十年復材織天路，萬里長空競飛鴻(下）

十年復材織天路，萬里長空競飛鴻

——中國碳纖維復材發展續篇（下）

《中篇》發出後，有朋友急了，催著快發《下篇》。

抱歉，工作太忙，幾天連著夜裡爬格子，也不容易啊。這不，您要的菜——來了。

相比上述原絲和復材等材料方面進展，中國碳纖維應用領域的滯後反而更加凸顯了，這是一個非常尷尬的現象——進步會凸顯落後。

一、軍用航空領域的應用

估計很多網友吃了前兩篇的牆皮，就為了等這一口兒呢，呵呵。

1非承力結構

比如雷達罩、各種口蓋，很早就用復材了，不贅述。（參見《原文》）。

2次承力結構：

1985年，沈飛112和洪都320分別研發的在垂直尾翼上應用複合材料的飛機領先試用成功，但沒有批產。

1990年，洪都320在飛機前機身段上應用複合材料，領先試用成功，但沒有批產。

1993年，沈飛112殲8-3在垂直尾翼和前機身上應用CFRP復材，達到飛機結構重量的2%，實現了在批量生產飛機次承力結構上的突破。此後飛豹的垂尾開始批量用CFRP，獵鷹也是這樣（參見《原文》）。

2007年以後，軍方廣泛使用CFRP做次承力結構，殲10的後續批次等後續機型，在雷達罩、前機身、鴨翼、副襟翼、垂尾、平尾、和機尾短艙、起落架艙門等各種次承力結構都批量使用了CFRP

有朋友問：1985年試飛成功，到1993開始少量批產，再到2007年大批量使用，為什麼隔了這麼久？

一個原因就是，直到2007年以後，國內T300才比較成熟。此前的2005年，3K小絲束的T300曾經從800元/公斤暴漲到8000元/公斤。現在呢？才不到200元，為啥？T系列和很多產品一樣，只要中國會做了，就能做到爛了為止。國內以吉化為首，T300現在國內產能萬噸以上，國外快沒得做了（參見《原文》）。隨著國內攻克關鍵技術，T700國外價格也開始大幅跳水，壓制中國本土產品的大規模應用。T800遲早也是這條路，咱們等著瞧。

3 主承力結構：

直升機應用環境不一樣，走的比較快，直10、直19 、直20和AC313已經直接用CFRP做機身結構框架、直升機旋翼和槳頁（見《上篇》介紹）。機翼蒙皮和直升機尾翼部件也都用了碳纖維。

固定翼戰機用復材，可就慢多了。

J8-2

1995年9月28日，首次將CFRP應用在主承力結構機翼上

1999年，該項目被授予國家科技進步二等獎。

有朋友高興了，問，這麼重要的機翼復材，還是國家級二等獎，實際減重有多少呢？

只有40公斤。估計只是在機翼上用了部分復材，而不是全複合機翼。

J11B

中國軍機真正的大動作復材減重，是從殲11B開始的。在上篇發表後，CD的網友就熱烈討論中國軍機試用碳纖維的情況。有些同學認為J11B等三代機已經有CFRP全復材機翼。那麼，本文就以殲11B為一個縮影，稍微展開，談談我軍用航空領域的碳纖維復材應用進展。兵器迷的了解也有限，就著公開信息拋磚，肯定有爭議，大家討論吧：

21世紀初，J11B的復材全面使用計劃開始啟動

2002年，中國一航製造所在型號沒有正式立項之前，提前組建了材料和標準件研製隊伍，用四年時間完成了與三代機相關的500多項機體材料，包括CFRP材料

2006年，J11B碳纖維復材的研製和應用驗證基本完成，CFRP使用量高達555公斤，占飛機總重量的9％，減重效率達到17％

2008年8月，國產CFRP全尺寸部件通過靜力試驗考核

2008年1 2月，通過了裝機評審，轉入裝機應用階段。

點評：

第一個問題： CD有朋友問，什麼叫「大規模、大比例」使用復材？

官媒所稱11B的大規模，是自己和自己比，從原來的J8-2的2%左右，提高到J11B的9%，這就是大規模。但和國外比，低於20%，已經很難說是大規模了——F22的22%，魚鷹的42%，阿帕奇的50%，X-45驗證機的90%...（參加《原文》）。

