十年复材织天路,万里长空竞飞鸿(下)

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/28 02:26:36
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(下)



《中篇》发出后,有朋友急了,催着快发《下篇》。

抱歉,工作太忙,几天连着夜里爬格子,也不容易啊。这不,您要的菜——来了。
小结之五、材料研究急进,而应用领域滞后的现象凸显。
相比上述原丝和复材等材料方面进展,中国碳纤维应用领域的滞后反而更加凸显了,这是一个非常尴尬的现象——进步会凸显落后。

一、军用航空领域的应用

估计很多网友吃了前两篇的墙皮,就为了等这一口儿呢,呵呵。

1 非承力结构
比如雷达罩、各种口盖,很早就用复材了,不赘述。(参见《原文》)。

2 次承力结构:
1985年,沈飞112和洪都320分别研发的在垂直尾翼上应用复合材料的飞机领先试用成功,但没有批产。   
1990年,洪都320在飞机前机身段上应用复合材料,领先试用成功,但没有批产。      
1993年,沈飞112歼8-3在垂直尾翼和前机身上应用CFRP复材,达到飞机结构重量的2%,实现了在批量生产飞机次承力结构上的突破。此后飞豹的垂尾开始批量用CFRP,猎鹰也是这样(参见《原文》)。

2007年以后,军方广泛使用CFRP做次承力结构,歼10的后续批次等后续机型,在雷达罩、前机身、鸭翼、副襟翼、垂尾、平尾、和机尾短舱、起落架舱门等各种次承力结构都批量使用了CFRP

有朋友问:1985年试飞成功,到1993开始少量批产,再到2007年大批量使用,为什么隔了这么久?

一个原因就是,直到2007年以后,国内T300才比较成熟。此前的2005年,3K小丝束的T300曾经从800元/公斤暴涨到8000元/公斤。现在呢?才不到200元,为啥?T系列和很多产品一样,只要中国会做了,就能做到烂了为止。国内以吉化为首,T300现在国内产能万吨以上,国外快没得做了(参见《原文》)。随着国内攻克关键技术,T700国外价格也开始大幅跳水,压制中国本土产品的大规模应用。T800迟早也是这条路,咱们等着瞧。
               
3 主承力结构:
直升机应用环境不一样,走的比较快,直10、直19 、直20和AC313已经直接用CFRP做机身结构框架、直升机旋翼和桨页(见《上篇》介绍)。机翼蒙皮和直升机尾翼部件也都用了碳纤维。

固定翼战机用复材,可就慢多了。

J8-2
1995年9月28日,首次将CFRP应用在主承力结构机翼上
1999年,该项目被授予国家科技进步二等奖。

有朋友高兴了,问,这么重要的机翼复材,还是国家级二等奖,实际减重有多少呢?

只有40公斤。估计只是在机翼上用了部分复材,而不是全复合机翼。

J11B
中国军机真正的大动作复材减重,是从歼11B开始的。在上篇发表后,CD的网友就热烈讨论中国军机试用碳纤维的情况。有些同学认为J11B等三代机已经有CFRP全复材机翼。那么,本文就以歼11B为一个缩影,稍微展开,谈谈我军用航空领域的碳纤维复材应用进展。兵器迷的了解也有限,就着公开信息抛砖,肯定有争议,大家讨论吧:

21世纪初,J11B的复材全面使用计划开始启动
2002年,中国一航制造所在型号没有正式立项之前,提前组建了材料和标准件研制队伍,用四年时间完成了与三代机相关的500多项机体材料,包括CFRP材料
2006年,J11B碳纤维复材的研制和应用验证基本完成,CFRP使用量高达555公斤,占飞机总重量的9%,减重效率达到17%
2008年8月,国产CFRP全尺寸部件通过静力试验考核
2008年1 2月,通过了装机评审,转入装机应用阶段。

点评:
第一个问题: CD有朋友问,什么叫“大规模、大比例”使用复材?

官媒所称11B的大规模,是自己和自己比,从原来的J8-2的2%左右,提高到J11B的9%,这就是大规模。但和国外比,低于20%,已经很难说是大规模了——F22的22%,鱼鹰的42%,阿帕奇的50%,X-45验证机的90%...(参加《原文》)。

第二个问题:这个减重计划是否包含了全复材机翼呢?

个人的研判没有这样乐观——大家看完再批斗。

1) 从复材机翼的工艺上看:

要实现全复材机翼,必须要掌握全复材翼面盒段工艺。CFRP翼面盒段结构的成型工艺主要有三种。嗯,墙皮很厚,大概聊几句吧,不具体展开。
1: π形接头盒段结构成型工艺。国内的应用似乎仅限于垂尾。
2  T 形接头骨架与上、下蒙皮一体成型工艺。主要应用限于垂尾和平尾。
3  T 形接头骨架与下蒙皮一体成型工艺。这才是真正可以用于战斗机机翼主承力结构的工艺。如EF2000 和F2 。国内对于该类结构的成型工艺只是近年来才完成了相关的工程验证,并得到试验应用,但尚未看到批产的报道。目前TG主力军机在机翼长桁、翼梁等关键承力制件上,还是用的钛合金。因此,2008年的J11B,复合材料用量只有结构重量的9%,而钛合金用量为15%的原因。

2) 从复材使用重量来看:

从美帝数据看,如果真正全复材机翼,使用量应该是比较大的,比如:
F/A-18的复材机翼,CFRP使用量就已经达到744公斤
小身材的AV-8B的复材机翼,使用量430公斤

即便仅仅是次承力结构使用复材,也要有一定的使用量
F-14仅仅是复材平尾,使用量也有374公斤。
F-5的复材垂尾,使用量38公斤
F-15的复材减速板,使用量40公斤
F-16的复材起落架舱门,使用量20公斤

从这些数字看,555公斤的复材对于J11B来说,真心不算多。因为雷达罩、尾椎、平尾、垂尾、盖口、舱门……这些已经在其他机型适用的复材部件加起来,重量已经不少了(想想J11B的双大垂尾)。还别忘了,官泄J11B可是第一个使用复合材料进气道的机型——那个关于复合材料进气道故障引发的网上争论,曾给沈飞的互联网名声增添了些许麻烦。那么,将使用复材的次承力结构和非承力件用量减去,剩下给机翼做复材的结构重量,还能有多少。您自己算算,J11B能是全复材机翼?

插一句,大量报道中有J11B“广泛利用复合材料,全机减重达700公斤”一说,似乎有断章取义之嫌。按照美军使用航空复材的记录和中国官方的披露,CFRP部件的减重效果,从12-44%不等,大多数在20-30%之间。J11B仅靠555公斤复材就能减重700公斤是难以想象的。即便700公斤减重这个数不假,也是所有500多项新复材与新工艺(如钛合金近净成型)共同达到的效果。

3) 从复材使用率来看:

两个经验数据——10%和7%

10%
中航工业益总2014年的公开谈话表明“中国战机复合材料的最大使用量不到结构重量的10%”,侧面验证了其他渠道报道J11B的9%的正确性。如果能够使用全复合材料机翼,这个占比不会这么低。因为国外军机用了全复材机翼的,复材用量一般会超过结构重量的10%。比如:1976年世界第一款复材机翼F/A-18,复材结构重量占比就超过了13%

7%
从好的方面看,如果完全没有主承力结构用CFRP,复材结构重量占比高于7%也不大可能。因此,J11B的9%表明一定在主承力结构使用了复材,只是用了多少、用在哪里的问题。

用在哪里呢?

