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[材料应用] 碳纤维复合材料在航空航天领域应用分析 |
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一、碳纤维的生产 碳纤维根据基本材料不同，可分为PAN基、沥青基、酚醛基、纤维素基…..等不同的生产工艺。本文只涉及军用高性能聚丙烯腈PAN碳纤维的生产工艺。虽然PAN基碳纤维生产细节的保密度比较高，但是大致的原理是公开的，先概要的介绍一下其生产过程。  碳纤维生产工艺全流程图 如下图1所示，PAN基碳纤维的生产，从原料单体到原丝、再到碳纤维成品加工，各道工艺的紧密相连，可以在一个车间内连续的完成全套工艺流程。  图1：碳纤维主要生产工艺流程图 国内有部分厂家，既没有上游的PAN原丝生产能力，又没有下游的碳纤维复材生产能力，只能直接购买国外原丝，再进行预氧化和碳化的后续处理生产碳纤维。好比吃鱼，头尾嫌刺多,不舍得下功夫，于是就吃个中段儿，居然也号称自己能做碳纤维，游说国家投入巨资。 目前国际碳纤维的生产，在国际上一直由美、日两国主导。目前能够进入批量工业化生产的最高级碳纤维是T800，T1000等更高品级仍在实验室阶段。航空主承力级和航天级的碳纤维工艺技术，国外对华一直封锁。就连高性能PAN原丝，如T800原丝, 以及部分碳纤维成品，也都对华禁运——日本曾经对卖高级碳纤维给中国的人员判刑严惩。 所以军用高性能碳纤维的生产，自“六五”以来一直是国家重点研发和实施科技产业化的攻关项目。十五期间，在国家863项目的推动下，形成了北京化工大学、中科院山西煤化所和山东大学为主的三个研发基地，和江苏、吉林、山西、山东为主的四大生产基地。经过近30年的努力，取得的成绩应当说是可圈可点： T300的生产 根据中国玻璃纤维复合材料信息网 2008年的报道，中复神鹰碳纤维有限公司万吨碳纤维一期工程，2008年底在江苏连云港正式投产，目前形成1000吨规模碳丝生产能力。该公司曾于2007年5月实现了碳化生产线投产，当时碳纤维产量只有20吨左右。此后新建了2500吨PAN碳纤维原丝和1000吨碳化生产线。以45%股份成为神鹰第一大股东的中国复合材料集团董事长张定金强调，T300从设备到产品已实现百分之百国产化。而且在技术研发上，河南煤业化工集团已经拥有PAN基T300碳纤维完整的知识产权体系。军工部门评价说：“T300的完全国产化，使得军用次承力结构碳纤维获得了完全自主权。” 至此，可以说，通过T300级军用碳纤维的国产化，走出了中国打破国外垄断和技术封锁的第一步。产品批量生产当年，T300进口价应激性的跌了一半，呵呵。（两年后因为需求量大价格又上去了，这是后话） T700的生产 据2012年中国航空报报道，中航工业董事长林左鸣率队赴位于江苏常州国家高新技术区的中简科技发展有限公司考察调研。中简科技成立于2008年，承担国家“863”计划高性能碳纤维项目，依托中科院山西煤炭化学研究院的技术团队，经过4年时间，建立了T700碳纤维产业化生产线，年产量可达300吨。主要设备的国产化率达98%，是国内第一条T700高性能碳纤维生产线。林左鸣明确提出，中航工业对国产碳纤维产品进行支持，规定成员单位必须使用已达标的国产碳纤维产品。 T800的生产 据江苏经济报2012年7月消息，江苏航科复合材料科技有限公司建成我国首条T800碳纤维产业化线。