第二個問題：這個減重計劃是否包含了全復材機翼呢？

個人的研判沒有這樣樂觀——大家看完再批鬥。

1）從復材機翼的工藝上看：

要實現全復材機翼，必須要掌握全復材翼面盒段工藝。CFRP翼面盒段結構的成型工藝主要有三種。嗯，牆皮很厚，大概聊幾句吧，不具體展開。

1：π形接頭盒段結構成型工藝。國內的應用似乎僅限於垂尾。

2 T 形接頭骨架與上、下蒙皮一體成型工藝。主要應用限於垂尾和平尾。

3 T 形接頭骨架與下蒙皮一體成型工藝。這才是真正可以用於戰鬥機機翼主承力結構的工藝。如EF2000 和F2 。國內對於該類結構的成型工藝只是近年來才完成了相關的工程驗證，並得到試驗應用，但尚未看到批產的報道。目前TG主力軍機在機翼長桁、翼梁等關鍵承力製件上，還是用的鈦合金。因此，2008年的J11B，複合材料用量只有結構重量的9%，而鈦合金用量為15％的原因。

2）從復材使用重量來看：

從美帝數據看，如果真正全復材機翼，使用量應該是比較大的，比如：

F/A-18的復材機翼，CFRP使用量就已經達到744公斤

小身材的AV-8B的復材機翼，使用量430公斤

即便僅僅是次承力結構使用復材，也要有一定的使用量

F-14僅僅是復材平尾，使用量也有374公斤。

F-5的復材垂尾，使用量38公斤

F-15的復材減速板，使用量40公斤

F-16的復材起落架艙門，使用量20公斤

從這些數字看，555公斤的復材對於J11B來說，真心不算多。因為雷達罩、尾椎、平尾、垂尾、蓋口、艙門……這些已經在其他機型適用的復材部件加起來，重量已經不少了（想想J11B的雙大垂尾）。還別忘了，官泄J11B可是第一個使用複合材料進氣道的機型——那個關於複合材料進氣道故障引發的網上爭論，曾給沈飛的互聯網名聲增添了些許麻煩。那麼，將使用復材的次承力結構和非承力件用量減去，剩下給機翼做復材的結構重量，還能有多少。您自己算算，J11B能是全復材機翼？

插一句，大量報道中有J11B「廣泛利用複合材料，全機減重達700公斤」一說，似乎有斷章取義之嫌。按照美軍使用航空復材的記錄和中國官方的披露，CFRP部件的減重效果，從12-44%不等，大多數在20-30%之間。J11B僅靠555公斤復材就能減重700公斤是難以想像的。即便700公斤減重這個數不假，也是所有500多項新復材與新工藝（如鈦合金近凈成型）共同達到的效果。

3）從復材使用率來看：

兩個經驗數據——10%和7%

10%

中航工業益總2014年的公開談話表明「中國戰機複合材料的最大使用量不到結構重量的10%」，側面驗證了其他渠道報道J11B的9%的正確性。如果能夠使用全複合材料機翼，這個佔比不會這麼低。因為國外軍機用了全復材機翼的，復材用量一般會超過結構重量的10%。比如：1976年世界第一款復材機翼F/A-18，復材結構重量佔比就超過了13%

7%

從好的方面看，如果完全沒有主承力結構用CFRP，復材結構重量佔比高於7%也不大可能。因此，J11B的9%表明一定在主承力結構使用了復材,只是用了多少、用在哪裡的問題。

