專題 | 攻關碳纖維時不我待

　　從賽艇艇身到「神州」十號飛船，碳纖維這樣一種物理性能優異的材料，以其能耐受高溫而不失強度，對一般的酸、鹼有良好耐腐蝕作用的特性，可廣泛用於航空、航天和國防軍工、體育器材及各種產業。

　　我國碳纖維行業經過長期自主研發，打破了國外技術封鎖，碳纖維產業化取得突破和發展。但仍存在關鍵技術落後、生產成本高、企業規模小等問題，嚴重製約著我國航空工業的發展。

　　瞭望本期推出「碳纖維」專題，點擊文末【閱讀原文】可逐篇了解。

國際合作加快

　　由於西方發達國家在航空碳纖維複合材料上的技術比我國領先不少，我國近年來在立足自我研發的同時，也加快了國際合作步伐，目前已形成三個層面上的合作。

　　一是轉包生產發達國家的碳纖維複合材料零部件，這是我國與西方合作最普遍的方式。上世紀90年代初，國內一些飛機公司通過與美國的交流，帶回了複合材料最新信息。此後，波音、空客兩大公司為了降低成本，把部分飛機碳纖維複合材料零部件轉包給中國生產，國內主要的飛機公司都得到了一些訂單。據成都飛機工業（集團）有限責任公司介紹，2005年6月，成飛與波音公司簽署了波音787飛機方向舵的轉包生產合同，用的就是全複合材料。

　　二是與西方成立合資公司，共同進行碳纖維複合材料零部件研製。哈爾濱飛機工業集團有限公司設計人員告訴《瞭望》新聞周刊（微信號：OutlookWeekly1981）記者，2009年1月，空客公司與哈飛等中方合作夥伴在馬德里簽署了《哈爾濱哈飛空客複合材料製造中心有限公司合資合同》，中方企業擁有80%股權，空客中國擁有20%股權，公司定位於為空客350飛機製造複合材料方向舵、升降舵、機腹整流罩等。目前，哈飛已被國家確定為「國防科技工業樹脂基複合材料結構製造技術研究應用中心，直升機機身樹脂基複合材料構件批生產基地」。

　　三是出資收購西方碳纖維複合材料公司。據曾任中航飛機股份有限公司西安飛機分公司（下稱西飛）董事長、現任中航通用飛機有限責任公司總經理孟祥凱介紹，西飛公司2009年收購了奧地利最大的波音飛機配件公司「未來先進複合材料股份公司」（下稱未來公司）90%的股權，這家公司是空客複合材料製件的一級供應商、波音複合材料製件的二級供應商，為波音、空客、龐巴迪、阿萊尼亞、歐直、沃特、薩博等許多航空工業重要客戶生產飛機複合材料結構件和內飾件。西飛併購這一公司，可慢慢地學習、消化、吸收FACC公司應用航空複合材料的技術。

核心技術受制於人

　　通過多層次國際合作，我國在合作中學到了不少東西，開拓了眼界、培養了更多的複合材料研製人員，研發能力和生產規模都有了一定的提高。但是在技術上講，西方國家對我國採取了嚴密封鎖的措施。

　　在轉包生產過程中，西方嚴格限定了向中方轉包的產品層次。美國商會出口承諾工作組在給美國政府的《複合材料在中國航空工業》報告中說，美國對中國航空工業水平非常了解，知道中國在幹什麼，需要什麼，美國將要給中國出口什麼。波音787向成飛提供的技術，屬於70年代開發、80年代商品化的東西，不會對美國產生任何負面影響。

　　哈飛與空客成立的合資公司被很多人寄予厚望。然而，空客轉移給哈飛的複合材料方向舵製造技術卻不是新開發的碳纖維技術。空中客車中國公司首席運營官岡薩雷斯在哈飛交付第一個空客350複合材料方向舵慶祝會上直言：「我們已轉移到中國的技術是成熟的，不是尖端的。空客公司新開發的碳纖維技術不用在哈爾濱。」

　　另外，在西飛控股的未來公司，中方也被禁止接觸核心技術。出於對我國的防範，奧地利未來公司在被併購時就對我國提出了核心技術保密的要求，即未來公司被併購後並不向中方主動提供核心技術的研製資料。西飛新舟飛機總設計師呂海告訴記者，西飛雖然從資本上控股了未來公司，但根據併購協議，未來公司的核心研發部門並不向中方敞開，西飛的工作人員需慢慢地在未來公司的日常生產過程中學習、消化、吸收核心技術。