机翼的复材化,根据技术难度的由浅入深,大致分为四个层次
1 指副翼、襟翼:是次承力结构,在当时是已实现技术,应该不在话下。
2指翼面蒙皮材料:是次承力结构,也是比较有把握的。
3指外翼翼盒:全复合材料外翼翼盒已经是主承力结构,冲着官媒“国产CFRP全尺寸部件通过静力试验考核”这一句,也是有可能的。

图1 ARJ21外翼翼盒



4指中央翼翼盒:涉及中央翼盒段梁、上下壁板及长桁,与中机身一样,是主承力中的主承力,难度很高。时间上看J11B在2008年进入装机应用,中央翼盒复材技术彼时应该尚未成熟;从复材555公斤的重量上看,再加一倍也很难有足够余量满足复材中央翼翼盒了,可能性甚微。

图2:空客A400M的中央翼盒



因此,兵器迷的结论是:J11B最多使用了复材外翼。而中央翼(特别是主承力C型翼梁)估计是钛合金。

4)从官媒披露看:
2014年,中国复材大师,北京航空材料研究院科技委主任益小苏说:“世界军机的机翼自上世纪80年代后就已复合材料化了,我国至今尚无批量生产的复合材料机翼问世”。

果真如此,你说我们的差距有多大?仅仅从全复材机翼这一点看,怕20年不止啊。

当然,J11B是2008年的情况。7年过去,国内中央翼复材化的技术也已在路上。2015年4月,上海某项目已经对复材中央翼和外翼进行招标,有兴趣的朋友,可以关注一下,谁是投标方,谁是中标方。

话说回来,从另一个方面看,航空级碳纤维复材的主承力应用,也确实需要一个过程。比如美国垂尾应用CFREP历时10年,而机翼和机身的应用过程则长达30多年,而且还有反复。比如,F22设计时计划如同三代机一样也采用全CFRP机翼,后来试验证明在超音速巡航、过失速机动、抗机炮破坏等环境下的能力远未达标。最终又换回了钛合金。后来的批次,能够做到的,也是钛合金的主翼梁搭配复合材料的非主翼梁。

还有一个问题:钛合金制件坏了,可以做金工修补;CFRP复材要是坏了,特别是层移了,那基本上就等着整体换件了。对于民用、军用运输机、无人机或者一次性军用品(如导弹),这也许是可接受的。但载人战斗机如果遇到主承力结构(如机翼)局部损伤就必须全部更换,在外场那是相当麻烦。F2的全复材机翼用上以后,曾经多少年连大过载都不敢随便做,就是因为复材质量难以控制。

下面再简要谈谈最近比较热的“太行复合材料外涵道机匣”的报道。

图3:网上流传的太行复材外涵机匣

太行能用上复材机匣,本来是好事。可是报道中一句:“是国外第四代发动机技术”让很多网友产生了两种看法。一种是以为这是第四代战斗机动力的技术,另一种认为这是目前最先进的发动机复材应用技术。因此稍微澄清一下。

1 对于第一种看法:
树脂基复合材料在航空发动机低压段的风扇和压气机等冷端部件上,早已大量采用。见下表:

表1:复材外涵机匣的动力型号列表(举例)


因此,不只是四代机,三代半、三代改型,军机、民机都大量采用了该技术

对于第二种看法:
不只是外涵机匣,难度更大的风扇静子叶片也大量采用了复材。比如普惠的PW4084和PW4168,F119。德国MTU的PW8000从1996年就开始试用复材静子叶片。甚至不止是定件,连转子叶片这样的动件比如GE90、GENX用的也是复材。所以太行用复材机匣,只是起点,不是高峰,大家沉住气,后面一定会有更多的精彩。

图4:GE90系列发动机复合材料风扇转子叶片


原文中的所谓“第四代”……估计是指发动机材料的钢-铝合金-钛合金-复材吧,瞎猜。

总之,过分炒作某一种材料的发展其实意思不大,因为再先进的材料都有自己的短板。军机材料的使用是一个体系化工程,目标是开发满足战术需求的作战平台。在材料选用上的原则是权衡取舍,系统最优,而不是简单粗暴,刚度替代。

相比较喧嚣的媒体,本文前两篇发表之后,种花首版ZIBAO一口气做了3000多字的长评,确实高屋建瓴,极有见地,兵器迷心有戚戚,帖在本篇后面的回复里,欢迎大家细赏。

兵器迷觉得,中国军事装备技术的发展,大体经过了两个阶段,正在走向第三个阶段。

第一个阶段,就是以型号为中心。一个型号任务下来,就赶快去发展针对性的配套。于是型号平台等动力、等电装、等弹药、等材料,比比皆是,怎一个等字了得。

为什么呢?为了钱。TG家底薄,1970年代末外汇储备最低才2亿美元。很多军品技术研发经费只能是跟着型号下来。当然,没型号就做的预研也有,但僧多粥少,除了战略项目基本上是撒芝麻了,故此再慢也是无奈。所谓预研一代,生产一代,装备一代的说法,这个“代”指的也是型号,而不是技术。技术等型号,等来等去,要么型号等不及技术了,才有和平鸽裸机抢先飞,旅大级无弹护巨浪的事情。就是到了歼10早期动力,整体涡轮盘不是也推迟了?要么就是型号迟迟无法定型,比如红旗61,LY60,等技术材料都等出来定了型,也已经过时了。

所以那时候就是个急就章,赶上型号这班车的就上了。赶不上的,技术储备等下一个型号吧,一等十几年也有。空军战机投资巨大,咱就说小点的直升机。1980年代初,型号匮乏导致的科研迟缓到什么程度?直升机所里的年轻技术人员甚至组成乐队在夜市上卖艺赚生活费。很多直升机老人,一辈子的工作就是设计了一个零件。武直10一出来,白发苍苍的他们没有一个不是抱头痛哭的,为了武直,也为了自己。难怪总师吴希明现在一做报告就像祥林嫂一样唠叨自己十年间参加了两个重要型号的设计,多么多么幸运。

第二个阶段,就是以政府为中心。1990年代默契以后,拜台海局势紧张美国空袭中国使馆所赐,加上TG变成土豪金了,真心不差钱,基础设施与预研项目大行其道。这些项目大多以政府为中心,别说碳纤维、电推、激光、北斗、拖曳声呐、反导、超算这些有应用的,看看近年来的人工智能、量子通信、超材料、石墨烯……哪一个不是超前工程应用若干年?国防科研部门就不说了,各大科研院所,各大厂企,甚至各大学相关专业都进入了军科预研。只要你有合格的立项,资金根本就不是问题。这就是进步,大幅度投入上二十年,就会有大量技术和材料等着平台选。装备研究能不进步吗?进步的能不快吗?所以马晓天司令对媒体放言:“(在装备上)我们还会有更多的进步,你们就拭目以待吧”。这是第二个阶段。

可是政府能这样投入,那是因为政府手里有大量的资源和权力。这也未必都是好事,容易导致一窝蜂的要钱上马,高效率但是低效益,而且还是腐败的好机会。腐败大发了那就连效率都没了。况且预研领域的技术分支浩如烟海,政府提纲挈领可以,面面俱到难行。真是没钱事麻烦,有钱麻烦事,而且,富人的问题通常比穷人的问题更复杂。所以,期待的第三个阶段,就是国家投资能再结合市场化运作。

市场化运作的方式由三种,一是国家前期投资,出了技术有条件的推向市场;二是市场风险投资,出了技术国家选择性的加以补偿和军用;三是前两种方式运作之后,市场规模反哺技术升级,技术升级扩大市场规模。市场化有两个特点,一个是科研成果转化成应用快。私人风险投资也有风险,但也更讲市场应用效果(这个下面谈民用碳纤维的时候详谈)。中国的资源矿产勘探都是国家主导的,可美国全是石化或者矿业公司投资,风险大但是收益更大。市场化的另一个特点就是,一旦一个产品有效益,就会形成虹吸效应,吸引周围的资本、科技和配套资源快速涌入,形成一个以核心技术应用为中心的产业生态,进而用市场力量压制其他哪怕更先进的技术进场。微软压制竞争对手最大的优势就是其软件生态环境,超级市场收益反过来帮助微软的技术走向进一步强大。最成功的技术不一定最先进(比如死去的美国铱星项目),但一定是市场化最彻底的技术(比如WIFI)。

以型号为中心——以政府为中心——以政府引导的市场为中心,中国军工材料的研发之路,有坎坷曲折,有苦难辉煌,也有远大期望,大家见仁见智,各抒己见吧。
二、民用领域的应用
军用如此,民用呢?应用的步子也嫌慢。