用在哪裡呢？

機翼的復材化，根據技術難度的由淺入深，大致分為四個層次

1指副翼、襟翼：是次承力結構，在當時是已實現技術，應該不在話下。

2指翼面蒙皮材料：是次承力結構，也是比較有把握的。

3指外翼翼盒：全複合材料外翼翼盒已經是主承力結構，沖著官媒「國產CFRP全尺寸部件通過靜力試驗考核」這一句，也是有可能的。

圖1 ARJ21外翼翼盒

4指中央翼翼盒：涉及中央翼盒段梁、上下壁板及長桁，與中機身一樣，是主承力中的主承力，難度很高。時間上看J11B在2008年進入裝機應用，中央翼盒復材技術彼時應該尚未成熟；從復材555公斤的重量上看，再加一倍也很難有足夠餘量滿足復材中央翼翼盒了，可能性甚微。

圖2：空客A400M的中央翼盒

因此，兵器迷的結論是：J11B最多使用了復材外翼。而中央翼（特別是主承力C型翼梁）估計是鈦合金。

4）從官媒披露看：

2014年，中國復材大師，北京航空材料研究院科技委主任益小蘇說：「世界軍機的機翼自上世紀80年代後就已複合材料化了，我國至今尚無批量生產的複合材料機翼問世」。

果真如此，你說我們的差距有多大？僅僅從全復材機翼這一點看，怕20年不止啊。

當然，J11B是2008年的情況。7年過去，國內中央翼復材化的技術也已在路上。2015年4月，上海某項目已經對復材中央翼和外翼進行招標，有興趣的朋友，可以關注一下，誰是投標方，誰是中標方。

話說回來，從另一個方面看，航空級碳纖維復材的主承力應用，也確實需要一個過程。比如美國垂尾應用CFREP歷時10年，而機翼和機身的應用過程則長達30多年，而且還有反覆。比如，F22設計時計劃如同三代機一樣也採用全CFRP機翼，後來試驗證明在超音速巡航、過失速機動、抗機炮破壞等環境下的能力遠未達標。最終又換回了鈦合金。後來的批次，能夠做到的，也是鈦合金的主翼梁搭配複合材料的非主翼梁。

還有一個問題：鈦合金製件壞了，可以做金工修補；CFRP復材要是壞了，特別是層移了，那基本上就等著整體換件了。對於民用、軍用運輸機、無人機或者一次性軍用品（如導彈），這也許是可接受的。但載人戰鬥機如果遇到主承力結構（如機翼）局部損傷就必須全部更換，在外場那是相當麻煩。F2的全復材機翼用上以後，曾經多少年連大過載都不敢隨便做，就是因為復材質量難以控制。

下面再簡要談談最近比較熱的「太行複合材料外涵道機匣」的報道。

圖3：網上流傳的太行復材外涵機匣

太行能用上復材機匣，本來是好事。可是報道中一句：「是國外第四代發動機技術」讓很多網友產生了兩種看法。一種是以為這是第四代戰鬥機動力的技術，另一種認為這是目前最先進的發動機復材應用技術。因此稍微澄清一下。

1對於第一種看法：

樹脂基複合材料在航空發動機低壓段的風扇和壓氣機等冷端部件上，早已大量採用。見下表：

表1：復材外涵機匣的動力型號列表（舉例）

因此，不只是四代機，三代半、三代改型，軍機、民機都大量採用了該技術

對於第二種看法：

不只是外涵機匣，難度更大的風扇靜子葉片也大量採用了復材。比如普惠的PW4084和PW4168,F119。德國MTU的PW8000從1996年就開始試用復材靜子葉片。甚至不止是定件，連轉子葉片這樣的動件比如GE90、GENX用的也是復材。所以太行用復材機匣，只是起點，不是高峰，大家沉住氣，後面一定會有更多的精彩。

圖4：GE90系列發動機複合材料風扇轉子葉片

原文中的所謂「第四代」……估計是指發動機材料的鋼-鋁合金-鈦合金-復材吧，瞎猜。

總之，過分炒作某一種材料的發展其實意思不大，因為再先進的材料都有自己的短板。軍機材料的使用是一個體系化工程，目標是開發滿足戰術需求的作戰平台。在材料選用上的原則是權衡取捨，系統最優，而不是簡單粗暴，剛度替代。