　　本刊記者調研了解到，自上世紀70年代起，飛機碳纖維複合材料時代就已經到來。產生這個巨變的原因是由於用複合材料替代金屬材料，可以使飛機減重10%～40%，結構成本降低15%～30%。減重和降低成本對於以高油價為特徵的航空市場減少碳排放、提高航空產品市場競爭力都極為重要。碳纖維複合材料使用比例的多少目前已成為評價一架民用飛機先進性的關鍵性指標。

　　上世紀80年代，空客、波音兩大國際飛機公司，複合材料用量還只佔到飛機結構重量的10%～15%，但進入本世紀後，最新研製的空客380飛機結構重量的近1/4採用了複合材料，波音787的複合材料用量更佔到了結構重量的50%。

複合材料應用技術滯後

　　國產民機無法大規模使用碳纖維，最主要的原因是國內民機複合材料應用技術嚴重滯後。

　　碳纖維複合材料在民機上的應用可以分為三個階段：第一階段是應用於受載不大的簡單零件部件，如各類口蓋、舵面、阻力板、起落架艙門等；第二階段是應用於承力較大的尾翼等次承力結構，如垂直安定面、水平安定面、全動平尾、鴨翼等；第三階段是應用於主承力結構，如機翼盒段、機身等。目前，國內民機的碳纖維複合材料應用技術處於第二階段，而空客、波音已處在第三階段。

　　中航工業的資料顯示，在複合材料主承力結構的應用技術方面，我國與國際先進水平的差距表現為：

　　一是在設計方面，我國針對民機複合材料主結構的設計準則、規範等還處於建立之中，現有設計手冊大多適用性差、分析軟體不齊全。在複合材料機翼的多學科綜合優化設計方面尚沒有形成統一的方法。複合材料結構的可設計性優勢尚未發揮出來。

　　二是在製造與工藝方面，對於大型飛機複合材料構件的製造仍然生疏。特別是大型整體成形技術和手段仍然是關鍵，無經驗可借鑒。連接工藝、裝配工藝、修理工藝等與國外亦有差距。

　　三是在材料體系與標準規範方面，國內現在還沒有通過適航認證的、適應下一代先進民機複合材料構件設計用的碳纖維。目前適合於先進民機複合材料構件用的環氧樹脂體系有一定的基礎，但數據有待完善，尚未獲得適航認證。

　　相關企業負責人坦言，國內主要飛機製造廠目前對民機碳纖維複合材料的使用還停留在次承力結構件，在肋、梁等主承力件上採用碳纖維複合材料還是一個空白。

碳纖維應用技術亟待提高

　　為了生產出先進的民用飛機，專家建議我國必須大規模地使用碳纖維，把它用于飛機的主承力件上，這就需要國家儘快開展科研攻關，採取有力措施推動高性能、低成本的碳纖維複合材料的研製、生產和應用技術水平。

　　一是在新一代民機主承力件上實現複合材料的批量應用，形成豐富的材料體系資料庫及標準規範，在實踐中提高碳纖維複合材料的應用技術水平。

　　二是今後在設計民機時，實現複合材料結構從材料選用、鋪層優化、主要參數設計到細節設計的綜合優化，同時把靜強度、氣動彈性、耐久性、損傷容限等多學科進行綜合優化，充分發揮碳纖維複合材料結構的可設計性優勢。

　　三是特別注重民機的適航要求，這是民機進入市場的必要條件，也是與軍機最大的區別。要通過研究分析適航條例，把技術研究與適航符合性分析相結合，逐步形成我國民機碳纖維複合材料適航條款使用說明指南。

　　據本刊記者調研，國內下一步設想研發的新一代民用大飛機是我國和俄羅斯共同研製的寬體飛機。長期研究碳纖維複合材料的飛機專家楊超凡告訴本刊記者，我國要造出有市場競爭力的先進寬體飛機，必須在機身等主承力件上實現複合材料的使用。而要實現這樣的目標，國家需儘快對碳纖維復材在寬體飛機主承力件的應用技術進行預研。

　　楊超凡說，中國商飛2008年準備研製C919時，其複合材料用量起初定為23%。但是由於沒有抓緊預研，等到實際研製時才發現設計沒有經驗、製造沒有設備，幾年下來，C919的複合材料用量被迫一減再減。

　　楊超凡建議，現在，我們要上寬體飛機，就必須提前對碳纖維複合材料在寬體飛機主承力件上的應用進行預研。為了早日研製出先進的國產民機，國家需儘快推動碳纖維複合材料在民機主承力件上的應用，彙集一切力量，建成由碳纖維生產到主承力件應用的民機碳纖維複合材料產業鏈。LW

本組稿件記者/孫洪磊 毛海峰 蘇萬明 郭強 吳植

《瞭望》2015年第5期

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