该项目2009年底启动，航科投入2.5亿元，从原丝到成品技术均为自主研发，生产线的开工负荷已提升到90%，5个月来累计产出成品500千克，合格率达到90%以上。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，都与东丽公司的T800产品相当。目前，江苏航科已申请专利85项，其中24项获授权。 从原丝开始做出来，与东丽指标相当，且有自己的专利技术，这是可喜的事情，希望早日看到国家级鉴定。 可以看出，中国军用小丝束高性能碳纤维的生产，从下游煤化工入手，通过产学研联合攻关的模式，已经取得了可观的进展。T300已经实现了年千吨以上的规模化生产，T700达到了年百吨规模的批产规模，T800也看到了曙光。 首先是横向比较，差距巨大。对于最高端的T800，江苏航科5个月的产量只有500公斤，即每个月100公斤的规模，可以说仍然在试生产阶段，距离真正的工业化生产和商业化盈利，还有很长一段路要走。而且，T700未实现100%国产化，T800国产化就差得更远。而美国波音公司，1985年T800就出来了——看到了吧，差距30年啊，呵呵。 第二就是质量不稳，废品率高。即便是正品，各批次生产的碳纤维的性质也有差异，影响了后续复合材料的生产效果。而且难以搞清其中的原因——同样的生产线和生产工艺，这一批合格，下一批不合格；这一批模量高，下一批模量低，究竟是为什么呢？ 主要还是因为，高性能碳纤维的生产工艺繁复，可以说到了苛刻的地步。这里给出很少几个例子，来说明一下其工艺难度： 例1：很多工艺需要加入不同种类的的稳定剂、催化剂。比如预氧化过程中，纺丝液就需要加入路易斯酸、胫胺、有机金属络合物盐、铝、硼、钛的金属有机化合物以及十二烷基苯磺酸钠类的金属盐等等稳定剂，重量必须在原料的0.1-0.2%左右。 例2：各工序的温度和速度的控制精密。比如纺丝的多段凝固工艺中，第一段的温度为35-80℃，结束后1秒中内，就要迅速进入第二阶段。预氧丝在70毫克/袋的张力下，于惰性气体中加温，必须以每分钟30℃升到600℃。再以每分钟1000℃升到1300℃，同时保持20秒。丝毫不能马虎。 例3：设备运作要求高。比如：预氧化过程中，4组导辊的直径有严格要求，而且表面温度必须分别为285℃，285℃，285℃和315℃,且丝束通过导辊的速度要求为毫米级/秒精度。 例4：物理处理手段同样精密。比如，为防止碳化后碳丝强度降低，在碳化前对预氧化炉出口处对丝束施加0.005-0.1克/袋的张力，并对丝束喷热气流，将单丝吹开，改善丝束强度。 碳纤维的生产工艺参数和运行控制，是一个庞大的体系。其中无论哪个因素，操作时稍有不慎，就会前功尽弃，僵丝、断丝、排焦、起毛、缠结….各种问题层出不穷。所谓“差之毫厘，谬以千里”，就是这个意思。 中国碳纤维行业生产长期徘徊在“能做出来，就是做不好；能做好，就是贵”的尴尬局面中。 二、碳纤维增强复合材料（CFRP）的生产 CFRP，根据基体材料和增强工艺的不同（比如陶瓷基、金属基复合）本来是一个庞大的家族。我们这里只谈基本CFRP生产工艺。大体上有两种，即预浸料-热压罐固化成型工艺，和液体成型工艺。由于前者是航空结构构件的主要复材工艺，今儿就重点聊聊它。 1、预浸料 预浸料——热压罐固化成型工艺的第一步，就是把碳纤维放入热固性高韧性树脂预浸料进行预浸、吸胶，并加温进行固化。 近年来，航空复材构件已经日趋大型化和整体化，以减少复材之间的机械装配和紧固环节，达到提高性能、降低成本、减轻重量的目的。