相比較喧囂的媒體，本文前兩篇發表之後，種花首版ZIBAO一口氣做了3000多字的長評，確實高屋建瓴，極有見地，兵器迷心有戚戚，帖在本篇後面的回復里，歡迎大家細賞。

兵器迷覺得，中國軍事裝備技術的發展，大體經過了兩個階段，正在走向第三個階段。

第一個階段，就是以型號為中心。一個型號任務下來，就趕快去發展針對性的配套。於是型號平台等動力、等電裝、等彈藥、等材料，比比皆是，怎一個等字了得。

為什麼呢？為了錢。TG家底薄，1970年代末外匯儲備最低才2億美元。很多軍品技術研發經費只能是跟著型號下來。當然，沒型號就做的預研也有，但僧多粥少，除了戰略項目基本上是撒芝麻了，故此再慢也是無奈。所謂預研一代，生產一代，裝備一代的說法，這個「代」指的也是型號，而不是技術。技術等型號，等來等去，要麼型號等不及技術了，才有和平鴿裸機搶先飛，旅大級無彈護巨浪的事情。就是到了殲10早期動力，整體渦輪盤不是也推遲了？要麼就是型號遲遲無法定型，比如紅旗61，LY60，等技術材料都等出來定了型，也已經過時了。

所以那時候就是個急就章，趕上型號這班車的就上了。趕不上的，技術儲備等下一個型號吧，一等十幾年也有。空軍戰機投資巨大，咱就說小點的直升機。1980年代初，型號匱乏導致的科研遲緩到什麼程度？直升機所里的年輕技術人員甚至組成樂隊在夜市上賣藝賺生活費。很多直升機老人，一輩子的工作就是設計了一個零件。武直10一出來，白髮蒼蒼的他們沒有一個不是抱頭痛哭的，為了武直，也為了自己。難怪總師吳希明現在一做報告就像祥林嫂一樣嘮叨自己十年間參加了兩個重要型號的設計，多麼多麼幸運。

第二個階段，就是以政府為中心。1990年代默契以後，拜台海局勢緊張美國空襲中國使館所賜，加上TG變成土豪金了，真心不差錢，基礎設施與預研項目大行其道。這些項目大多以政府為中心，別說碳纖維、電推、激光、北斗、拖曳聲吶、反導、超算這些有應用的，看看近年來的人工智慧、量子通信、超材料、石墨烯……哪一個不是超前工程應用若干年？國防科研部門就不說了，各大科研院所，各大廠企，甚至各大學相關專業都進入了軍科預研。只要你有合格的立項，資金根本就不是問題。這就是進步，大幅度投入上二十年，就會有大量技術和材料等著平台選。裝備研究能不進步嗎？進步的能不快嗎？所以馬曉天司令對媒體放言：「（在裝備上）我們還會有更多的進步，你們就拭目以待吧」。這是第二個階段。

可是政府能這樣投入，那是因為政府手裡有大量的資源和權力。這也未必都是好事，容易導致一窩蜂的要錢上馬，高效率但是低效益，而且還是腐敗的好機會。腐敗大發了那就連效率都沒了。況且預研領域的技術分支浩如煙海，政府提綱挈領可以，面面俱到難行。真是沒錢事麻煩，有錢麻煩事，而且，富人的問題通常比窮人的問題更複雜。所以，期待的第三個階段，就是國家投資能再結合市場化運作。

市場化運作的方式由三種，一是國家前期投資，出了技術有條件的推向市場；二是市場風險投資，出了技術國家選擇性的加以補償和軍用；三是前兩種方式運作之後，市場規模反哺技術升級，技術升級擴大市場規模。市場化有兩個特點，一個是科研成果轉化成應用快。私人風險投資也有風險，但也更講市場應用效果（這個下面談民用碳纖維的時候詳談）。中國的資源礦產勘探都是國家主導的，可美國全是石化或者礦業公司投資，風險大但是收益更大。市場化的另一個特點就是，一旦一個產品有效益，就會形成虹吸效應，吸引周圍的資本、科技和配套資源快速湧入，形成一個以核心技術應用為中心的產業生態，進而用市場力量壓制其他哪怕更先進的技術進場。微軟壓制競爭對手最大的優勢就是其軟體生態環境，超級市場收益反過來幫助微軟的技術走向進一步強大。最成功的技術不一定最先進（比如死去的美國銥星項目），但一定是市場化最徹底的技術（比如WIFI）。

