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支撑高端制造 我国开发多种碳纤维复合材料

时间:2021-07-25 16:00:50 来源:中国江苏网 发布者:DN032

6月24日在南京召开的中国工程院国际工程科技战略高端论坛上,26名院士在内的知名专家,政府、企业界代表300余人,聚焦“复合材料技术与装备”,探讨新一代复合材料技术与装备、智能成形制造技术与装备发展,积极服务国家重大工程,交流最新研究成果和进展,梳理未来发展思路和目标。

支撑高端制造,我国开发多种碳纤维复合材料

先进材料成形和高端装备制造业是整个工业体系的基石和摇篮,也是我国大力发展的战略性新兴产业之一。复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料,其研究深度、应用广度、生产速度,已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。

中国工程院院士、南京航空航天大学校长单忠德告诉记者,该领域不仅是国家重大战略需求,江苏在该领域也有很好的科研和产业基础。

“先进复合材料具有高比强度、高比模量、抗烧蚀、可设计性好等优点,甚至还能满足防热隔热等特种功能的需求,在航空航天、轨道交通、汽车以及其他高端装备上都有广泛的应用前景。”单忠德说,比如车辆的轻量化将是一个发展趋势,“碳纤维复合材料应用到轨道交通车体上,不仅可以车体减重,而且有利于节能与降低噪声。同样,新能源汽车用上复合材料,也利于更好实现汽车轻量化与绿色节能。”

单忠德介绍,国际工程科技战略高端论坛是由中国工程院主办的年度高端盛会之一,此次南航选择复合材料技术与装备发展国际高端论坛的主题,结合了国家重大战略需求,立足南航乃至南京市、江苏省的科研基础。

目前先进复合材料技术与成形装备,一些技术装备如纤维复合材料自动化编织装备国际上还是技术封锁或者设备限制出口。近年来,我国碳纤维材料、纤维构件制造装备以及复合材料行业发展迅速,江苏是我国碳纤维及复合材料制品发展的重要基地,也是高性能碳纤维产业发展大省,“现在我们国家开发出了多种碳纤维复合材料,部分实现了低成本的国产化,但是,将这些碳纤维原材料制备成高端设备上的零部件,需要研发出自动化数字化智能化的编织成形装备,这依然是目前研究的热点和难点。”单忠德告诉记者,此外,碳纤维预制体的编织方法,直接影响预制体性能,目前三维复合材料立体编织更多还是采用人工编制或半自动化编织,效率有限,还不能满足大型复杂高性能碳纤维复合材料预制体构件制造需求,高性能数字化智能化碳纤维编制设备亟待突破。航空航天复合材料的需求规模正逐年增加,市场潜力巨大。但从复合材料零部件制造到装备研制,还有一系列技术难题需要去突破。

在航空航天领域,复合材料已有广泛应用

中国科学院院士闫楚良介绍,以碳纤维为代表的先进复合材料,具有高强度、耐久性、损伤容限设计、耐腐蚀和可设计等优点,已在航空航天领域得到了广泛应用,从飞机结构到导弹、火箭发射装置与大型运输装置等,已成为高性能轻质结构的主要材料。

“复合材料结构是实现飞行器长寿命、高可靠性和低成本研制的重要技术途径。” 闫楚良介绍,早在20世纪60年代,美国和欧洲开始对复合材料在航空领域中的应用研究,美国用40年时间进行了一系列与复合材料有关的研究计划。

闫楚良说,NASA第一个计划是飞机能源效率技术项目,从1976年-1986年,研究复合材料由飞机的次承受力结构到主承受力结构的应用,实现大力减轻重量,节油率达到15%以上的目标;第二个计划项目是先进复合材料技术计划项目,从1988年到1997年,该项目针对复合材料在飞机机翼、机身等主承受力结构开展应用技术研究。要突破复合材料的损伤容限设计、制造和检测技术研究,为今后复合材料的大量使用提供技术支撑。目标是使飞机减轻30%—50%的重量,降低成本20%—30%。

