综合测量分析的结果,肯定了GCF的微观结构规整,与T300具有相当的弹性模量,且可与树脂基提形成较强的界面作用。同时指出缺点是表面微晶尺寸较大,不利于纤维强度的提高。

沈飞公司:建立复合材料构件制造单元技术数据库,尝试多元化分析手段,采用数字影像技术监控制造全过程用以建立并追溯构件的全程制造历程。沈飞公司与大连理工大学等六家单位对复合材料承力结构件制造进行研究,内容囊括了复合材料从原材料到成形、固化、检测,再到装配的整个制造过程的基础研究工作,可以对复合材料结构件的设计形成反馈。

小结
说起中国碳纤维复材近年来的发展,真可谓可圈可点。

一、碳纤维行业第一梯队已经隐约可见。

当前国内的碳纤维企业林林总总,一哄而起全面开花的局面仍然存在。但随着近年产业推进大浪淘沙,似乎正在发生悄然改变。

原丝领域:
资料显示,2013年底为止中国的PAN原丝生产厂家竟然有30多家,建成总产能已经突破2万吨。中国人一哄而起、跟风赶潮的架势,真是惊人。然而大部分产品质量低劣,成本高于国际价格,因此市场需求度不高。2013年国内生产碳纤维不足3000吨,仅发挥了生产能力的1/10,导致大量设备闲置,全行业总体亏损。而同期,我国进口碳纤维及其制品12386.2吨,同比增长了34.5%;进口额达3.83亿美元。相当于国内产量的4倍。

反观国际上规模化的PAN原丝生产厂商,一共才7家,其中仅东丽一家的产能就接近中国的总和。

不过,在市场的洗礼之下,近年来中国已经开始出现行业洗牌,龙头企业初步显现。江苏航科的T800、中复神鹰的T700都是大热。2015年6月,中复神鹰开建年产3500吨碳纤维生产线三条,计划在3年内完成建设并进入投产,项目总投资达10亿元。项目建成后,将形成原丝15000吨/年及碳纤维6000吨/年生产力,是我国最大的碳纤维生产基地。

有趣的是,江苏航科与西光所合作,是中科院背景;中复神鹰隶属中国复合材料集团有限公司。有趣的是两家一个在镇江,一个在连云港,使得江苏成为中国碳纤维原丝的最大基地。

北方的吉化也不弱,当年“高性能T300级碳纤维及原丝制备成套技术”是吉化的镇宅之宝,凭这个获得中国石油2009年度科技进步特等奖。现在碳纤维原丝产能达到5400吨/年,碳纤维产能达到818吨/年。特别是,碳纤维产品规格涵盖1K至48K不同级别。看过《原文》的同学,应该明白吉化是以小丝束为主的生产结构,以及这意味着什么。点到为止,呵呵。

航空复材领域:

这与原丝领域科研+地方的合作模式不同,一水儿的国家队。中航工业一口气在哈飞、沈飞、西飞、成飞、昌飞、洪都等多家企业建立了航空复材中心。同属于中航工业背景的中航复材,落户北京,颇有后来居上之势。450人的小单位,一半硕士博士,先进设备眼花缭乱,拥有具完全自主知识产权的复合材料数据库,和国内最多的复合材料树脂牌号/预浸料牌号。
中心领导誓“为我国的新型军机和大型民机的研制和定型生产提供坚实保障” 军民通吃,好大的口气。复材收入初创时1亿多元/年4年翻三番达到2014年的9亿多元,成为碳纤维复材生产的大户——林左鸣也真是护犊子,国字特别是军字的大订单基本上被中航复材尽入囊中,当真是肥水不流外人田啊,呵呵。

图1 中航复材的官方和军方背景可见一斑

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2015-6-7 18:53 上传




二、原丝领域部分技术工艺获得突破性进展,但仍有部分产品线空白。
T系列如T800和T700的生产,从十五计划开始到今天,从原料、设备、工艺、规模上都有实质性的进展。未来需要的是大规模生产、稳定质量和降低成本,并对更高端的产品持续跟踪研发。说“跟踪”有点难听,但。我们在T800打拼的时候,人家在强攻T1100,要承认现实,对吧。何况,国内T800的“高强中模”和“基本高模”工程化还是空白呢。兵器迷看到国内媒体报道说“中国T800性能超过日本” 这样的大标题,恨不能个地缝钻下去——落后不丢人,可明明是落后,却要摆出已经超越的姿势,那才丢人呢。