以型號為中心——以政府為中心——以政府引導的市場為中心，中國軍工材料的研發之路，有坎坷曲折，有苦難輝煌，也有遠大期望，大家見仁見智，各抒己見吧。

軍用如此，民用呢？應用的步子也嫌慢。

首先是應用結構失衡：2013年，以占碳纖維產量90%以上的PAN丙烯腈基碳纖維為例，在世界範圍內，工業應用和體育休閑的比例分別為75.7%和24.3%，而在中國，這個比例卻分別是20%和80%。2013年，我國進口的碳纖維及其製品中有5931.6噸用於體育休閑，佔比達47.89%，CD關於碳纖維自行車爭論的網友，可以看看這個數字意味著什麼。而對於關注碳纖維航空航天應用的同學來說，以目前這種工業應用比例嚴重不足的市場結構，是無法打開中國龐大的碳纖維潛在市場大門的。

再有就是技術轉化緩慢，產品和技術研發出來之後，還不知道能應用到哪方面，到底怎麼用，用在什麼部件上。舉個例子：本文上篇發表後，CD有朋友提出，「碳纖維延伸性差，所以難以作為戰機主承力結構」，這是比較中肯內行的評論。CFRP的材料延伸性，或者說韌性，確實是個問題。

其實，復材業界在這個復材增韌方向的努力，至少持續了十多年。當今，國內外大多數研究者的基本思路，集中在一個方向：即讓碳纖維決定複合材料的剛度和強度，讓樹脂決定復材的環境適應性如韌性。因此基體樹脂材料的增韌，就成為解決問題的關鍵。比如美國赫氏集團推出一種著名的液體成型環氧樹脂，對中國禁運。而中國研發的ESTM織物增強的RTM6複合材料，經過國際權威機構檢測，抗衝擊韌性指標，已經達到了液體成型樹脂基複合材料的國際領先水平。但是在國內，這樣關鍵的突破性技術，相關應用延遲了很久。

解決的根本辦法還是市場化。因為民用市場超過軍用市場的規模也是一個數量級；在民用碳纖維復材市場中，非航空應用又超過航空領域的50%。中國T700剛剛出來的時候，是商飛先用嗎？還是非航空打頭陣。中航復材的熱壓罐出來，先壓大運機體嗎？據說運輸業的整體油罐車是第一單。其實，海洋工程、風力發電、電力輸送、油氣開採、汽車、壓力容器，無一不是碳纖維復材的潛在大戶。因此，航空高端技術向非航空低端產品擴散，民用產品為軍用技術提供商業化土壤，是碳纖維復材的重要規律。以民養軍，以軍帶民，在這方面，日本老師從來就沒有停止過以身作則的「教導」。而我們要向對手學習的，又何止是技術啊。

用益小蘇的話說：「中國複合材料落後國際10到15年，但整體落後並不意味著每個細節都落後。中國的材料技術是領先的，卻受限於落後的應用「，「我們曾經遇到過這樣的事情，在國內七年沒有轉化的成果，專利轉讓到國外，馬上就獲得成功」。從技術上看，中國正在向著CFRP領域的第三名衝擊；而我們如果在商業應用上不能拔得頭籌，我們的技術衝擊將後繼乏力，遑論趕超前面遙遙領先的美日。

當然，我們也在努力，好消息也是有的。比如中航復材的「層間結構化」新概念製備的新型增強織物，應用在空警200預警機，減重效果優異，隨後產品在航空、航天以及船舶上都有大量應用，新增產值超過5億多元人民幣，獲得多項國防科技獎勵。這就是一個很好的商業化範例。

再有中航工業通飛具有自主知識產權的5座全複合材料單發全複合材料渦槳公務機「領世(Leadair)AG300」飛機2014年7月5日在珠海金灣機場首飛成功，最高飛行時速可達600公里，最大航程可達2500公里，也是複合材料商業化應用的努力之一。

