沈真:國(guó)產(chǎn)航空復(fù)合材料用樹(shù)脂研發(fā)概況
2018-07-11 11:35:44
作者:沈真 來(lái)源:江蘇恒神股份有限公司
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這兩天,某權(quán)威媒體記者的一篇報(bào)道“是什么卡了中國(guó)碳纖維的脖子:環(huán)氧樹(shù)脂韌性不足,缺股勁兒 | 亟待攻克的核心技術(shù)”風(fēng)靡一時(shí),占據(jù)了碳纖維界的頭條,文中聲稱“目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高端碳纖維,所使用的環(huán)氧樹(shù)脂全部都是進(jìn)口的。”可能這位記者只知道國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)全部使用國(guó)外的預(yù)浸料,確實(shí)碳纖維必須有與之相配的高端樹(shù)脂才能得到應(yīng)用,沒(méi)有高端樹(shù)脂確實(shí)會(huì)卡中國(guó)碳纖維的脖子,所以得到這個(gè)結(jié)論。殊不知國(guó)內(nèi)軍機(jī)也使用高端碳纖維,也使用環(huán)氧樹(shù)脂,不僅使用環(huán)氧樹(shù)脂,同時(shí)還大量使用更高端的雙馬樹(shù)脂和聚酰亞胺樹(shù)脂,但沒(méi)有一克樹(shù)脂是從國(guó)外購(gòu)買的。航空結(jié)構(gòu)用樹(shù)脂體系從來(lái)都是對(duì)中國(guó)的禁運(yùn)物資,即使民用飛機(jī)也只賣給你預(yù)浸料,且嚴(yán)格監(jiān)控產(chǎn)品應(yīng)用對(duì)象。中國(guó)的高科技沒(méi)有像有些人吹的那么好,但也不是像文中所說(shuō)的那樣一無(wú)是處。作為一名在航空領(lǐng)域耕耘數(shù)十年的一員,有必要讓大家知道航空人的業(yè)績(jī)。
實(shí)際上對(duì)航空人而言航空復(fù)合材料用樹(shù)脂從來(lái)就沒(méi)有想過(guò)從國(guó)外進(jìn)口。航空結(jié)構(gòu)所用原材料迄今為止主要是預(yù)浸料,針對(duì)不同用途有不同種類的碳纖維與樹(shù)脂的復(fù)合(即預(yù)浸料),例如波音公司早期使用最多的T300/5208,目前用的最多的是T800/3900-2,52098與3900-2都是東麗的專利,市場(chǎng)上不可能購(gòu)買的樹(shù)脂。無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,無(wú)論是軍機(jī)還是民機(jī),航空復(fù)合材料用樹(shù)脂從來(lái)就不可能從市場(chǎng)上購(gòu)得,都是與碳纖維配套以預(yù)浸料形式供應(yīng),專供波音或空客的預(yù)浸料不可能供應(yīng)別的公司,更何況樹(shù)脂。
我國(guó)航空復(fù)合材料在軍機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用,要追溯到1970年代中期,首個(gè)用于軍機(jī)的碳纖維復(fù)合材構(gòu)件是由當(dāng)時(shí)三機(jī)部(中航工業(yè)公司前身)的320廠(今洪都航空集團(tuán))、625所(中航復(fù)材的前身)和623所(今中航強(qiáng)度所)研制的殲12飛機(jī)的進(jìn)氣道壁板,使用的是吉化的高強(qiáng)一號(hào)碳纖維,使用的樹(shù)脂是通常用于玻璃鋼的648環(huán)氧樹(shù)脂,該制件于1977年12月28日首飛成功(見(jiàn)圖1)。
圖1 殲12進(jìn)氣道外側(cè)壁
從1980年開(kāi)始三機(jī)部又組織研制了強(qiáng)5和殲8-II碳纖維復(fù)合材料垂尾的研制,一開(kāi)始仍使用吉化的高強(qiáng)一號(hào)碳纖維和市場(chǎng)上可購(gòu)得的648環(huán)氧樹(shù)脂,此后由于可從非正常渠道可購(gòu)得質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的東麗T300,所以所用材料體系為T300/648(后命名為4211)。即使648只是一款性能極其一般的樹(shù)脂,通過(guò)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)同樣實(shí)現(xiàn)了顯著的減重,且在役使用超過(guò)15年。