首先是应用结构失衡:2013年,以占碳纤维产量90%以上的PAN丙烯腈基碳纤维为例,在世界范围内,工业应用和体育休闲的比例分别为75.7%和24.3%,而在中国,这个比例却分别是20%和80%。2013年,我国进口的碳纤维及其制品中有5931.6吨用于体育休闲,占比达47.89%,CD关于碳纤维自行车争论的网友,可以看看这个数字意味着什么。而对于关注碳纤维航空航天应用的同学来说,以目前这种工业应用比例严重不足的市场结构,是无法打开中国庞大的碳纤维潜在市场大门的。

再有就是技术转化缓慢,产品和技术研发出来之后,还不知道能应用到哪方面,到底怎么用,用在什么部件上。举个例子:本文上篇发表后,CD有朋友提出,“碳纤维延伸性差,所以难以作为战机主承力结构”,这是比较中肯内行的评论。CFRP的材料延伸性,或者说韧性,确实是个问题。

其实,复材业界在这个复材增韧方向的努力,至少持续了十多年。当今,国内外大多数研究者的基本思路,集中在一个方向:即让碳纤维决定复合材料的刚度和强度,让树脂决定复材的环境适应性如韧性。因此基体树脂材料的增韧,就成为解决问题的关键。比如美国赫氏集团推出一种著名的液体成型环氧树脂,对中国禁运。而中国研发的ESTM织物增强的RTM6复合材料,经过国际权威机构检测,抗冲击韧性指标,已经达到了液体成型树脂基复合材料的国际领先水平。但是在国内,这样关键的突破性技术,相关应用延迟了很久。

解决的根本办法还是市场化。因为民用市场超过军用市场的规模也是一个数量级;在民用碳纤维复材市场中,非航空应用又超过航空领域的50%。中国T700刚刚出来的时候,是商飞先用吗?还是非航空打头阵。中航复材的热压罐出来,先压大运机体吗?据说运输业的整体油罐车是第一单。其实,海洋工程、风力发电、电力输送、油气开采、汽车、压力容器,无一不是碳纤维复材的潜在大户。因此,航空高端技术向非航空低端产品扩散,民用产品为军用技术提供商业化土壤,是碳纤维复材的重要规律。以民养军,以军带民,在这方面,日本老师从来就没有停止过以身作则的“教导”。而我们要向对手学习的,又何止是技术啊。

用益小苏的话说:“中国复合材料落后国际10到15年,但整体落后并不意味着每个细节都落后。中国的材料技术是领先的,却受限于落后的应用“, “我们曾经遇到过这样的事情,在国内七年没有转化的成果,专利转让到国外,马上就获得成功”。从技术上看,中国正在向着CFRP领域的第三名冲击;而我们如果在商业应用上不能拔得头筹,我们的技术冲击将后继乏力,遑论赶超前面遥遥领先的美日。

当然,我们也在努力,好消息也是有的。比如中航复材的“层间结构化”新概念制备的新型增强织物,应用在空警200预警机,减重效果优异,随后产品在航空、航天以及船舶上都有大量应用,新增产值超过5亿多元人民币,获得多项国防科技奖励。这就是一个很好的商业化范例。

再有中航工业通飞具有自主知识产权的5座全复合材料单发全复合材料涡桨公务机“领世(Leadair)AG300”飞机2014年7月5日在珠海金湾机场首飞成功,最高飞行时速可达600公里,最大航程可达2500公里,也是复合材料商业化应用的努力之一。

图5:领世(Leadair)AG300公务机

小结之六、碳纤维性能先进,但环保问题依然严峻。
在金属工艺中,如果钢、钛、铝合金部件加工过程中,环保几乎不是问题。但碳纤维复材的环保问题相对突出:

生产过程:碳纤维和树脂类本身无毒性,但促使液态树脂变成固体结构的固化剂,以及生产复材过程中的各种有机溶剂、助剂,毒性和污染一直无法有效解决。

废物处理:废弃的CFRP材料无法处理。目前的主要方式燃烧,将产生大量高毒、高致癌污染物,而溶解掉树脂基体,回收碳纤维则又遇到高能耗、有机溶剂高毒高污染的问题,相关技术如果不成熟,碳纤维大规模推广应用就未必是国人的福音。日本东丽正在进行报废复材循环再利用的技术,获得了初步成效。而中国人将CFRP改进成环境友好型材料,依然任重道远。

碳纤维复合材料的应用续篇,到这里就结束了——真心写不动了。

回看中国的航空航天级碳纤维复材行业:

在国际上,从封锁打压的坎坷境遇中一路走来。早在中美蜜月的1984年,上海碳素厂就试图引进美国特科公司碳化设备,最终被美国国防部否决;1990年,吉化经过反复谈判、考察,最终引进了一些碳化设备及相应测试仪器,但对方只给设备却封锁所有生产技术甚至设备调试技术。最后经多次试车,连碳化炉都开不起来。就是到了2015年5月26日的今时今日,日本仍然逮捕了向中国出口高性能碳纤维的相关人士(事发于2010年)。

在国内:碳纤维复材行业的发展很不平衡,力量博弈与利益纷争交错纠葛;行动迟缓与急功冒进此起彼伏,好大喜功与攻坚克难交相辉映。然而,新的希望依然摆脱各种阻力,渐渐清晰的浮现在我们面前。

十年前的昨天,中国大飞机战略的启动,成为航空航天复材的发展契机。如同发动机打开了加力,行业发展从此加速急进:2006年中复神鹰成立;2006年中航工业制造开始复合材料自动化铺放的工程化应用;2007年开始中航工业大范围布局“6飞”复材生产和研发基地;2008年T300工业化生产;2010年江苏航科与中航复材先后成立;2012年T700开始工业化生产;2014年T800工业化生产线奠基。

十年后的今天,2014年国家973计划项目“大型航空复合材料承力构件制造技术基础研究”在2015年正式启动了。基础研究,基础研究啊!在复材行业的浪花飞溅中,我们终于看到了久已期盼的静水深流。其实这方面的工作已经进行了多年,但能够提升到如此层次,就不仅仅是一个项目,一届政府的事儿了。它和大飞机列入国家重大专项一样,清晰表明了将复材作为航天航空技术基础的国家意志,也必将为这一事业未来十年的基础打下牢牢的定锚。

在过去十年里,我们不断的遇到问题,也不断的获得发展。在今后的十年里,我们仍将在问题中发展,在发展中解决问题。这是碳纤维复材行业发展的真实写照,也是这个国家想要走出各种困境就必须作出的坚定抉择。

愿未来的十年,我们可以忍受所有的艰难和困苦,汇聚所有的信心与坚强,为中国航空航天工业的发展,织就一条如碳纤维复材般层叠致密、增韧超强的通天大路。

十年复材织天路,万里长空竞飞鸿



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秘》
    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(下)


《中篇》发出后,有朋友急了,催着快发《下篇》。

抱歉,工作太忙,几天连着夜里爬格子,也不容易啊。这不,您要的菜——来了。
小结之五、材料研究急进,而应用领域滞后的现象凸显。
相比上述原丝和复材等材料方面进展,中国碳纤维应用领域的滞后反而更加凸显了,这是一个非常尴尬的现象——进步会凸显落后。

一、军用航空领域的应用

估计很多网友吃了前两篇的墙皮,就为了等这一口儿呢,呵呵。

1 非承力结构
比如雷达罩、各种口盖,很早就用复材了,不赘述。(参见《原文》)。

2 次承力结构:
1985年,沈飞112和洪都320分别研发的在垂直尾翼上应用复合材料的飞机领先试用成功,但没有批产。   
1990年,洪都320在飞机前机身段上应用复合材料,领先试用成功,但没有批产。      
1993年,沈飞112歼8-3在垂直尾翼和前机身上应用CFRP复材,达到飞机结构重量的2%,实现了在批量生产飞机次承力结构上的突破。此后飞豹的垂尾开始批量用CFRP,猎鹰也是这样(参见《原文》)。

2007年以后,军方广泛使用CFRP做次承力结构,歼10的后续批次等后续机型,在雷达罩、前机身、鸭翼、副襟翼、垂尾、平尾、和机尾短舱、起落架舱门等各种次承力结构都批量使用了CFRP

有朋友问:1985年试飞成功,到1993开始少量批产,再到2007年大批量使用,为什么隔了这么久?