圖5：領世(Leadair)AG300公務機

小結之六、碳纖維性能先進，但環保問題依然嚴峻。

在金屬工藝中，如果鋼、鈦、鋁合金部件加工過程中，環保幾乎不是問題。但碳纖維復材的環保問題相對突出：

生產過程：碳纖維和樹脂類本身無毒性，但促使液態樹脂變成固體結構的固化劑，以及生產復材過程中的各種有機溶劑、助劑，毒性和污染一直無法有效解決。

廢物處理：廢棄的CFRP材料無法處理。目前的主要方式燃燒，將產生大量高毒、高致癌污染物，而溶解掉樹脂基體，回收碳纖維則又遇到高能耗、有機溶劑高毒高污染的問題，相關技術如果不成熟，碳纖維大規模推廣應用就未必是國人的福音。日本東麗正在進行報廢復材循環再利用的技術，獲得了初步成效。而中國人將CFRP改進成環境友好型材料，依然任重道遠。

碳纖維複合材料的應用續篇，到這裡就結束了——真心寫不動了。

回看中國的航空航天級碳纖維復材行業：

在國際上，從封鎖打壓的坎坷境遇中一路走來。早在中美蜜月的1984年，上海碳素廠就試圖引進美國特科公司碳化設備，最終被美國國防部否決；1990年，吉化經過反覆談判、考察，最終引進了一些碳化設備及相應測試儀器，但對方只給設備卻封鎖所有生產技術甚至設備調試技術。最後經多次試車，連碳化爐都開不起來。就是到了2015年5月26日的今時今日，日本仍然逮捕了向中國出口高性能碳纖維的相關人士（事發於2010年）。

在國內：碳纖維復材行業的發展很不平衡，力量博弈與利益紛爭交錯糾葛；行動遲緩與急功冒進此起彼伏，好大喜功與攻堅克難交相輝映。然而，新的希望依然擺脫各種阻力，漸漸清晰的浮現在我們面前。

十年前的昨天，中國大飛機戰略的啟動，成為航空航天復材的發展契機。如同發動機打開了加力，行業發展從此加速急進：2006年中復神鷹成立；2006年中航工業製造開始複合材料自動化鋪放的工程化應用；2007年開始中航工業大範圍布局「6飛」復材生產和研發基地；2008年T300工業化生產；2010年江蘇航科與中航復材先後成立；2012年T700開始工業化生產；2014年T800工業化生產線奠基。

十年後的今天，2014年國家973計劃項目「大型航空複合材料承力構件製造技術基礎研究」在2015年正式啟動了。基礎研究，基礎研究啊！在復材行業的浪花飛濺中，我們終於看到了久已期盼的靜水深流。其實這方面的工作已經進行了多年，但能夠提升到如此層次，就不僅僅是一個項目，一屆政府的事兒了。它和大飛機列入國家重大專項一樣，清晰表明了將復材作為航天航空技術基礎的國家意志，也必將為這一事業未來十年的基礎打下牢牢的定錨。

在過去十年里，我們不斷的遇到問題，也不斷的獲得發展。在今後的十年里，我們仍將在問題中發展，在發展中解決問題。這是碳纖維復材行業發展的真實寫照，也是這個國家想要走出各種困境就必須作出的堅定抉擇。

願未來的十年，我們可以忍受所有的艱難和困苦，匯聚所有的信心與堅強，為中國航空航天工業的發展，織就一條如碳纖維復材般層疊緻密、增韌超強的通天大路。

十年復材織天路，萬里長空競飛鴻

註：所有資料來自於互聯網公開報道和公開出版物，如：

《碳纖維原絲生產工藝》

《日本碳纖維的生產和性能》

侯知健先生的文章《正確認識碳纖維的缺陷》

空軍之翼魏楞傑先生的文章《先進複合材料飛機發展探秘》

本文還引用了航空製造網的信息和圖片，在此一併致謝！

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