從上世紀(jì)80年代初航空人即已開(kāi)始研發(fā)航空用環(huán)氧樹(shù)脂,確實(shí)航空復(fù)合材料用環(huán)氧樹(shù)脂“從配方體系、分子結(jié)構(gòu)去分析,這是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工作,而且科技含量高,研究難度大。”航空人硬是不怕邪,面對(duì)國(guó)外的禁運(yùn)和封鎖,經(jīng)過(guò)30多年的不懈努力,在中航復(fù)材已形成了以孫占紅為代表的一支老中青結(jié)合的航空樹(shù)脂研發(fā)團(tuán)隊(duì),在高等院校和科研所也有一批高端樹(shù)脂的研究隊(duì)伍。特別是中航復(fù)材已研發(fā)出了幾乎所有軍機(jī)所需適合各種用途和應(yīng)用對(duì)象的航空樹(shù)脂,目前國(guó)產(chǎn)軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用的高端樹(shù)脂全部由國(guó)內(nèi)供應(yīng),沒(méi)有一克來(lái)自國(guó)外。的確飛機(jī)用環(huán)氧樹(shù)脂要求其與碳纖維復(fù)合后具有相當(dāng)高的CAI(沖擊后壓縮強(qiáng)度),同時(shí)還需具有足夠高的濕熱條件下的開(kāi)孔壓縮強(qiáng)度,這是一對(duì)矛盾,但是航空人已經(jīng)很好地解決了這對(duì)矛盾,目前軍機(jī)用高溫環(huán)氧樹(shù)脂(180℃固化體系)的CAI可以達(dá)到大約300MPA,與空客A350和波音787所用環(huán)氧樹(shù)脂性能基本相當(dāng)。不僅如此,高溫使用的雙馬樹(shù)脂和聚酰亞胺通常認(rèn)為是軍用物資,絕對(duì)是國(guó)外的禁運(yùn)對(duì)象,即使是預(yù)浸料也不允許出口中國(guó),但航空人同樣研發(fā)出了性能與國(guó)外相當(dāng)?shù)臉?shù)脂,完全能夠滿足軍機(jī)研發(fā)的需求。航空人就是這樣,不怕你封鎖和禁運(yùn),當(dāng)大量使用國(guó)外T300碳纖維時(shí),通過(guò)自主研發(fā)研制出與T300復(fù)合后性能與國(guó)外樹(shù)脂相當(dāng)?shù)臉?shù)脂,本世紀(jì)初T300有價(jià)無(wú)市(相當(dāng)于禁運(yùn))時(shí),我們同樣開(kāi)發(fā)出了與國(guó)外性能相當(dāng)?shù)膰?guó)產(chǎn)碳纖維CCF300和HF10A碳纖維,航空人和恒神人同時(shí)研發(fā)出了與國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合良好的相應(yīng)的航空用樹(shù)脂,復(fù)合后的性能基本上與國(guó)外所用相當(dāng)。當(dāng)然使用中與國(guó)外樹(shù)脂在工藝性能方面有差距,但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后一定可以與其相當(dāng)。至于民用飛機(jī)用的預(yù)浸料,由于涉及到適航確實(shí)全部從國(guó)外采購(gòu),但只是暫時(shí)的現(xiàn)象,面對(duì)中美貿(mào)易戰(zhàn),復(fù)合材料預(yù)浸料必將會(huì)全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,國(guó)內(nèi)軍機(jī)應(yīng)用已為此提供了基礎(chǔ)。