一个原因就是,直到2007年以后,国内T300才比较成熟。此前的2005年,3K小丝束的T300曾经从800元/公斤暴涨到8000元/公斤。现在呢?才不到200元,为啥?T系列和很多产品一样,只要中国会做了,就能做到烂了为止。国内以吉化为首,T300现在国内产能万吨以上,国外快没得做了(参见《原文》)。随着国内攻克关键技术,T700国外价格也开始大幅跳水,压制中国本土产品的大规模应用。T800迟早也是这条路,咱们等着瞧。
               
3 主承力结构:
直升机应用环境不一样,走的比较快,直10、直19 、直20和AC313已经直接用CFRP做机身结构框架、直升机旋翼和桨页(见《上篇》介绍)。机翼蒙皮和直升机尾翼部件也都用了碳纤维。

固定翼战机用复材,可就慢多了。

J8-2
1995年9月28日,首次将CFRP应用在主承力结构机翼上
1999年,该项目被授予国家科技进步二等奖。

有朋友高兴了,问,这么重要的机翼复材,还是国家级二等奖,实际减重有多少呢?

只有40公斤。估计只是在机翼上用了部分复材,而不是全复合机翼。

J11B
中国军机真正的大动作复材减重,是从歼11B开始的。在上篇发表后,CD的网友就热烈讨论中国军机试用碳纤维的情况。有些同学认为J11B等三代机已经有CFRP全复材机翼。那么,本文就以歼11B为一个缩影,稍微展开,谈谈我军用航空领域的碳纤维复材应用进展。兵器迷的了解也有限,就着公开信息抛砖,肯定有争议,大家讨论吧:

21世纪初,J11B的复材全面使用计划开始启动
2002年,中国一航制造所在型号没有正式立项之前,提前组建了材料和标准件研制队伍,用四年时间完成了与三代机相关的500多项机体材料,包括CFRP材料
2006年,J11B碳纤维复材的研制和应用验证基本完成,CFRP使用量高达555公斤,占飞机总重量的9%,减重效率达到17%
2008年8月,国产CFRP全尺寸部件通过静力试验考核
2008年1 2月,通过了装机评审,转入装机应用阶段。

点评:
第一个问题: CD有朋友问,什么叫“大规模、大比例”使用复材?

官媒所称11B的大规模,是自己和自己比,从原来的J8-2的2%左右,提高到J11B的9%,这就是大规模。但和国外比,低于20%,已经很难说是大规模了——F22的22%,鱼鹰的42%,阿帕奇的50%,X-45验证机的90%...(参加《原文》)。

第二个问题:这个减重计划是否包含了全复材机翼呢?

个人的研判没有这样乐观——大家看完再批斗。

1) 从复材机翼的工艺上看:

要实现全复材机翼,必须要掌握全复材翼面盒段工艺。CFRP翼面盒段结构的成型工艺主要有三种。嗯,墙皮很厚,大概聊几句吧,不具体展开。
1: π形接头盒段结构成型工艺。国内的应用似乎仅限于垂尾。
2  T 形接头骨架与上、下蒙皮一体成型工艺。主要应用限于垂尾和平尾。
3  T 形接头骨架与下蒙皮一体成型工艺。这才是真正可以用于战斗机机翼主承力结构的工艺。如EF2000 和F2 。国内对于该类结构的成型工艺只是近年来才完成了相关的工程验证,并得到试验应用,但尚未看到批产的报道。目前TG主力军机在机翼长桁、翼梁等关键承力制件上,还是用的钛合金。因此,2008年的J11B,复合材料用量只有结构重量的9%,而钛合金用量为15%的原因。

2) 从复材使用重量来看:

从美帝数据看,如果真正全复材机翼,使用量应该是比较大的,比如:
F/A-18的复材机翼,CFRP使用量就已经达到744公斤
小身材的AV-8B的复材机翼,使用量430公斤

即便仅仅是次承力结构使用复材,也要有一定的使用量
F-14仅仅是复材平尾,使用量也有374公斤。
F-5的复材垂尾,使用量38公斤
F-15的复材减速板,使用量40公斤
F-16的复材起落架舱门,使用量20公斤

从这些数字看,555公斤的复材对于J11B来说,真心不算多。因为雷达罩、尾椎、平尾、垂尾、盖口、舱门……这些已经在其他机型适用的复材部件加起来,重量已经不少了(想想J11B的双大垂尾)。还别忘了,官泄J11B可是第一个使用复合材料进气道的机型——那个关于复合材料进气道故障引发的网上争论,曾给沈飞的互联网名声增添了些许麻烦。那么,将使用复材的次承力结构和非承力件用量减去,剩下给机翼做复材的结构重量,还能有多少。您自己算算,J11B能是全复材机翼?

插一句,大量报道中有J11B“广泛利用复合材料,全机减重达700公斤”一说,似乎有断章取义之嫌。按照美军使用航空复材的记录和中国官方的披露,CFRP部件的减重效果,从12-44%不等,大多数在20-30%之间。J11B仅靠555公斤复材就能减重700公斤是难以想象的。即便700公斤减重这个数不假,也是所有500多项新复材与新工艺(如钛合金近净成型)共同达到的效果。

3) 从复材使用率来看:

两个经验数据——10%和7%

10%
中航工业益总2014年的公开谈话表明“中国战机复合材料的最大使用量不到结构重量的10%”,侧面验证了其他渠道报道J11B的9%的正确性。如果能够使用全复合材料机翼,这个占比不会这么低。因为国外军机用了全复材机翼的,复材用量一般会超过结构重量的10%。比如:1976年世界第一款复材机翼F/A-18,复材结构重量占比就超过了13%

7%
从好的方面看,如果完全没有主承力结构用CFRP,复材结构重量占比高于7%也不大可能。因此,J11B的9%表明一定在主承力结构使用了复材,只是用了多少、用在哪里的问题。

用在哪里呢?

机翼的复材化,根据技术难度的由浅入深,大致分为四个层次
1 指副翼、襟翼:是次承力结构,在当时是已实现技术,应该不在话下。
2指翼面蒙皮材料:是次承力结构,也是比较有把握的。
3指外翼翼盒:全复合材料外翼翼盒已经是主承力结构,冲着官媒“国产CFRP全尺寸部件通过静力试验考核”这一句,也是有可能的。

图1 ARJ21外翼翼盒

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2015-6-12 08:51 上传




4指中央翼翼盒:涉及中央翼盒段梁、上下壁板及长桁,与中机身一样,是主承力中的主承力,难度很高。时间上看J11B在2008年进入装机应用,中央翼盒复材技术彼时应该尚未成熟;从复材555公斤的重量上看,再加一倍也很难有足够余量满足复材中央翼翼盒了,可能性甚微。

图2:空客A400M的中央翼盒

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2015-6-12 08:51 上传




因此,兵器迷的结论是:J11B最多使用了复材外翼。而中央翼(特别是主承力C型翼梁)估计是钛合金。

4)从官媒披露看:
2014年,中国复材大师,北京航空材料研究院科技委主任益小苏说:“世界军机的机翼自上世纪80年代后就已复合材料化了,我国至今尚无批量生产的复合材料机翼问世”。

果真如此,你说我们的差距有多大?仅仅从全复材机翼这一点看,怕20年不止啊。

当然,J11B是2008年的情况。7年过去,国内中央翼复材化的技术也已在路上。2015年4月,上海某项目已经对复材中央翼和外翼进行招标,有兴趣的朋友,可以关注一下,谁是投标方,谁是中标方。

话说回来,从另一个方面看,航空级碳纤维复材的主承力应用,也确实需要一个过程。比如美国垂尾应用CFREP历时10年,而机翼和机身的应用过程则长达30多年,而且还有反复。比如,F22设计时计划如同三代机一样也采用全CFRP机翼,后来试验证明在超音速巡航、过失速机动、抗机炮破坏等环境下的能力远未达标。最终又换回了钛合金。后来的批次,能够做到的,也是钛合金的主翼梁搭配复合材料的非主翼梁。