此外,MJ“高模高强”碳纤维的产业化技术也是基本空白。空白到什么程度呢?兵器迷搜集到的公开资料甚至都不能肯定MJ的核心工艺是干喷湿纺还是湿法纺丝,只是猜测可能是湿纺。而且这些资料中,对MJ系列的微观结构鲜有深论。而众所周知,CFRP的宏观力学性能正是由于其微观结构决定的。虽然日方的M60J系列依然因为一些问题尚未完全成熟,但此物在航天级应用绝对是潜力股(卫星、航天器承力结构)。中方如果不加大预研力度,未来将如今天的T系列一般跟着别人后面亦步亦趋,成为又一个潜在的严重短板。

三、复材生产领域部分关键设备获得突破性进展,但对先进技术路线的跟进仍需加强
从中航复材的报道看,过去的自动铺叠设备和热压罐关键设备获得了较大的突破, 30米铺带机和30米热压罐都已经投入试生产和型号工艺验证,过去的大量核心设备空白在急速被填补。而且中航复材的第三代树脂基材料也保持了很好的发展势头。所有这些进步都使得复材生产领域获得了相当的能力提升。但是在降低成本和工艺复杂度上,比如美帝的真空辅助树脂转注成模VaRTM工艺为代表的低温整体成型方面,还需要盯紧对手的发展动态,加大技术储备和研发力度。

图2:美国VaRTM工艺

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2015-6-7 18:49 上传



四、表征技术方兴未艾,但依然是中国复材生产的短板。
在历经多年的生产质量和成本难关之后,中国终于开始逐步发展自己的碳纤维表征技术和生产数据库。各大学材料专业、复材研究机构、生产厂家和最终用户,正在走到一起去研究碳纤维微观结构与宏观性能的种种奥秘。中航复材在生产设备之外,配备了色谱仪、红外光谱仪、DSC和DMA、透射电镜、扫描电镜、光学显微镜等仪器分析设备,掌握了红外热成像、蜂窝激光剪切干涉检测、超声三轴无损检测、超声机械手检测等仪器监测技术,并建立了大型超声C扫描无损检测设备研制及检测标准,拥有20个检测通道,单次检测范围7.5米X6米。

趋势是好的,但需要指出,我们的自主表征技术研发工作大多建立在观测分析上,但精密观测仪器却又大多来自国外。比如碳纤维内部结构表征探测的关键设备X射线衍射仪,用的是日本产品(如日本理学公司的D/max-rA),扫描电镜用的也是日本产品(如日本HITACHI的S-3400/4700)。而碳纤维表面结构表征探测的关键设备光谱仪,用的是英国产品(如Renishaw的RM1000)和法国产品(如法国的HR800)。

图3 日本理学公司的D/max-rA的X射线衍射仪

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图4:日本HITACHI扫描电子显微镜

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图5 :英国Renishaw光谱仪

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这就是我们今天的局面:产品和设备这两块看得见的短板正在被强力弥补,而检测分析手段和工艺数据积累这两个更加隐性的领域却依然在起步阶段。

个人认为,碳纤维领域的最大问题不是生产原理,而是工艺细节。而工艺细节的保障,正是来自于表征技术的发达:没有设备就别想出产品——没有工艺参数和产品数据积累就是有了设备也无法保证质量和成本——而没有先进的检测与分析手段当然也就没有办法积累参数和数据。碳纤维就是这么个细活儿,想凑合凑合对付着来,那是门儿都没有。

正如中航工业复合材料首席专家专家蒲永伟所言:“当前国内的复合材料制造业是一个以经验和主观判断为主要生产手段的粗糙型产业,未来的发展趋势必然是以理论代替经验,以客观计算代替主观判断,辅以表征测试手段的发展,最终成为理论预测先行、过程规范操作、实时可视监控的现代化产业。”