在談及航空用樹(shù)脂的同時(shí),有一位航空人值得大家銘記,那就是原中航625所的趙渠森(1936~2003)(圖2)。趙渠森是一位抗美援朝時(shí)參軍后來(lái)轉(zhuǎn)業(yè)的公安干警,中專畢業(yè)后進(jìn)入航空體系,長(zhǎng)期從事航空材料的應(yīng)用,上世紀(jì)70年代曾編譯出版了國(guó)內(nèi)第一本名為“復(fù)合材料”的專著,為國(guó)內(nèi)復(fù)合材料界的入門必讀之書(shū)。上世紀(jì)80年代他了解到國(guó)外正在開(kāi)發(fā)航空用雙馬樹(shù)脂,他本可以對(duì)此不聞不問(wèn),沒(méi)有任何人向他布置研發(fā)任務(wù),在國(guó)防重點(diǎn)科研項(xiàng)目規(guī)劃中也沒(méi)有對(duì)此立項(xiàng),但他敏感地意識(shí)到國(guó)內(nèi)軍機(jī)研發(fā)一定會(huì)需要這種材料,主動(dòng)把國(guó)家的需要作為自己的使命,開(kāi)始研發(fā)航空用雙馬樹(shù)脂。他從來(lái)沒(méi)有研發(fā)過(guò)樹(shù)脂,更何況航空用雙馬樹(shù)脂,但他就是不信邪,利用各種機(jī)會(huì)向國(guó)內(nèi)外專家請(qǐng)教,收集一切能找到的中文和外文資料,從零開(kāi)始,經(jīng)過(guò)千辛萬(wàn)苦,帶領(lǐng)幾位年輕的技術(shù)人員,在上世紀(jì)80年代中研發(fā)出了國(guó)內(nèi)第一個(gè)航空用雙馬樹(shù)脂(西工大專業(yè)從事樹(shù)脂研發(fā)的老師幾乎同時(shí)也研發(fā)出了另一個(gè)雙馬樹(shù)脂)。不過(guò)他有幸的是得到了所在單位有遠(yuǎn)見(jiàn)領(lǐng)導(dǎo)的大力支持,也有幸得到了軍機(jī)型號(hào)研發(fā)相關(guān)總師的支持,將他開(kāi)發(fā)的雙馬樹(shù)脂用于正在研發(fā)的軍機(jī)型號(hào),當(dāng)然應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)了各種各樣的問(wèn)題,有時(shí)幾乎無(wú)解,其中的艱辛恐怕常人很難知道,但他堅(jiān)定不移地破解應(yīng)用過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題和困難,使其性能與國(guó)外同類樹(shù)脂相當(dāng),并成功地用于新機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。以此為基礎(chǔ),他帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一系列用于不同場(chǎng)合和需求的雙馬樹(shù)脂體系,現(xiàn)在由他開(kāi)創(chuàng)的雙馬樹(shù)脂體系幾乎覆蓋了所有高速軍用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。但他不幸在2003年因病去世,在他彌留之際時(shí),仍念念不忘他的雙馬不足之處及相應(yīng)的解決方案。

圖2 2001年在ICCM-13會(huì)場(chǎng)(圖中右為趙渠森)
國(guó)產(chǎn)航空復(fù)合材料用樹(shù)脂的研究和應(yīng)用史告訴我們,這是一場(chǎng)封鎖與反封鎖的斗爭(zhēng),面對(duì)國(guó)外的封鎖,像趙渠森這樣的航空人就會(huì)站出來(lái),研發(fā)出我們自己與國(guó)外性能相當(dāng)?shù)暮娇諒?fù)合材料用樹(shù)脂。此外歷史還告訴我們,即使性能略差的樹(shù)脂,通過(guò)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì),照樣可以在軍機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)減重的目標(biāo)。這個(gè)經(jīng)驗(yàn)可以同樣用于國(guó)產(chǎn)碳纖維,即使性能略差,通過(guò)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì),同樣可以開(kāi)發(fā)出高性能的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu),但前提是用戶是否肯用。航空復(fù)合材料用樹(shù)脂的應(yīng)用是被逼無(wú)奈,即使性能略差,用戶仍能堅(jiān)定不移地支持其改進(jìn)和提高,使之不斷完善。國(guó)產(chǎn)碳纖維是否有這樣的機(jī)遇呢?
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