还有一个问题:钛合金制件坏了,可以做金工修补;CFRP复材要是坏了,特别是层移了,那基本上就等着整体换件了。对于民用、军用运输机、无人机或者一次性军用品(如导弹),这也许是可接受的。但载人战斗机如果遇到主承力结构(如机翼)局部损伤就必须全部更换,在外场那是相当麻烦。F2的全复材机翼用上以后,曾经多少年连大过载都不敢随便做,就是因为复材质量难以控制。

下面再简要谈谈最近比较热的“太行复合材料外涵道机匣”的报道。

图3:网上流传的太行复材外涵机匣

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2015-6-12 08:51 上传


太行能用上复材机匣,本来是好事。可是报道中一句:“是国外第四代发动机技术”让很多网友产生了两种看法。一种是以为这是第四代战斗机动力的技术,另一种认为这是目前最先进的发动机复材应用技术。因此稍微澄清一下。

1 对于第一种看法:
树脂基复合材料在航空发动机低压段的风扇和压气机等冷端部件上,早已大量采用。见下表:

表1:复材外涵机匣的动力型号列表(举例)

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2015-6-12 08:52 上传



因此,不只是四代机,三代半、三代改型,军机、民机都大量采用了该技术

对于第二种看法:
不只是外涵机匣,难度更大的风扇静子叶片也大量采用了复材。比如普惠的PW4084和PW4168,F119。德国MTU的PW8000从1996年就开始试用复材静子叶片。甚至不止是定件,连转子叶片这样的动件比如GE90、GENX用的也是复材。所以太行用复材机匣,只是起点,不是高峰,大家沉住气,后面一定会有更多的精彩。

图4:GE90系列发动机复合材料风扇转子叶片

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2015-6-12 08:51 上传



原文中的所谓“第四代”……估计是指发动机材料的钢-铝合金-钛合金-复材吧,瞎猜。

总之,过分炒作某一种材料的发展其实意思不大,因为再先进的材料都有自己的短板。军机材料的使用是一个体系化工程,目标是开发满足战术需求的作战平台。在材料选用上的原则是权衡取舍,系统最优,而不是简单粗暴,刚度替代。

相比较喧嚣的媒体,本文前两篇发表之后,种花首版ZIBAO一口气做了3000多字的长评,确实高屋建瓴,极有见地,兵器迷心有戚戚,帖在本篇后面的回复里,欢迎大家细赏。

兵器迷觉得,中国军事装备技术的发展,大体经过了两个阶段,正在走向第三个阶段。

第一个阶段,就是以型号为中心。一个型号任务下来,就赶快去发展针对性的配套。于是型号平台等动力、等电装、等弹药、等材料,比比皆是,怎一个等字了得。

为什么呢?为了钱。TG家底薄,1970年代末外汇储备最低才2亿美元。很多军品技术研发经费只能是跟着型号下来。当然,没型号就做的预研也有,但僧多粥少,除了战略项目基本上是撒芝麻了,故此再慢也是无奈。所谓预研一代,生产一代,装备一代的说法,这个“代”指的也是型号,而不是技术。技术等型号,等来等去,要么型号等不及技术了,才有和平鸽裸机抢先飞,旅大级无弹护巨浪的事情。就是到了歼10早期动力,整体涡轮盘不是也推迟了?要么就是型号迟迟无法定型,比如红旗61,LY60,等技术材料都等出来定了型,也已经过时了。

所以那时候就是个急就章,赶上型号这班车的就上了。赶不上的,技术储备等下一个型号吧,一等十几年也有。空军战机投资巨大,咱就说小点的直升机。1980年代初,型号匮乏导致的科研迟缓到什么程度?直升机所里的年轻技术人员甚至组成乐队在夜市上卖艺赚生活费。很多直升机老人,一辈子的工作就是设计了一个零件。武直10一出来,白发苍苍的他们没有一个不是抱头痛哭的,为了武直,也为了自己。难怪总师吴希明现在一做报告就像祥林嫂一样唠叨自己十年间参加了两个重要型号的设计,多么多么幸运。

第二个阶段,就是以政府为中心。1990年代默契以后,拜台海局势紧张美国空袭中国使馆所赐,加上TG变成土豪金了,真心不差钱,基础设施与预研项目大行其道。这些项目大多以政府为中心,别说碳纤维、电推、激光、北斗、拖曳声呐、反导、超算这些有应用的,看看近年来的人工智能、量子通信、超材料、石墨烯……哪一个不是超前工程应用若干年?国防科研部门就不说了,各大科研院所,各大厂企,甚至各大学相关专业都进入了军科预研。只要你有合格的立项,资金根本就不是问题。这就是进步,大幅度投入上二十年,就会有大量技术和材料等着平台选。装备研究能不进步吗?进步的能不快吗?所以马晓天司令对媒体放言:“(在装备上)我们还会有更多的进步,你们就拭目以待吧”。这是第二个阶段。

可是政府能这样投入,那是因为政府手里有大量的资源和权力。这也未必都是好事,容易导致一窝蜂的要钱上马,高效率但是低效益,而且还是腐败的好机会。腐败大发了那就连效率都没了。况且预研领域的技术分支浩如烟海,政府提纲挈领可以,面面俱到难行。真是没钱事麻烦,有钱麻烦事,而且,富人的问题通常比穷人的问题更复杂。所以,期待的第三个阶段,就是国家投资能再结合市场化运作。

市场化运作的方式由三种,一是国家前期投资,出了技术有条件的推向市场;二是市场风险投资,出了技术国家选择性的加以补偿和军用;三是前两种方式运作之后,市场规模反哺技术升级,技术升级扩大市场规模。市场化有两个特点,一个是科研成果转化成应用快。私人风险投资也有风险,但也更讲市场应用效果(这个下面谈民用碳纤维的时候详谈)。中国的资源矿产勘探都是国家主导的,可美国全是石化或者矿业公司投资,风险大但是收益更大。市场化的另一个特点就是,一旦一个产品有效益,就会形成虹吸效应,吸引周围的资本、科技和配套资源快速涌入,形成一个以核心技术应用为中心的产业生态,进而用市场力量压制其他哪怕更先进的技术进场。微软压制竞争对手最大的优势就是其软件生态环境,超级市场收益反过来帮助微软的技术走向进一步强大。最成功的技术不一定最先进(比如死去的美国铱星项目),但一定是市场化最彻底的技术(比如WIFI)。

以型号为中心——以政府为中心——以政府引导的市场为中心,中国军工材料的研发之路,有坎坷曲折,有苦难辉煌,也有远大期望,大家见仁见智,各抒己见吧。
二、民用领域的应用
军用如此,民用呢?应用的步子也嫌慢。

首先是应用结构失衡:2013年,以占碳纤维产量90%以上的PAN丙烯腈基碳纤维为例,在世界范围内,工业应用和体育休闲的比例分别为75.7%和24.3%,而在中国,这个比例却分别是20%和80%。2013年,我国进口的碳纤维及其制品中有5931.6吨用于体育休闲,占比达47.89%,CD关于碳纤维自行车争论的网友,可以看看这个数字意味着什么。而对于关注碳纤维航空航天应用的同学来说,以目前这种工业应用比例严重不足的市场结构,是无法打开中国庞大的碳纤维潜在市场大门的。

再有就是技术转化缓慢,产品和技术研发出来之后,还不知道能应用到哪方面,到底怎么用,用在什么部件上。举个例子:本文上篇发表后,CD有朋友提出,“碳纤维延伸性差,所以难以作为战机主承力结构”,这是比较中肯内行的评论。CFRP的材料延伸性,或者说韧性,确实是个问题。