对照一下我们的进步和不足,看看美国和日本的碳纤维产业实力。什么是深度垄断,什么是全产业链,什么是市场生态,什么是真正的工业强国,列位看官,不妨细细想来。

队伍和技术谈完,就轮到应用了,我们这就回顾一下近年来碳纤维复材在国内的应用,特别是军用,特别是航空军用。

预知后事如何,且听下回分解。


注:所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物,如:
    《碳纤维原丝生产工艺》
《日本碳纤维的生产和性能》
侯知健先生的文章《正确认识碳纤维的缺陷》
空军之翼魏楞杰先生的文章《先进复合材料飞机发展探》
    本文还引用了航空制造网的信息和图片,在此一并致谢!
更多文章,请见个人博客
http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1455885643_0_1.html
支持楼主好文
复材得研究航天方面取得的成果,他们做的要好些
感谢科普,学习很多。
测量仪器仍然是我们的短板,特别是高精度测量仪器。看中科院,各大院校的试验室测量仪器清单,很多清一色的进口设备。这方面差不多是G7的天下。
感谢楼主资料


说道加工那一段,深有体会。其实说德,日加工强,德国不知道,日本其实也没有那么神秘,就像文章中说的那样,把可能影响的因素一个一个试,最后找到最佳组合而已。
我接触的一个加工厂,给日本人做零件,铝合金切削。和在日本加工的零件相比表面粗糙度达不到。国内工厂的老板和技术人员在没有做任何试验的情况下,就得出结论“毛坯的含硅量和日本不一样”。日本人并没有讲什么,要了些国内的毛坯。然后回去就寄来了日本的毛坯,另外,寄来了一份报告。用国内的毛坯和日本的毛坯,不同的刀具,不同的转速,不同的切削油的上百种组合的加工后的所有粗糙度数据。最绝的是,中国的毛坯还是不同批次的。
其实日本人只是想和那家工厂讲,在你得出结论前,一定要试验。
日本很多小厂的加工水平都是世界级的,你看它的设备比国内现在很多厂家还差,原因无它,几十年一直在做同样的东西,丰富的经验和超级的稳定性。
技术革新很重要,但踏实的基础才是根本。

说道加工那一段,深有体会。其实说德,日加工强,德国不知道,日本其实也没有那么神秘,就像文章中说的那样,把可能影响的因素一个一个试,最后找到最佳组合而已。
我接触的一个加工厂,给日本人做零件,铝合金切削。和在日本加工的零件相比表面粗糙度达不到。国内工厂的老板和技术人员在没有做任何试验的情况下,就得出结论“毛坯的含硅量和日本不一样”。日本人并没有讲什么,要了些国内的毛坯。然后回去就寄来了日本的毛坯,另外,寄来了一份报告。用国内的毛坯和日本的毛坯,不同的刀具,不同的转速,不同的切削油的上百种组合的加工后的所有粗糙度数据。最绝的是,中国的毛坯还是不同批次的。
其实日本人只是想和那家工厂讲,在你得出结论前,一定要试验。
日本很多小厂的加工水平都是世界级的,你看它的设备比国内现在很多厂家还差,原因无它,几十年一直在做同样的东西,丰富的经验和超级的稳定性。
技术革新很重要,但踏实的基础才是根本。
我们在走量的同时攀高。
从易到难,慢慢来。只要有钱赚,假以时日,中国产品达到中高端也就20年的时间了
仪表工业部在朱 镕 基的抓大放小下全部解散是一个不小的遗憾
感谢楼主资料..{:soso_e179:}
去年传闻吉化碳纤维停产了,不知真假。
就像是钢材的研制一样,需要的不仅仅是理论研究,更重要的是经验!
仪器仪表这一块确实差距大,可以说做精密仪器的技术要求比(测试测量的)产品本身高很多。就拿高端示波器来说,美帝的三个品牌绝对的遥遥领先于世界,连日本也差之甚远。
现在都在吹3D打印国内如何如何,其实3D打印最重要的还是材料
看到仪表这块深有感触,我父亲就是仪表专业毕业的,后来在厂里也一直和计量检测仪表打交道,听他说这块的高端部分,基本依赖进口。
我们的工业比起20年前,那是超出太多了,但是还远未到可以乐观的时候,真正的工业核心基础这一块,我们还差得比较远。所以有时候看到坛子里一些极度乐观,红得发紫的同志们的言论,哭笑不得。
慢慢来吧
泰国刀削面 发表于 2015-6-8 10:32
说道加工那一段,深有体会。其实说德,日加工强,德国不知道,日本其实也没有那么神秘,就像文章中说的那 ...
呵呵

