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飞天”逐梦武装高精尖,国产碳纤维奋战航空航天应用市场

信息来源:纺织网     发布日期:2021-06-23   

  “我们的征途是星辰大海。”

  6月17日,神舟十二号载人飞船顺利将聂海胜、刘伯明、汤洪波3名航天员送入太空。在神舟十二号载人飞船与天和核心舱成功实现自主快速交会对接后,三名航天员进入天和核心舱。这是中国人首次进入自己的空间站。

  “神舟十二号向阳启航,直冲霄汉!我和大家一样,在电视机前见证了这一让人热血沸腾、心潮澎湃的历史时刻。”外交部发言人赵立坚在当天的例行记者会上表示,探索浩瀚宇宙是全人类的共同梦想。

  我国载人航天技术的不断突破和发展,离不开航天人的砥砺奋进,同时也离不开先进新材料的“护航”。

  根据中国航天科技集团公开的信息,飞船上采用了比强度高、手感舒适的碳纤维材料操纵棒。在飞船发射和返回过程中,航天员的身体被牢牢束缚在座椅上,身体不能前倾以完成对仪表板上各种设备的操作。操纵棒就是为解决这一难题。操纵棒杆体的设计为可无极伸缩式,航天员可以根据现场条件在一定范围内任意调整操纵棒的长度。

  从全球范围看,航空航天一直是碳纤维及其复材的重点应用领域。先进新材料的重要“使命”,就是满足“深空、深海”等国家重大战略需求。

  那么当前,在产业化突飞猛进快20年后,我国碳纤维在航空航天领域的应用探索取得了哪些新突破?未来发展趋势又如何?

  航空航天装备“轻量化”

  青睐碳纤维复材

  在全球航空航天领域,“一代材料,一代装备”是一句至理名言。

  一名航空领域的业内人士指出,航空材料是航空工业发展的基础。航空业的发展,与机体材料、结构材料、发动机材料,以及各类组件材料的创新化应用密不可分。使用先进材料,是实现飞机高性能、轻量化、高可靠性、长寿命、低成本的重要保障。

  中国航发北京航空材料研究院副总工程师张学军此前曾公开表示,对于飞机和发动机来说,材料要求轻质、高强度、耐高温,结构要具有低缺陷、高稳定性,这是航空材料增材制造必须要解决的问题。

  碳纤维复合材料则是一种被全球公认的具有“高性能、轻量化”特点的高新技术材料。

  一家国内知名碳纤维企业的研发部负责人向记者介绍,从比强度方面看,普通钢铁的拉伸强度约为600MPa~800MPa,而通用级碳纤维的拉伸强度在3500MPa及以上,也就是说,碳纤维的强度是钢铁的4~6倍左右。从密度方面看,45号钢的密度为7.85克/立方厘米,而T300碳纤维的密度为1.76克/立方厘米,T700碳纤维的密度为1.8克/立方厘米,其密度不到钢的1/4。这意味着,同样重的碳纤维和钢铁,碳纤维能承受的载荷是钢铁的20多倍。铝合金的密度在2.7克/立方厘米左右,而碳纤维增强树脂基复合材料如果做得好,密度可以做到2克/立方厘米以下。同时,碳纤维还有突出的耐高温、耐腐蚀特点。比如,在没有氧气的情况下,碳纤维能经受住3000摄氏度的高温,这是一般金属材料难以达到的。

  也正是因为其典型的“轻质高强”特点,航空航天成为全球碳纤维及其复材十分关键的应用领域。

  广州赛奥碳纤维技术股份有限公司此前发布的《2020年全球碳纤维复合材料市场报告》(以下简称《报告》)显示,2020年,在全球碳纤维10.686万吨的总用量中,航空航天领域的用量为16450吨,占比约为15%。事实上,此前多年,这一占比一直更高。《2019年全球碳纤维复合材料市场报告》显示,当年,全球碳纤维的总用量为10.37万吨,其中航空航天领域的用量为2.35万吨,占比为23%。只是2020年受全球疫情影响,国外民用航空、公务机市场严重下滑,对碳纤维的用量也随之出现一定下滑。

  在军工领域,歼击机便大量应用碳纤维复材。《报告》显示,2020年,全球军用飞机领域对碳纤维的用量约为2600吨,约占全球航空航天领域对碳纤维总用量的15.8%。

  也正因碳纤维的战略性价值,国外一直在碳纤维领域对我国实行产品、技术、装备“三封锁”。关键技术和材料不能“受制于人”,要保障我国国防军工领域自主材料的安全供应,也成为国产碳纤维产业一步步攻克产业化技术难题的最根本动因。

  2005年以后,随着国产碳纤维制备技术和产业化技术不断取得新突破,我国国防军工用碳纤维材料成功实现了自主供给保障。

  《报告》显示,2020年,我国市场的碳纤维应用总量为48851吨,其中,航空航天领域的用量约为1700吨(包含部分进口碳纤维)。

  光威复材是我国军工用碳纤维市场的领军者。该公司2020年财报显示,期内,公司对客户甲的销售为9.82亿元,占公司年度总销售额的46.42%。该公司相关负责人向记者介绍:“近20年来,光威陆续承担了国家‘863计划’多个项目和国家重大科研工程项目,成为我国最早实现碳纤维核心装备国产化,最早提供国产碳纤维给我国国防军工领域应用的企业。目前,光威是我国军工领域碳纤维的主力供应商。"