但由此也带来了麻烦——部件越大，其在热压罐内固化过程中的温度控制就越难保证均匀持续，从而导致质量下降。美国在预浸料-热压罐工艺的材料成本中，预浸料废弃率平均为40%。因此，“零吸胶”、“常温加压”的先进预浸料，就成为业内的发展方向。 碳纤维的生产，上面聊过，国内与国外相比是有很大差距的。但树脂预浸料，我们的差距相对小一些。根据航空制造网的消息，国内开发的环氧树脂预浸料碳Ⅷ /BA9918 预浸料、碳Ⅶ /BA9916-II 预浸料、CCF300/BA9916-II 预浸料和双马树脂预浸料CCF300/QY9511、碳Ⅶ /QY9611，都可做到“零吸胶”、“常温加压”，部分预浸料已用于多个型号产品的生产，与美国波音公司的材料有着类似的性能。如下表1：  表1：国内外部分双马树脂基韧性复合材料性能（第一列碳Ⅶ /QY9611为国产）  表2：国内外部分环氧基韧性复合材料性能（第一列碳Ⅶ /QY9611为国产） 2、预浸料——热压罐整体成型工艺 用预浸料——热压罐工艺生产碳纤维制造复合材料，要先将碳纤维浸溶在树脂溶剂里，进行铺叠成型。接着经过模具工装进行表面组装固定，在部件接触面贴胶。其后进热压罐100——130度固化，并通过紧固成为成品构件。 美国采用预浸料-热压罐固化成型工艺制造航空制造复合材料的成本中，材料占15%，预浸料铺叠占25%，装配占45%，固化占10%，紧固工艺占5%， 早期复合材料制造的大型构件，通常是由各自成形好的部件，通过机械连接组装而成。这样的方式增加了结构的自重，不能很好地发挥复合材料的优点。随着技术的发展，大型复材结构逐渐实现了预浸料——热压罐整体化制造，其工艺可分为三种： 共固化：不同部件分别铺叠，整体进热压罐固化。 共胶接：先完成一个部件的固化，再铺叠其他部件，整体进热压罐共胶接。 后胶接：各部件分别铺叠、分别进热压罐固化，然后整体再次进热压罐胶接。 例1：壁板类工艺 对于飞机尾翼、机翼和非筒体成型的机身，需要壁板类的大型复材，这类结构主要由蒙皮和长桁组成，其成型工艺有以下几种方式。 共固化：分别铺叠蒙皮和长桁，通过模具工装将其组合在一起，接触面铺胶膜（或不铺胶膜）；之后整体进热压罐完成共固化。 胶接：蒙皮先固化，再铺叠长桁，通过模具工装将其固定在已固化好的蒙皮上，接触面铺胶膜，之后进罐完成共胶接。或者反过来，长桁先固化，再与蒙皮共胶接。 后胶接：分别固化蒙皮和长桁；将长桁进行必要的加工；通过模具工装将蒙皮与长桁组装，接触面铺胶膜，之后进热压罐完成胶接。 在实际生产中，上述三种工艺可以混合使用。 例2：盒段整体工艺 对于飞机翼面，需要上、下蒙皮与骨架一体成型的整体盒段，按照用途，主要有三种工艺： 一是基于“π”形接头的盒段结构胶接成型工艺。主要用于飞机平尾、垂尾。 二是基于T 形接头的骨架与上、下蒙皮共固化/胶接一体成型工艺，通常用于飞机平尾、垂尾部分，如目前波音787 的平尾即采用了这类成型工艺。 三是基于T 形接头的骨架与下蒙皮一体共固化/胶接成型工艺，通常主要用于战斗机的机翼主承力结构。如欧洲EF2000 机翼、日本F2 机翼。 例3：筒体成型工艺 对于航空器的机体，其复材结构方案有两类，一类是将机身的每段筒体分为四块壁板分别成型后，再用机械连接方式对接，空客A350XWB 即为这种工艺方案；另一类则是将机身每段筒体整体共固化工艺成型，其代表机型是波音787。 壁板、盒段、筒形制件，涉及飞机翼面、机身的主要组成部分，近年来一直是国内外复材应用的核心领域。对此感兴趣的朋友，请记住预浸料-热压罐这个晦涩拗口，但是意义重大的术语吧。 