你老板没有给足加工费


给足了,要什么样的光洁度有什么样的光洁度

说道加工那一段,深有体会。其实说德,日加工强,德国不知道,日本其实也没有那么神秘,就像文章中说的那 ...
别说几十年了,就是让国人十年长期做下去未必都做得到。都喜欢短平快了。
总的来说复合材料基本就是两大问题.
一如何造,二如何用。
china_B-2 发表于 2015-6-8 13:50
去年传闻吉化碳纤维停产了,不知真假。
不是吧,去年6月还有吉化的好消息啊。
有营养的好文章,期待下篇。
kkdidi 发表于 2015-6-8 19:05
呵呵

你老板没有给足加工费
我帖子里已经写了,很多日本小厂的加工设备比现在国内很多厂的设备还要落后(一个小厂的设备折旧是需要很多年的)。
工人的工资也只是平均工资。有时候不光是钱的问题,也是态度的问题。
钱虽然很重要,但如果什么都是钱才能解决的话,企业是没有潜力的。这次用钱,下次还用不用了?
另外说一点,有时候没有经验,没有技术,你给足了钱,光洁度也做不到。
泰国刀削面 发表于 2015-6-8 20:43
我帖子里已经写了,很多日本小厂的加工设备比现在国内很多厂的设备还要落后(一个小厂的设备折旧是需要 ...
NO


机加这块,我还真不是外行

十几年前,一小时机加,老板给几块钱,,,现在不知道了...

每个机加工人每月要几千机加小时才在工资上好看点




大件没有人去算机加小时按件算...

大件的难点是找准和检验,机加水平大家都差不多


“但是在降低成本和工艺复杂度上,比如美帝的真空辅助树脂转注成模VaRTM工艺为代表的低温整体成型方面,还需要盯紧对手的发展动态,加大技术储备和研发力度。”

VaRTM工艺最贵的部分就是“工钱”。如果中航在低温整体成型方面无法降低成本,无非是说中航吃闲饭的人太多了。



VaRTM的工艺还要“加大技术储备和研发力度”?开玩笑吧?
“但是在降低成本和工艺复杂度上,比如美帝的真空辅助树脂转注成模VaRTM工艺为代表的低温整体成型方面,还需要盯紧对手的发展动态,加大技术储备和研发力度。”

VaRTM工艺最贵的部分就是“工钱”。如果中航在低温整体成型方面无法降低成本,无非是说中航吃闲饭的人太多了。



VaRTM的工艺还要“加大技术储备和研发力度”?开玩笑吧?
兵器迷的天空 发表于 2015-6-8 20:17
不是吧,去年6月还有吉化的好消息啊。
我去年听说他们工人都转岗了。吉林市其实还有家私营的碳钎维厂,人家工人说吉化都是跟他们学的,但他们也不怎么样,后来这个私企好像也卖掉了。以上都是传闻啊,需要的话可以跟吉化的人确认下。
大赞!!!

CD就是因为一篇篇像LZ这样的文章而不同于那些卖鞋子、卖马甲,靠“惊爆、女兵、大杀器、绝密”之类标题浑水摸鱼的所谓军事网站的。
中航复材、江苏航科、中复神鹰哪个上市了?
7楼讲到了点子上了,中国太过于急功近利。原来古时候的匠人工艺传统没有了


仪表这块朱棺材要负很大责任,全被他关的关,卖的卖,当初田湾核电站建设需要部分仪表,国内本有能力自主配套,但企业已经被关了,最后被迫进口。整个仪表工业在上世纪90年代几乎是被连根拔起,彻底摧毁

仪表这块朱棺材要负很大责任,全被他关的关,卖的卖,当初田湾核电站建设需要部分仪表,国内本有能力自主配套,但企业已经被关了,最后被迫进口。整个仪表工业在上世纪90年代几乎是被连根拔起,彻底摧毁