  “作为一种军民两用的战略性材料,碳纤维材料的技术具有一定的颠覆性,它能使高分子材料成为结构材料。如果能将碳纤维及其复合材料作为装备的替代材料,就能在一定程度上使装备的重量减轻很多。我国各类装备需要不断升级换代,轻量化是永恒的主题。航空航天装备的减重,都是以克为单位进行的。如果火箭的发动机重量能够减轻,其射程就会显著增加;如果飞机的重量能够减轻,其耗油量、排放量就会相应地减少。这正是碳纤维及其复合材料越来越受青睐的主要原因。”飞行器结构力学和复合材料专家、中国工程院院士杜善义这样说。

  我国民用航空业

  加速拥抱自主碳纤维

  先进飞机制造业一般被誉为是“制造业头顶的皇冠”。在成功实现了我国军工领域使用的碳纤维材料的自主保障后,近几年,在民用航空、航天领域,国产碳纤维的应用也不断取得新突破。尤其是近两年,面对复杂多变的国际形势,民用航空领域加速使用国产自主复合材料已是大势所趋。

  商用飞机是重中之重。从全球市场来看,几十年来,发达国家的知名航空公司和碳纤维“巨头”协作开发,使商用飞机成为碳纤维复材的优势应用领域。比如,大型客机波音787和空客A350上都大量使用了碳纤维复合材料。

  《报告》显示,2020年,全球商用飞机领域对碳纤维的用量约为8700吨,占全球航空航天领域对碳纤维总用量的比例约为52.9%。

  在我国,随着国产大飞机制造项目不断推进,与国产碳纤维的携手一直在进行着。尤其是到了2020年,这一进程开启了加速度。

  “从2020年8月开始至今,全球碳纤维巨头日本东丽对我国实行碳纤维断供。这让我们更加清醒地认识到,在当前的形势下,民用航空领域的材料供应也得把自主权掌握在自己手里。”一家碳纤维企业的负责人向记者感慨。

  中国商飞复合材料中心典型结构部相关负责人此前曾公开表示,复合材料在大型客机上的使用,是从尾翼等次承力结构,向机身、机翼等主承力结构不断扩展。国产大飞机C919和中俄宽体机项目CR929都大量使用了复合材料。目前,复合材料在C919上主要用于后机身段,复合材料用量占比约为12%。接下来,除了机头,CR929的机身、机翼和尾翼都将计划使用复合材料,预计用量占比约为50%。

  记者在采访中得知,我国多家碳纤维企业都参与到国产大飞机项目中。光威复材相关负责人公开表示:“光威的碳纤维产品针对C919应用的PCD验证,已经进行了多年,不过目前尚未批产应用;针对CR929的应用,目前材料准备正在进行中。”

  在商用大飞机之外,直升机、无人机也是碳纤维及其复材重要的应用领域,如高原直升机、农业领域喷药用无人机等。

  《报告》显示,2020年,全球直升机对碳纤维的用量约为1500吨,约占全球航空航天领域对碳纤维总用量的9.1%;全球无人机领域的用量为750吨,占比约为4.6%。

  在这些方面,国产碳纤维的应用近几年也不断拓展。今年5月~6月,光威复材宣布,顺利向航空工业一飞院、壹通无人机系统有限公司陆续交付了首架份TP500无人运输机后机身、尾翼,以及前机身,从而实现了完整交付首架份TP500无人运输机的机身及尾翼。

  据了解,TP500无人运输机主要应用于货运无人运输市场,整机主要采用复合材料设计制造,采用先进的胶接一体化工艺装配连接,最大程度地减轻了结构重量,并降低了生产成本。该机主要用来满足我国内陆与海岛,以及东南亚、中东、北非等国家和地区的货运无人运输市场需求,后续还可改装,以执行遥感测绘、人影工程、通信保障、应急救援等任务。

  光威复材上述负责人介绍,该无人运输机由航空工业第一飞机设计研究院作为总体研制单位,壹通无人机系统有限公司作为总体装配单位,光威复材承担了碳纤维预浸料主材、零件、大部件装配等研制任务,以大部件的形式整体交付客户进行总装调试。

  “近年来,光威复材基于自身碳纤维及复合材料全产业链优势,积极发展无人机复合材料业务,目前已具备从碳纤维、预浸料供应,到复合材料制件及整机复合材料研制能力。公司已经积累了丰富的无人机制造、民用航空体系建设经验,已成功向客户交付了AR500系列无人机直升机、TP500无人运输机、高空太阳能长航无人机等多种型号的无人机。”这位负责人说。

