唐見(jiàn)茂

抓住機(jī)遇迎接碳纖維復(fù)合材料發(fā)展的新時(shí)期

唐見(jiàn)茂

復(fù)合化是當(dāng)前新材料的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。就高性能結(jié)構(gòu)材料而言,碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)仍代表當(dāng)前復(fù)合材料發(fā)展主流。

CFRP最大優(yōu)點(diǎn)是輕質(zhì)高強(qiáng),用做承載結(jié)構(gòu)材料,特別是航空航天結(jié)構(gòu)材料,有著巨大的性能優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益。在化石資源日益短缺、油價(jià)不斷上漲的今天,結(jié)構(gòu)輕巧、維修費(fèi)用低廉的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料沖擊著鋁合金承力結(jié)構(gòu)材料一統(tǒng)天下的局面,用CFRP替代鋁合金,結(jié)構(gòu)減重效果可達(dá)到20%～40%。因此,自20世紀(jì)60年代該復(fù)合材料問(wèn)世以來(lái),在材料的研究、制造、應(yīng)用等各方面發(fā)展非常迅速。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,2007年通用飛機(jī)上復(fù)合材料的用量,占材料總用量的57%。預(yù)計(jì)未來(lái)10年這一數(shù)字將上升到69%,這是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。

最近推出的波音787夢(mèng)想飛機(jī),CFRP的用量達(dá)到全機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%,成為CFRP發(fā)展的一個(gè)新的里程碑。另一家航空巨頭則提出,在計(jì)劃推出的A 350飛機(jī)上將CFRP的用量提高到65%。

業(yè)內(nèi)專(zhuān)家預(yù)言,在今后的20～30年將是CFRP發(fā)展的新時(shí)期,飛機(jī)上大規(guī)模采用CFRP將帶來(lái)航空制造產(chǎn)業(yè)鏈革命性的變革。例如,創(chuàng)新的設(shè)計(jì)概念,將促使設(shè)計(jì)人員組成和知識(shí)結(jié)構(gòu)的改變;而材料與結(jié)構(gòu)件成形的同時(shí)完成,可以從生產(chǎn)纖維、樹(shù)脂的原材料供應(yīng)商或二級(jí)供應(yīng)商直接向飛機(jī)制造商供貨;CFRP的獨(dú)特性能無(wú)疑會(huì)對(duì)飛機(jī)維修業(yè)提出新的、未預(yù)見(jiàn)到的挑戰(zhàn)。

我國(guó)的CFRP自20世紀(jì)60年代末起步,幾十年來(lái)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樹(shù)脂基體研發(fā)、制造成形工藝及應(yīng)用等方面都取得了很大成就,已形成了獨(dú)立自主的CFRP產(chǎn)業(yè),但與國(guó)際先進(jìn)水平相比,在應(yīng)用水平與規(guī)模、材料基礎(chǔ)與配套、制造工藝與設(shè)備、設(shè)計(jì)方法與理念等方面,都存在相當(dāng)大的差距,甚至有越來(lái)越大的趨勢(shì)。其中應(yīng)用的落后是根本的落后,我們應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到這一嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)。其原因主要是:首先是思想認(rèn)識(shí)和理念上遠(yuǎn)落后于世界前進(jìn)的步伐,沒(méi)有看到世界上現(xiàn)已出現(xiàn)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料復(fù)合化的大趨勢(shì);其次是國(guó)內(nèi)缺乏戰(zhàn)略總體規(guī)劃與研究,規(guī)劃落后,缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展與競(jìng)爭(zhēng)的意識(shí),研究力量分散,基礎(chǔ)研究薄弱,預(yù)研不踏實(shí),導(dǎo)致許多基礎(chǔ)理論和工程實(shí)踐的關(guān)鍵問(wèn)題未獲或未很好解決,項(xiàng)目低水平重復(fù),設(shè)計(jì)與制造分離,投資嚴(yán)重不足;再就是機(jī)制與體制上的問(wèn)題,缺乏相對(duì)統(tǒng)一的組織與領(lǐng)導(dǎo)、合作與協(xié)調(diào),存在多方領(lǐng)導(dǎo),多方投入的問(wèn)題。

作為一種技術(shù)密集型的高技術(shù)產(chǎn)業(yè),CFRP的發(fā)展水平體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)技術(shù)水平和實(shí)力,加速發(fā)展我國(guó)的CFRP至關(guān)重要,為此特提出以下幾點(diǎn)建議。

(1)圍繞大型商用飛機(jī)項(xiàng)目,促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化重組,集中建設(shè)和發(fā)展幾個(gè)大型骨干企業(yè),集原材料(基體與增強(qiáng)體)研發(fā)、成形制造、質(zhì)量保證和應(yīng)用于一體,帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展;

(2)積極開(kāi)展國(guó)際合作,通過(guò)與國(guó)外著名大型企業(yè)共建聯(lián)合研發(fā)體、合并、收購(gòu)或共建合資公司等,引進(jìn)和消化吸收關(guān)鍵核心技術(shù)和先進(jìn)的管理經(jīng)驗(yàn);

(3)加大高強(qiáng)高溫高韌樹(shù)脂體系的研發(fā)力度,除環(huán)氧、雙馬外,研發(fā)新的品種,提高性能,擴(kuò)大產(chǎn)能,以滿足不同領(lǐng)域的CFRP產(chǎn)品應(yīng)用需求;

(4)國(guó)家應(yīng)出臺(tái)切實(shí)可行的政策和措施,包括建立國(guó)產(chǎn)碳纖維的高端應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化示范工程、專(zhuān)門(mén)立項(xiàng)、給予稅收優(yōu)惠等,大力促進(jìn)國(guó)產(chǎn)碳纖維的高端應(yīng)用,在應(yīng)用中改進(jìn)和提高;

(5)加快發(fā)展CFRP結(jié)構(gòu)整體化及低成本成形技術(shù),引進(jìn)必要的關(guān)鍵設(shè)備,加強(qiáng)計(jì)算機(jī)模擬及質(zhì)量認(rèn)證評(píng)估體系的能力建設(shè);

(6)重視高端人才的培養(yǎng),以此推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研一體化的機(jī)制建設(shè)。

唐見(jiàn)茂 教授,中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)咨詢部專(zhuān)家。從事CFRP成型及性能表征評(píng)價(jià)30多年,有美國(guó)斯坦福大學(xué)和香港科技大學(xué)10年工作經(jīng)驗(yàn)。曾參與國(guó)家發(fā)改委新材料產(chǎn)業(yè)化“十五”專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施總結(jié)評(píng)估、“十一五”重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域研究和專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施方案編制及“十二五”新材料重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域規(guī)劃預(yù)研,主編由國(guó)家發(fā)改委與中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)聯(lián)合編寫(xiě)的《中國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展年度報(bào)告》(2007,2008,2009)。