其实,复材业界在这个复材增韧方向的努力,至少持续了十多年。当今,国内外大多数研究者的基本思路,集中在一个方向:即让碳纤维决定复合材料的刚度和强度,让树脂决定复材的环境适应性如韧性。因此基体树脂材料的增韧,就成为解决问题的关键。比如美国赫氏集团推出一种著名的液体成型环氧树脂,对中国禁运。而中国研发的ESTM织物增强的RTM6复合材料,经过国际权威机构检测,抗冲击韧性指标,已经达到了液体成型树脂基复合材料的国际领先水平。但是在国内,这样关键的突破性技术,相关应用延迟了很久。

解决的根本办法还是市场化。因为民用市场超过军用市场的规模也是一个数量级;在民用碳纤维复材市场中,非航空应用又超过航空领域的50%。中国T700刚刚出来的时候,是商飞先用吗?还是非航空打头阵。中航复材的热压罐出来,先压大运机体吗?据说运输业的整体油罐车是第一单。其实,海洋工程、风力发电、电力输送、油气开采、汽车、压力容器,无一不是碳纤维复材的潜在大户。因此,航空高端技术向非航空低端产品扩散,民用产品为军用技术提供商业化土壤,是碳纤维复材的重要规律。以民养军,以军带民,在这方面,日本老师从来就没有停止过以身作则的“教导”。而我们要向对手学习的,又何止是技术啊。

用益小苏的话说:“中国复合材料落后国际10到15年,但整体落后并不意味着每个细节都落后。中国的材料技术是领先的,却受限于落后的应用“, “我们曾经遇到过这样的事情,在国内七年没有转化的成果,专利转让到国外,马上就获得成功”。从技术上看,中国正在向着CFRP领域的第三名冲击;而我们如果在商业应用上不能拔得头筹,我们的技术冲击将后继乏力,遑论赶超前面遥遥领先的美日。

当然,我们也在努力,好消息也是有的。比如中航复材的“层间结构化”新概念制备的新型增强织物,应用在空警200预警机,减重效果优异,随后产品在航空、航天以及船舶上都有大量应用,新增产值超过5亿多元人民币,获得多项国防科技奖励。这就是一个很好的商业化范例。

再有中航工业通飞具有自主知识产权的5座全复合材料单发全复合材料涡桨公务机“领世(Leadair)AG300”飞机2014年7月5日在珠海金湾机场首飞成功,最高飞行时速可达600公里,最大航程可达2500公里,也是复合材料商业化应用的努力之一。

图5:领世(Leadair)AG300公务机

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2015-6-12 08:51 上传


小结之六、碳纤维性能先进,但环保问题依然严峻。
在金属工艺中,如果钢、钛、铝合金部件加工过程中,环保几乎不是问题。但碳纤维复材的环保问题相对突出:

生产过程:碳纤维和树脂类本身无毒性,但促使液态树脂变成固体结构的固化剂,以及生产复材过程中的各种有机溶剂、助剂,毒性和污染一直无法有效解决。

废物处理:废弃的CFRP材料无法处理。目前的主要方式燃烧,将产生大量高毒、高致癌污染物,而溶解掉树脂基体,回收碳纤维则又遇到高能耗、有机溶剂高毒高污染的问题,相关技术如果不成熟,碳纤维大规模推广应用就未必是国人的福音。日本东丽正在进行报废复材循环再利用的技术,获得了初步成效。而中国人将CFRP改进成环境友好型材料,依然任重道远。

碳纤维复合材料的应用续篇,到这里就结束了——真心写不动了。

回看中国的航空航天级碳纤维复材行业:

在国际上,从封锁打压的坎坷境遇中一路走来。早在中美蜜月的1984年,上海碳素厂就试图引进美国特科公司碳化设备,最终被美国国防部否决;1990年,吉化经过反复谈判、考察,最终引进了一些碳化设备及相应测试仪器,但对方只给设备却封锁所有生产技术甚至设备调试技术。最后经多次试车,连碳化炉都开不起来。就是到了2015年5月26日的今时今日,日本仍然逮捕了向中国出口高性能碳纤维的相关人士(事发于2010年)。

在国内:碳纤维复材行业的发展很不平衡,力量博弈与利益纷争交错纠葛;行动迟缓与急功冒进此起彼伏,好大喜功与攻坚克难交相辉映。然而,新的希望依然摆脱各种阻力,渐渐清晰的浮现在我们面前。

十年前的昨天,中国大飞机战略的启动,成为航空航天复材的发展契机。如同发动机打开了加力,行业发展从此加速急进:2006年中复神鹰成立;2006年中航工业制造开始复合材料自动化铺放的工程化应用;2007年开始中航工业大范围布局“6飞”复材生产和研发基地;2008年T300工业化生产;2010年江苏航科与中航复材先后成立;2012年T700开始工业化生产;2014年T800工业化生产线奠基。

十年后的今天,2014年国家973计划项目“大型航空复合材料承力构件制造技术基础研究”在2015年正式启动了。基础研究,基础研究啊!在复材行业的浪花飞溅中,我们终于看到了久已期盼的静水深流。其实这方面的工作已经进行了多年,但能够提升到如此层次,就不仅仅是一个项目,一届政府的事儿了。它和大飞机列入国家重大专项一样,清晰表明了将复材作为航天航空技术基础的国家意志,也必将为这一事业未来十年的基础打下牢牢的定锚。

在过去十年里,我们不断的遇到问题,也不断的获得发展。在今后的十年里,我们仍将在问题中发展,在发展中解决问题。这是碳纤维复材行业发展的真实写照,也是这个国家想要走出各种困境就必须作出的坚定抉择。

愿未来的十年,我们可以忍受所有的艰难和困苦,汇聚所有的信心与坚强,为中国航空航天工业的发展,织就一条如碳纤维复材般层叠致密、增韧超强的通天大路。

十年复材织天路,万里长空竞飞鸿



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秘》
    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