  这位负责人进一步表示:“AR500系列、TP500系列两款无人机采用的都是光威自产的纤维和预浸料,以小丝束T700级碳纤维为主。首架份TP500无人运输机的完整交付,是公司继无人直升机交付和批产之后,研发和生产碳纤维复材的能力不断提升的又一重要体现。总体来看,民用无人运输机市场未来有着广阔的发展空间。光威也会继续努力,充分发挥公司从碳纤维、预浸料到复材的设计、成型制造等一体化协同优势,积极配合相关设计、运营等方面,早日实现商业化目标。”

  此外,广州赛奥碳纤维技术股份有限公司总经理林刚还向记者表示:“在国内,近几年农业领域的无人机使用量也在不断增加,比如新疆棉农给棉花喷药使用无人机的越来越多。这些领域都是非常有潜力的市场,对于国产碳纤维来说也是新机会。”

  我国新一代运载火箭

  将用上国产碳纤维

  《报告》显示,2020年,全球航天领域对碳纤维的用量约为300吨,占全球航空航天领域对碳纤维总用量的比例约为3%。

  在我国航天领域,国产碳纤维及其复材的应用突破目前也不断突破。近期,由光威复材提供的国产T800H级碳纤维、上海航天八院设计研制的直径为3.35米的复合材料液氧贮箱低温力学试验顺利完成。

  上海航天方面表示,这是国内大型复合材料液氧贮箱首次应用国产碳纤维,且通过工程应用量级的试验验证,标志着我国复合材料液氧贮箱已经初步具备工程应用能力,后续预计将在我国新一代运载火箭上实现工程应用。

  上海航天在其官方微信公众号发文指出,占火箭结构重量60%以上的贮箱,堪称是火箭身上的“大块头”部件。贮箱越轻,意味着火箭可搭载的有效载荷越多,火箭的运载能力就越大,因此贮箱的重量一直让结构设计师们“斤斤计较”。近些年,从传统的铝铜合金到高强的铝锂合金材料,贮箱结构材料的迭代不断助力火箭实现减重“小目标”,但对于结构设计师们来说,这还远远不够。从2016年开始,上海航天八院团队将目光放在具有更高力学性能的碳纤维增强复合材料上,并开展了相关方案论证工作。

  805所运载火箭结构系统设计师陈佳表示,复合材料的比强度通常可以提高50%以上,相比金属贮箱预期可减重30%。而且,可通过一体化设计方法,大幅简化制造流程和质量控制环节,达到降本增效的显著成果。以上海航天八院抓总研制的新一代运载火箭为例,若能在目前金属贮箱的基础上减重30%,火箭的运载能力就会提升6%,也就是说,火箭可以多搭载300公斤的载荷,这对于运力价格以克计的运载火箭来说意义重大。

  “805所在大型复合材料液氧贮箱的关键技术攻关上取得了实质性突破,这使得复合材料液氧贮箱‘十四五’期间在我国新一代运载火箭上实现工程应用的目标变得现实可行。”上海航天这样表示。

  光威复材相关负责人向记者介绍:“光威于2013年突破了国产T800级高性能碳纤维的核心技术,2014年实现了工程化生产。在参与有关部门立项的‘国产T800H级碳纤维’和‘高强高模碳纤维’两个‘一条龙’项目的全国评比中,光威都获得了全国第一名。目前,光威已形成高强、高强中模、高强高模系列化碳纤维产品体系,并建设了先进碳纤维复合材料研发中心。我们的目标是,为我国航天、航空、兵器工业、大飞机等国防军工和国民经济领域重大项目,持续提供自主高性能碳纤维、复合材料和制件等产品。自从公司走上碳纤维技术研发和产业化攻关这条路,产业报国就一直是我们为之不懈奋斗的目标。”

  不过,值得注意的是,相比发达国家,我国碳纤维及其复材目前在航空航天领域的应用占比仍然偏小。《报告》显示,2020年,我国航空航天领域的碳纤维用量占我国市场上碳纤维应用总量的比例约为3.5%,相较同期全球15%的占比仍有一定差距。

  然而,差距也意味着增长潜力。从整体发展趋势看,杜善义强调:“未来,碳纤维及其复合材料将会越来越重要,需求会越来越迫切,作用会越来越显著,应用领域也会越来越广阔。”

  林刚则表示:“当前,中美贸易摩擦的加剧,日本东丽对我国进行碳纤维断供,都让我国航空航天领域更加认识到,民用航空市场也必须加速国产战略性材料的自主保障进程。而从另一个方面看,东丽的断供,反而给了国产碳纤维更多的机会。如果从全球碳纤维应用市场的整体发展趋势看,虽然这两年受疫情重挫,但是航空航天市场未来的生命力依然旺盛。预计未来3年,民用航空市场对碳纤维的需求量可恢复到2019年的水平。而且,当需求恢复之后,再加上全球市场单通道飞机将广泛采用碳纤维及其复材,会继续对航空市场用碳纤维产生激发作用。预计到2030年,全球航空航天市场对碳纤维的用量将增长至8万吨~10万吨。总体来看,未来10年,在商业应用上,全球碳纤维的应用主驱动力将是工业,辅驱动将是航空航天。在技术发展方面,碳纤维依然是航空航天和工业应用‘双驱动’模式,各自驱动的产品规格都会各有特色。”

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