第三个项目是低成本复合材料计划项目,从1996—2007年,这个项目由政府机构和波音公司、洛克希德马丁公司等企业合作,分四个阶段完成,“四阶段从飞机受力能力很小的构件,到受力较大的部件、受力比较大的部件,直到机翼、机身等飞机规模上很大的主结构。” 闫楚良说,四阶段的目标都是通过开发高精度结构设计,分析和制造工艺技术,实现高效低成本突破,将飞机成本降低50%,使复合材料在飞机上可与铝合金材料竞争使用。

目前,美国的大型飞机A400M和A350XWB都应用了复合材料,前者是空客集团研制的大型军用运输机,其复合材料使用比例达35—40%,A400M主要结构机翼、垂尾、平尾、部分机身均采用复合材料制造。而A350XWB所用复合材料选材设计上经过6次修改,最后确定方案使用复合材料用量达到52%,超过波音787飞机的50%的用量水平。

除了航空领域,航天领域方面,复合材料在运载火箭、天地往返飞行器上也有应用。比如日本实验轨道飞行器Hope-X采用全碳纤维复合材料面板,质量比铝合金结构轻20%,制造成本只是铝合金结构的20%。

“在我国,复合材料在军用和民用飞机上型号都获得了应用,相对而言,我国直升机复合材料用量相对较多。” 闫楚良表示,热塑性树脂复合材料适合自动化生产,可以缩短生产周期,循环使用,在国际上的应用正快速增长,但国内基本还没有看到应用。

技术加速迭代,才能引领产业发展

在闫楚良看来,国内复合材料在基础研究和实际应用研究方面取得了显著的进步和成果,但也存在一些问题与挑战。

闫楚良介绍,目前,我国建立了包括高等院校、航天院所、飞机公司在内复合材料研究组织体系,形成了一支从材料、设计到制造配套的研发队伍。建立了比较完善的复合材料生产手段和车间;取得了一批具有国际先进水平的标志性成果;开发了一批设计、分析软件,总结出版了多部关于复合材料方面的设计、维护手册、指南和标准。但与国外先进技术相比还是有一定的差距,“包括设计理念、设计方法和手段上的差距;应用规模和水平的差距;材料基础研究和配套、制造手段、工艺设备的差距。” 闫楚良说,我们民用飞机上ARJ21支线飞机的复合材料为5%,C919飞机复合材料用量达到12.5%,这种局面将随着我们国家飞机设计水平不断提升还会发生重大改变。

复合材料的新兴技术向产业演化还有哪些瓶颈?闫楚良说,目前国内复合材料结构设计与验证技术体系还不完善,设计人才匮乏;复合材料结构使用与维护技术也相对落后;国内复合材料回收技术相对落后,大多采用粉碎再利用或者直接焚烧处理,而美国波音公司已经建立了复合材料循环利用工厂,并开始运营。

闫楚良建议,制定国家复合材料产业发展政策,引导复合材料产业体系化发展,同时建立先进复合材料发展智库。此外,要发挥行业协会与学会的信息、专家、技术平台等优势,以及国家科研体制的优势,促进先进复合材料技术的协同创新。

“一代材料,一代工艺,一代装备,我们要加速技术的创新迭代,才能更好实现自主可控和技术领先,更好引领产业发展。”单忠德表示,复合材料技术与装备是国家未来前沿性战略性的重要研究领域之一,需要汇聚国家战略科技力量。南航有很多老师从事复合材料领域的结构设计、制造工艺、系统装备与检测诊断等方面研究,通过此次论坛专家学者能够相互交流,推进深度合作。此外,今年学校还成立了先进复合材料技术与装备创新联盟,6月19日南航与南京市启动共建南航国际创新港,积极探索产学研深度融合的新模式,促进教育链、人才链、创新链和产业链有序衔接,努力为高水平人才培养、高水平科技自立自强、赋能制造强国建设作出新的更大贡献。(记者 杨频萍 通讯员 王伟)

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