附:中华网ZIBAO首版的点评

谈几个背景问题:
最近比较火的网上议论:
1、关于中德日工业化,中国落后100年、60年
2、关于太行复合材料机匣很好很强大
3、关于j11后代机体改进中复合材料使用不妥当等造成难产等典故
借兵器迷兄这个碳纤维(复合材料的主力军之一)简单说几句,一个工业体系的发展不能脱离该国的社会实际,不是最强技术+最强产能+最强人才+最强材料,就必然会出现国际一流产品。。落后不是简单的指标或表象产品的对比。
就拿碳纤维说吧。
我们队碳纤维的研究可谓久远,80年代军转民的玻璃钢产品不知道大家还有没有印象。
300级碳纤维是复合材料平民化的一个坐标吧。好就说这个。
我们90年代以后遇到了2次特别搓火的事情,正好把中俄合作及中西合作加强的这个国防政策固化并逐步加强,在这个过程中,我国军口设计水平开始提升、加工能力开始走强,但是短板开始不断冒出,而同期,国内经济水平不高,资源投入不足,
主要以文革前定调的工业和科技发展的综合实力显得过于老旧、疲弱,对新技术的消化能力普遍不强,管理能力更是差到令人发指。所以那代军品的主要特点是,加速完成70年代规划的、80年代重新修订或上马的一大批引进消化项目(其中很多还没有配套项目,比如飞豹及其发动机),胡子眉毛一把抓的事情多,着急的事情多(为了尽快提升装备水平,当时的产品指标普遍谈不上国际先进水平,只是强调2点,一个是针对性强—如台海应急案下的一系列远程打击装备;一个是要切实拉近与先进的距离,强调可用性,如plx和plxx空空导弹及j8系列修改型和理论上的167完整版—当然这个因为技术能力不强,最终放弃了,我们过去见到的167是猴版的,再如96坦克)。
同期,引进的鹅毛装备的水平和针对性也是如此,不追求好高骛远的全面引进与合作(经费、时间搭不起——当时没有钱去维持一个毛子的国防工业,所以买产品是最具性价比的,且买现成的东西是最佳的),不追求高调的国际法(能引进技术然后山寨之就干,引进的技术是一个体系,比较麻烦,且耗时长,往往等吃透了20年也过去了,所以引进技术的同时立足自己的能力山寨之,如果自己有好东西可以适当替换原版,这样时间、进度都有保证。。最典型的是300火箭炮,说好的合作,双方都没诚意走下去,但是我们需要的都学到了,我们有的,鹅毛没钱合作,那么我们就搞了更好的,当然时间也不短,鹅毛如果同期也投入几个亿美金,也许他们的300更棒,不过事实是,我们上来了,一步跨越30年,他们原地踏步了15年)
在这个背景下,我们发现我们的技术原理储备少,所以90年代后期以来,我们一改口头上说的“科学技术要有所为有所不为”,建设了从风动到水池的一系列基础研究设施,对非工程性科研的投入也加深,(确实,我们搞j11时,就是有所为有所为不为,比如工程技术上大干特殊,力学等基础领域,还是慢慢走——科学规律,仿一个产品容易,从头建立自己的产品“产学研—设工贸”体系难),,而且此轮科技基础投入,有3大特点:
第一,完全摆脱了我国50-60年代基础科研一切以吃透苏联外援等“吃透”型投入为主的模式,当时也有风动、水池等投入,但是科学观念是为了搞产品用的,因为要搞产品所以在苏联等教授的技术架构或路线上要从头吃透,,,而90年代以来的投入,很多都是要求要“赶超”,要求要有创新意识,要求为了科研而科研(当然层次还是不一样的,自由烂漫的原始科研还是停留在小项目上,向米蒂x系列航天器和中国湖飞行器基地等的探索和建设投入还是少的很)
第二,允许一定意义的失败,有条件通过各种手段扶持失败者不死,比如两款隐形战机,多款同类无人机,和早已超越人类火箭炮远程压制历史总和的无限多远程火箭炮装备,不同的大口径火炮内弹道体系等等。。
第三,散乱现象严重,撒芝麻不可避免,总盘子不大的情况下分散了不少资源,,,且立足的基础不牢,总体投入不足,指标要求不高,时间急迫,完善过程曲折、弯路不少,很多产品没有赶上这些科技基础工作的成果,没有被这些科技基础牵引到,或者等上了这些高水平的玩意后,发现原始产品设计的起底太低,改进价值不高。
另外,还有客观条件就是管理部门的多样化(和经费渠道有关系),国企改革和就业压力、gdp压力等影响下,对产学研三段的不同投入比例和因此导致的效益不同(凡是产品快的,投入重视,凡是短期见不到效益的,也就给点果子);规划水平不足,不系统,往往国外回来的带了什么技术路线,国内就投给他,东一榔头西一棒子的现象普遍,因此,总体协调规划这些技术,让他们成为一套严谨的工业体系的难度比较大。。。
那么,咋办?
好吧。。我们盖房子之前需要建材吧。过去建材少。现在通过90年代以来的看似散乱差、总量也不高的投入,导致,从产学研到设工贸的全面搞活。。在此感谢一下386时代。而且像载人航天、几大总理工程(如10号工程)、俄乌白项目等大抓手的国家层面推进。
现在咋办呢?跟碳纤维挂上了一点。
碳纤维作为一个材料,必须有用才有市场。90年代以来我国对碳纤维的需求在提高,300系的因为国际上普及了很久,90年代的工业设计基础就大量需要,所以需求量很大,但是这个产品在军品上用的不都是特别重要(大多数应用领域,可用可不用的机会更多,钛基材料等也可以替代——别说价格,有些产品使用量小,改碳纤维还要修改设计,用碳纤维比用钛基省不了多少),最关键的是,东丽等早就往海外扔生产线,国际体育界用300等低端碳纤维早就扑街了,所以从美韩甚至右岸等很容易搞。。。。
而我国当时的装备研发,立足吃透引进产品并寨之,那么引进产品或参考技术的冻结期水平制约了我们的设计方案选择,这些东西大多是冷战事情苏联系的玩意,那会儿300系没有容身之地,所以,我们吃透的东西里面不可能大量用碳纤维材料,因此,国内300系产品水平不高。。很多300系产品是在军口的关注下由民口投资搞的。。。。
而作为,一个技术领域,咱们想赶超,又要着急出产品,最佳方式还是引进。到了工业层面这个就不好办了。因为引进技术要许可,人家给你的也不是最高水平,还有科技院里不掌握,你只能人家给什么就造什么。何况人家给你的是产品授权呢还是全套工业体系呢?如果是产品授权,设备和材料上咋办?人家就不卖给你全套的,或者分10年分批给你,。。。想一想就醉了。。
碳纤维也是如此,何况有个巴统,不让卖给你。。。这些参看兵器迷兄的系列长文。
当你的碳纤维真正出来了,国家开始考虑了,这个玩意是不是真的合格,上实验室,合格了,好,那么可以不可以用,麻烦大了,至少要考虑几点:
1、生产这个碳纤维,是不是在技术授权上被国外卡死,比如规定不得用于——这个在我国80年引进技术上比较普遍,比如耳熟能详的巨型计算机由美国人看着,现在米蒂卖给很多国家的装备都有类似要求,不得用于神马,比如只能用于炸塔利搬,等。
2、碳纤维的材料和设备是否会被人卡死。这个不是一台设备,而是需要大规模量产的材料,如果紧迫时,因为国外不提供某种原料或生产线维护,导致我们的飞机导弹不能量产了咋办?
3、加工技术是否过关,加工环节是不是也会被国家卡死?
4、国产化进展后,国产化装备的水平是否合格。。一个例子,跨世纪时,核电工业为了献礼,某管道厂搞了个国产化(山寨欧洲一款已合资中国的东西),然后咱们真的用了,结果,安不上、用不了,花更高的钱让外方来维修维护。。想一想又过了10多年,我们的华龙一号核机组终于在一定的高国产化率的基础上成熟了,眼泪呀。。。。。
5、用于领域有没有需求,比如某些导弹,人家早就以钛基材料为基础搞好了设计,正在紧锣密鼓,预计10年内可以列装,如果换了你碳纤维,必须重来。。。
6、外贸或代加工产品上能不能用,比如我们碳纤维一直不让上给波音空客代工的碳纤维飞机非承力部件。
7、时间,,如果现在立项一批300-800的碳纤维为基材的装备,等搞成了,是不是还是落后很多?那么不如我们换一个思路,研制其他体系的武器装备。。。。比如,某飞机,经测算,如果将10%的非承力部件换成碳纤维,那么航程远600公里,,,再经测算,这个过程需要4年;那么雷达研制厂商说了,哥,我们雷达现在360公斤,给我点前,2年150公斤妥妥的,结构设计人员说了,机内结构可以优化,给点前,1年搞定邮箱增容xxx,3年搞定,共形油箱,载油量暴增。。。。你说决策者咋办?优先考虑碳纤维的试飞周期多少?还没算。。。
等等。。。


所以,我们碳纤维在高端领域普及慢。。。。我国的工业水平还是差距比较大。。但是是不是50-60-100年神马的。各个不同机构的参数研究体系不同。他们有各自的指标依据。。咱们看不懂没啥,就知道有差距,再缩小即可。。

以后,不是比工业制造产品的水平,还要工业装备体系研发水平和基础工业先进性,这个比我们见到的动车组等实际产品们更高端。巴西有客机,但是没有相应的工业装备体系,所以设计上他们自主,但是参与者很多他国的机构,发动机、材料、加工装备又几个是巴西自己产的或者是有知识产权的?美国波音搞民用飞机全球制造是降低成本、开拓市场,但是它完全可以自己生产类似的装备,他的军口项目日本造的出来么?