在预浸料——热压罐工艺中，预浸料的手工铺叠是人工成本和人工时间消耗最大的一个环节，这种工艺的速度慢、质量低、时间长、人工成本高。因此，铺叠自动化，就成为这个工艺中最讲究的部分。如果说，预浸料-热压罐是航空复材生产工艺的皇冠，那么铺叠环节的自动化工艺，就是这个皇冠上最耀眼的那颗钻石。 3、预浸料铺叠自动化技术 目前，业界对手工铺叠改进的方式主要有手工自动铺叠、自动铺丝、自动铺带三种： 3.1手工铺叠的自动化/ 数字化技术 即采用预浸料自动剪裁下料系统和铺层激光投影定位系统等。采用专门的数控切割设备来进行预浸料和辅助材料的平面切割，从而将依赖于样板的制造过程转变为可根据复合材料设计软件产生的数据文件进行全面运作的制造过程，大大提高了手工铺叠的工作效率和铺叠质量。 3.2自动铺带技术 分为平面式自动铺带机（FTLM）和曲面自动铺带机（CTLM）2种，主要用于铺放小曲率的大型复合材料构件，如翼面类构件的蒙皮，可成型超大尺寸和形状复杂的复合材料制件，且质量稳定，缩短了铺层及装配工时。与手工相比，先进铺带技术可降低制造成本的30%~50％。 第一台计算机数控（CNC）自动铺带机是在美国空军材料实验计划下由General Dynamics公司和Conrac公司合作开发的，于80年代正式用于航空复合材料构件制造。90年代后，西欧开始研制生产自动铺带机。制造自动铺带机的技术主要被欧美掌控，如美国American GFM Corporation、Cincinnati Machine、CityMachine Tool&Die Company、ITW Workholding、Ingersoll和欧洲的M.TORRES（西班牙）、FOREST-LINE（法国）等。 3.3自动铺丝技术 自动铺丝，实际上是在自动铺丝+自动缠绕技术基础上发展起来的，专为曲率较大的双曲面蒙皮构件的铺叠而开发的技术，适用于大曲率机身和复杂曲面的成型，如军用和民用飞机双曲面翼身融合体、S形进气道。自动铺丝可以按构件型面增减纱束根数，可根据构件形状自动切纱适应边界，因此废料率很低（3%～8%），可完成局部加厚、加筋、铺层递减、开口补强等操作，铺放轨迹自由度更大，可变角度铺放，能适应大曲率复杂构件成型。 美国诺斯罗普?格鲁门公司1995年购进第一台自动丝束铺放机，将其用于F/A-18E/F的进气道、机身蒙皮、平尾蒙皮的制造。2010年将有40～50台机器投入使用。目前自动铺丝技术的代表是美国辛辛那提机床公司Viper 纤维铺放机系统，有Viper1200、Viper3000，Viper6000系列铺丝机。 国内情况： 手工铺叠自动化：目前我国在研和批量生产的航空用先进复合材料构件大部分仍在使用手工铺叠，虽然也通过预浸料自动下料机和激光投影仪，大幅度提高了复合材料构件的铺叠效率，但这两种设备大多需要进口，而且对于大型构件，依然难以保证铺叠质量和速度。 国内自动铺带机：中国正在起步研究的阶段。根据航空制造网的公开报道，北京航空制造工程研究所研制的6m×20m 大型自动铺带机（如图2），开始在新型飞机的复材构件研制中得到实验性的应用。但就整个行业来说，远未达到规模化应用的程度。 国内自动铺丝机：至于更上一层楼的自动铺丝机，尚未见到有国产化设备投入应用的报道。  图2：北航工程研究所研制的6m×20m 大型自动铺带机 4、纤维缠绕设备 关于碳纤维复材的成型设备，还需要提一下数控纤维缠绕机。