仪器是基础行业,是科研的基础。。高端基本全部沦陷了,朱责任这点上被骂是应该的。

仪器是基础行业,是科研的基础。。高端基本全部沦陷了,朱责任这点上被骂是应该的。
hswz 发表于 2015-6-8 12:28
仪表工业部在朱 镕 基的抓大放小下全部解散是一个不小的遗憾
没解散前,国内有啥仪表能够拿到世界上见人?
复合材料除了碳纤维还包括哪些?
请楼主看这条 链接http://blog.sina.com.cn/s/blog_47ea0ee40102v4ew.html

国产T1000高性能碳纤维面市 (2014-09-14 09:01:59)转载▼
标签: 财经       
       日前,江苏航科复合材料科技公司的T1000碳纤维产品生产中试成功,从原丝到技术均为自主研发,而且包括稳定性在内的各项产品性能指标完全可以比肩日本东丽公司同类产品。这是航科公司继2012年建成国内首条T800碳纤维生产线并实现稳定批量生产后取得的又一突破。
    据悉此次T1000碳纤维中试生产线规模为50吨/年,中试产品已在第三方权威机构北京航空航天大学高性能碳纤维检测分析中心、北京化工大学碳纤维及复合材料研究所等单位进行了测试。结果表明,航科T1000碳纤维中试产品拉伸强度、拉伸模量、断裂延伸三大主要性能指标以及线密度、导热率等其他各指标,均与国际碳纤维巨头日本东丽公司的T1000产品相当。此前,产品稳定性不足一直是困扰国内碳纤维产业多年的“魔咒”,也是企业研发的软肋和瓶颈之一。检测显示,航科T1000产品的稳定性也毫不逊色,产品变异系数(CV值)与东丽公司同级产品相当。
    目前航科公司生产碳纤维所用的原丝均由企业自主生产。T1000与T800是同一条生产线经过技术改造升级得到的不同产品,其模量是一样的,但T1000强度更高,主要用于T800无法满足需求的特殊行业应用。鉴于航科T800的生产技术已经成熟,T800产品也能够满足多数用户需求,所以目前仍然主推T800;但如果后期市场有需求,可以着手生产T1000。
    据介绍,目前航科公司围绕碳纤维研发已申请专利85项,其中24项已获授权,此外还编制设备制造规范20项、生产工艺规范40项、过程跟踪测试规范68项、T700和T800企业标准各1项,为碳纤维生产奠定了良好的技术研发和产业化基础,也为我国碳纤维产业发展积累了宝贵的经验。
    碳纤维被誉为工业界的“黑色黄金”,广泛应用于航天、航空、汽车、化工、能源、建筑、体育及核工业等领域。高性能碳纤维不仅质量轻,而且强度可以达到超高强度钢材的13-20倍,同时还具有极佳的耐腐蚀性等优点,是国防尖端技术和改造传统产业的基础原材料。当前,全球高性能碳纤维生产技术仍主要集中在日本东丽、美国赫氏、德国西格里集团等少数企业手中。
疯狂大路易 发表于 2015-6-10 11:15
请楼主看这条 链接http://blog.sina.com.cn/s/blog_47ea0ee40102v4ew.html

国产T1000高性能碳纤维面市 ( ...
谢谢您的评论和转载。
是这样,如果您看过我的系列全文,会了解我有一个观点:25吨/50吨这样的产量,对于碳纤维规模生产实在不能算是合格,这与金属工艺不一样。碳纤维如果年产不超过300吨,就谈不上工艺过关。50吨/年,是什么概念,一天几百公斤的产量,这对碳纤维生产,是实验室水平。数量集高一级,产品设备、工艺参数都会发生改变。据我所知,T1100级的国内实验室也做出来过,那又如何?
当然,实验室能做出来也是好事,起码比做不出来有进步。
再次感谢您的补充。
2015-6-10 22:56 上传


江苏航科的千吨级T800碳纤维生产线正在建设当中,计划今年底投产。
至于T1000,计划是2020年千吨级生产线投产。根据研发规律,那个时候T1200一级的碳纤维应该能够在实验室小规模制备。
希望一切顺利吧,科研人员能够沉下心来不要急于求成地超美赶日,目前眼下尽快地将T800大规模生产的工艺流程稳定下来以解决国防科研等方面的需求而不再受制于人。
好文章要认真阅读 !!!
挺痛心的不知道韩国水平这么样
认识到差距,加油就好