在复合材料年会上透漏j20复材用量是27%,真的假的?
还有前一段一个cder贴了一段国产碳纤维在718工程也就是j20通过工程应用鉴定的图。
smartfortwo 发表于 2015-6-12 09:16
还有前一段一个cder贴了一段国产碳纤维在718工程也就是j20通过工程应用鉴定的图。
20的事情,按规定,咱们都不知道,你懂得,对吧。
比较欣慰的是,你说的关于复合材料应用在四代机上应该会有改善,J-20上复合材料应用不好说,2014年CAN联盟年度奖中倒是能够看出点东西:
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《CAN联盟年度奖(2014)之新闻人物奖:孙聪》
http://www.cannews.com.cn/2015/0122/118094.shtml
孙聪:中国航空工业集团公司副总工程师
获奖理由:FC-31“鹘鹰”在第十届珠海航展亮相引发轰动效应,作为该型飞机总设计师的孙聪,也成为媒体追捧的新闻人物。孙聪是我国新一代飞机总设计师杰出代表之一。他主持三代重型战斗机研制,在气动、强度、材料、机载系统和综合保障等领域填补了国内航空工业多项技术空白,建立了完整的国内三代重型战斗机材料体系,成为“引进、消化、吸收、再创新”的成功范例。主持舰载机自主研制,开拓我国战斗机研制新领域,针对航母起降和使用的复杂环境,确定了飞机技术方案和关键指标。主持新一代中型战斗机研制工作,在气动、隐身、结构等领域取得重大突破,创造了新机研制速度最快、重量控制最精准、整体化程度最高、零件和工装数量最少等“四项之最”。
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从上面报道可以看出,J-11B上材料有突破,“建立了完整的国内三代机重型战斗机材料体系”,在四代机上结构有突破,“重量控制最精准、整体化程度最高、零件和工装数量最少”,其中整体化程度、零件和工装数量都需要依赖于工艺和材料来提供保障。

很多重大科研项目实际上是有迹可循的,结构方面可以看孙聪主编的《现代战斗机机体结构特征分析》,这本书的规格相当高,几个院士是主审,书的内容主要是探讨四代机结构设计的典型特点,也有关于材料选择和应用的分析,毫无疑问鹘鹰的设计是要向F-35等所用技术去靠拢的,F-35的结构设计和材料使用都是参考对象。加上J-11B上的材料使用经验积累,个人估计在鹘鹰上复合材料应用使用比例应该会有进一步提高。其实反过来,如果复合材料利用量不提升,那么鹘鹰要控制好重量也是不现实的。

所有的科研都很难一蹴而就,601从J-11B上尝试新材料和新工艺,最直接的证据就是《飞机结构典型故障分析与设计改进》一书,一些人从把该书中反映的歼八结构故障当做“罪证”来指责601,却没有去从另外一个角度去看601所在J-11B上的进步,该书的第七章《准全尺寸批量试验翼身组合体翼根结构设计改进》谈的就是改用复合材料蒙皮后进行疲劳试验的内容,第八章《平尾静力试验断裂失效与设计改进》谈的是平尾改用复合材料后的情况。这些切切实实的工作对复合材料在飞机上的应用进行了有益的探索和经验积累,必然会对后续的项目造成长远的影响。

当我们回头看国外复合材料发展时,也是经历波折,典型的如美海军A-12攻击机,在复合材料经验不足时要大量应用复合材料到A-12上来减重,最终减重没有成功反而超重,复合材料应用的经验积累显然不是急就章的事,显然J-11B对复合材料应用的推进是有功劳的。

中国航空工业复合材料应用仍然在推进,林左鸣等人目光看的还是比较远的,利用资本市场获取资金来对复合材料做大的有序的投入,在后续机型项目中也会逐步显现出成果。
只有膜拜+认真学习!
专业人士专业解答,敬佩~~~
好文章,评论也是到位,又回头翻了翻楼主其他文章感觉都不错啊
太专业,多数内容看不懂。但很高兴
看了楼主文章  欣喜之机免不了问一下11D  超过11B无问题  能达到f22   22%    怕是很悬吧    能不能超过苏35   难说                                                                                      有知道苏35复合材料使用情况??
追赶的脚步只会越来越快,天朝最大的优势就是“只要我会,这玩意儿就是白菜”。
寫的不錯,支持一下。


韧性问题不解决,复合材料是没法做军用飞机主结构的。

韧性问题不解决,复合材料是没法做军用飞机主结构的。
西四胡同打酱油 发表于 2015-6-12 11:38
好文章,评论也是到位,又回头翻了翻楼主其他文章感觉都不错啊
谢谢支持,欢迎到我新浪博客——兵器迷的天空 做客
xtal 发表于 2015-6-12 16:52
韧性问题不解决,复合材料是没法做军用飞机主结构的。
碳纤维的延伸性(您用的是延展性这个词),我在本篇民用应用部分提了啊。您再仔细瞅瞅呗。

祝好
不错不错,顶一下。
超大应该多一些这样的贴子,长知识,谢谢楼主,期待更好文章。
写得非常好 楼主非常有料
楼主说的有一句话:中国复合材料落后国际10到15年,但整体落后并不意味着每个细节都落后。中国的材料技术是领先的,却受限于落后的应用“, “我们曾经遇到过这样的事情,在国内七年没有转化的成果,专利转让到国外,马上就获得成功.............
我叔叔是研究石油化工的,对复材之类的新材料也了解一点他说过,一旦说某某材料研制成功填补国内什么什么空白 那么肯定要赔钱的,比如什么新型轮胎确实很好 但是就是没人用反而质量一般价格便宜的很多人用 其实这与楼主说的情况一样的
和平时期用碳纤维还好,战时碳纤维结构一旦破损,就只有整体更换了
越先进越落后,很象个悖论,我兔的复合材料技术进步,他国的也在发展
好文章顶上去。。国内很多产业内劣币逐良币方面问题大。。。。
看了楼主文章  欣喜之机免不了问一下11D  超过11B无问题  能达到f22   22%    怕是很悬吧    能不能超过苏3 ...
苏35的复材用量不容乐观。要知道27、30几乎没有使用复合材料(一定要说有也就是天线整流罩了)。而在苏联解体后的这些年俄罗斯经济不景气的情况下对复材能有多少投入天知道。
重复了。编辑掉。
楼主神人也
最平民化的复合材料可能就是羽毛球球拍了,从最早的木头,到铝合金,再到复合材料。
2015-6-13 11:51 上传

                                                                                                


倒是你说的有证据??自己估计的。。
  有知道苏35复合材料使用情况??  一直找不到数据支持。。。。
据《航空世界》2015.4  t50  介绍  50复合材料使用情况是占总重的25%,表面积70%。                      ...
27、30的是有确实资料的,不是媒体的报道。但是你的资料是否来自媒体?媒体有很多数据来源不明且与事实不符,只能参考。
acrux527 发表于 2015-6-13 13:48
27、30的是有确实资料的,不是媒体的报道。但是你的资料是否来自媒体?媒体有很多数据来源不明且与事实不 ...
是的  27、30基本未用  。。。其他等消息吧     j11 等消息也是媒体的。。。。
acrux527 发表于 2015-6-13 13:48
27、30的是有确实资料的,不是媒体的报道。但是你的资料是否来自媒体?媒体有很多数据来源不明且与事实不 ...
是的  27、30基本未用  。。。其他等消息吧     j11 等消息也是媒体的。。。。
是的  27、30基本未用  。。。其他等消息吧     j11 等消息也是媒体的。。。。
J11也有资料哦亲。
J10B用了多少复合材料?有谁知道?其主翼就是全复材机翼。
进气道也是
多谢科普,先下,慢慢读
Tray.P.Wan 发表于 2015-6-12 18:24
写得非常好 楼主非常有料
楼主说的有一句话:中国复合材料落后国际10到15年,但整体落后并不意味着每个细 ...
是那种全氟化轮胎吗?那轮胎确实好用,但是也贵啊。一般人用不起。
能做出来,市场不接受也没办法,多少好东西最后沉睡在实验室了。
smartfortwo 发表于 2015-6-12 09:13
在复合材料年会上透漏j20复材用量是27%,真的假的?
如果是真的,这就很牛B了。
按重量算27%的话,换算成面积或体积算就很大了。
兵器迷的天空 发表于 2015-6-12 17:05
谢谢支持,欢迎到我新浪博客——兵器迷的天空 做客
主要要靠企业、还是大学来突破带动?
Tray.P.Wan 发表于 2015-6-12 18:24
写得非常好 楼主非常有料
楼主说的有一句话:中国复合材料落后国际10到15年,但整体落后并不意味着每个细 ...
那还是产业链其他环节落后造成的