它主要用于强韧性碳纤维通过缠绕，成型为圆筒、圆锥、球、双曲面回转体、组合体回转体等构件，也可以进行矩形截面、多项式等多维复杂曲面和组合体形状结构件缠绕，如火箭发动机壳体、各种弹体、卫星结构件、水处理设备、天然气储罐、医疗防火用压力容器等等。也是国外一直对华禁运的东东。 根据《机床工具报》报道，2007年11月，国产大型数控纤维缠绕机在齐齐哈尔第二机床厂问世，其SKCR165/1200型数控纤维缠绕机，为五坐标控制、四坐标联动，是树脂基复合材料缠绕成型构件的大型数控专机。该机包括五坐标控制四坐标联动的缠绕轨迹控制系统、张力自动控制系统、温度自动控制系统和质量保证系统，为中国火箭发动机CFRP壳体的制造奠定了坚实的基础。  表3：自动化铺叠和缠绕设备表 最后，中国商务部网站2012年发布消息，隶属於中国航空工业集团公司的西安飞机工业（集团）有限责任公司，收购了奥地利最大的波音飞机配件公司FACC 91.25%的股份。FACC的主要产品，包括复合材料飞机结构件、复合材料发动机结构件、飞机复合材料内饰。希望他山之石，可以攻玉，为提高国内航空复材的生产工艺水平，再添一把力。  图3 FACC公司生产航空复合材料 小评： 无论碳纤维还是碳纤维复材的生产，都有一个重要特征，就是生产的连续化程度非常高，工艺开端是原料，工艺末端是成品，中间几乎没有半成品的概念。这种高度集成的连续化生产，带来了正反两方面的影响： 反面：在金属加工行业，工艺落后往往意味着性能降低，但很多时候也能通过钣金加工、铆接、配重、甚至手工打磨修挫做出来。而做出来了，也就能凑合使。但碳纤维领域，工艺落后往往更意味着废品，不仅是性能寿命下降的问题，而是根本就无法使用。因此，碳纤维复材的生产，是“行百里者半九十”的概念——只是在实验室做出复材样品，只和完成了一个概念设计差不多，后面的工艺关，那才是重头戏。设计定型和生产定型因此紧密耦合——几公斤样品，距离用成熟工艺批量生产复材，可差了十万八千里啊。出于同样的原因，复材制件的日常维护、测试、修复的经验、流程与方法，与金属构件相比，也会发生颠覆性改变。 正面：在金属加工行业，工艺创新往往带来性能提高；而在碳纤维领域，工艺创新除了提高性能，往往更能够直接带来产品创新。一种新工艺，甚至可以带来CFRP的一个变种产品分类。比如，增强热缩性塑料工艺，形成CFRTP；增强C工艺形成CFRC（也称C/C,就是碳/碳复合材料），增强金属工艺形成CFRM，增强橡胶工艺形成CFRR,等等。又如，整体成型工艺，形成了前所未有的超大壁板和整体段件航空制件。倒过来说，没有对复材工艺的理解和创新，就没有对复材产品的理解和创新。 目前，CF的先进工艺，主要把持在日本手里；CFRP的先进工艺，主要掌握在美国人手里。而且其更新和推广的速度之快，令人惊心。而国内在这个领域，如上文所述，依然存在着大片的空白。这些空白直接导致先进复材产品系列的缺失。比如在美国航天航空领域开始规模化采用的金属基和陶瓷基碳纤维复合材料，甚至没有进入2010版的《中国航空材料手册》。换句话说，如果我们不在工艺基础上下功夫，指望着山寨外援、避重就轻、零敲碎打、投机取巧，是无法在航空航天复材上获得全面突破的。 金属工艺与复材工艺，完全是两个世界。国内航空业能在金属工艺领域驾轻就熟的同时，在复材工艺相对陌生的广大空间转换思路、刻苦耕耘、大胆求新，无疑是一个很大的考验。 | |
发表于 2015-11-11 01:24:39
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