“我們的征途是星辰大海?！?/p>
6月17日，神舟十二號載人飛船順利將聶海勝、劉伯明、湯洪波3名航天員送入太空。在神舟十二號載人飛船與天和核心艙成功實現(xiàn)自主快速交會對接后，三名航天員進入天和核心艙。這是中國人首次進入自己的空間站。
“神舟十二號向陽啟航，直沖霄漢！我和大家一樣，在電視機前見證了這一讓人熱血沸騰、心潮澎湃的歷史時刻。”外交部發(fā)言人趙立堅在當天的例行記者會上表示，探索浩瀚宇宙是全人類的共同夢想。
我國載人航天技術的不斷突破和發(fā)展，離不開航天人的砥礪奮進，同時也離不開先進新材料的“護航”。
根據(jù)中國航天科技集團公開的信息，飛船上采用了比強度高、手感舒適的碳纖維材料操縱棒。在飛船發(fā)射和返回過程中，航天員的身體被牢牢束縛在座椅上，身體不能前傾以完成對儀表板上各種設備的操作。操縱棒就是為解決這一難題。操縱棒桿體的設計為可無極伸縮式，航天員可以根據(jù)現(xiàn)場條件在一定范圍內(nèi)任意調(diào)整操縱棒的長度。
從全球范圍看，航空航天一直是碳纖維及其復材的重點應用領域。先進新材料的重要“使命”，就是滿足“深空、深?！钡葒抑卮髴?zhàn)略需求。
那么當前，在產(chǎn)業(yè)化突飛猛進快20年后，我國碳纖維在航空航天領域的應用探索取得了哪些新突破？未來發(fā)展趨勢又如何？
航空航天裝備“輕量化”
青睞碳纖維復材
在全球航空航天領域，“一代材料，一代裝備”是一句至理名言。
一名航空領域的業(yè)內(nèi)人士指出，航空材料是航空工業(yè)發(fā)展的基礎。航空業(yè)的發(fā)展，與機體材料、結(jié)構(gòu)材料、發(fā)動機材料，以及各類組件材料的創(chuàng)新化應用密不可分。使用先進材料，是實現(xiàn)飛機高性能、輕量化、高可靠性、長壽命、低成本的重要保障。
中國航發(fā)北京航空材料研究院副總工程師張學軍此前曾公開表示，對于飛機和發(fā)動機來說，材料要求輕質(zhì)、高強度、耐高溫，結(jié)構(gòu)要具有低缺陷、高穩(wěn)定性，這是航空材料增材制造必須要解決的問題。
碳纖維復合材料則是一種被全球公認的具有“高性能、輕量化”特點的高新技術材料。
一家國內(nèi)知名碳纖維企業(yè)的研發(fā)部負責人向記者介紹，從比強度方面看，普通鋼鐵的拉伸強度約為600MPa~800MPa，而通用級碳纖維的拉伸強度在3500MPa及以上，也就是說，碳纖維的強度是鋼鐵的4~6倍左右。從密度方面看，45號鋼的密度為7.85克/立方厘米，而T300碳纖維的密度為1.76克/立方厘米，T700碳纖維的密度為1.8克/立方厘米,其密度不到鋼的1/4。這意味著，同樣重的碳纖維和鋼鐵，碳纖維能承受的載荷是鋼鐵的20多倍。鋁合金的密度在2.7克/立方厘米左右，而碳纖維增強樹脂基復合材料如果做得好，密度可以做到2克/立方厘米以下。同時，碳纖維還有突出的耐高溫、耐腐蝕特點。比如，在沒有氧氣的情況下，碳纖維能經(jīng)受住3000攝氏度的高溫，這是一般金屬材料難以達到的。
也正是因為其典型的“輕質(zhì)高強”特點，航空航天成為全球碳纖維及其復材十分關鍵的應用領域。
廣州賽奧碳纖維技術股份有限公司此前發(fā)布的《2020年全球碳纖維復合材料市場報告》(以下簡稱《報告》)顯示，2020年，在全球碳纖維10.686萬噸的總用量中，航空航天領域的用量為16450噸，占比約為15%。事實上，此前多年，這一占比一直更高?！?019年全球碳纖維復合材料市場報告》顯示，當年，全球碳纖維的總用量為10.37萬噸，其中航空航天領域的用量為2.35萬噸，占比為23%。只是2020年受全球疫情影響，國外民用航空、公務機市場嚴重下滑，對碳纖維的用量也隨之出現(xiàn)一定下滑。
在軍工領域，殲擊機便大量應用碳纖維復材?！秷蟾妗凤@示，2020年，全球軍用飛機領域?qū)μ祭w維的用量約為2600噸，約占全球航空航天領域?qū)μ祭w維總用量的15.8%。
也正因碳纖維的戰(zhàn)略性價值，國外一直在碳纖維領域?qū)ξ覈鴮嵭挟a(chǎn)品、技術、裝備“三封鎖”。關鍵技術和材料不能“受制于人”，要保障我國國防軍工領域自主材料的安全供應，也成為國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)一步步攻克產(chǎn)業(yè)化技術難題的最根本動因。
2005年以后，隨著國產(chǎn)碳纖維制備技術和產(chǎn)業(yè)化技術不斷取得新突破，我國國防軍工用碳纖維材料成功實現(xiàn)了自主供給保障。
《報告》顯示，2020年，我國市場的碳纖維應用總量為48851噸，其中，航空航天領域的用量約為1700噸(包含部分進口碳纖維)。
光威復材是我國軍工用碳纖維市場的領軍者。該公司2020年財報顯示，期內(nèi)，公司對客戶甲的銷售為9.82億元，占公司年度總銷售額的46.42%。該公司相關負責人向記者介紹：“近20年來，光威陸續(xù)承擔了國家‘863計劃’多個項目和國家重大科研工程項目，成為我國最早實現(xiàn)碳纖維核心裝備國產(chǎn)化，最早提供國產(chǎn)碳纖維給我國國防軍工領域應用的企業(yè)。目前，光威是我國軍工領域碳纖維的主力供應商。"
“作為一種軍民兩用的戰(zhàn)略性材料，碳纖維材料的技術具有一定的顛覆性，它能使高分子材料成為結(jié)構(gòu)材料。如果能將碳纖維及其復合材料作為裝備的替代材料，就能在一定程度上使裝備的重量減輕很多。我國各類裝備需要不斷升級換代，輕量化是永恒的主題。航空航天裝備的減重，都是以克為單位進行的。如果火箭的發(fā)動機重量能夠減輕，其射程就會顯著增加；如果飛機的重量能夠減輕，其耗油量、排放量就會相應地減少。這正是碳纖維及其復合材料越來越受青睞的主要原因。”飛行器結(jié)構(gòu)力學和復合材料專家、中國工程院院士杜善義這樣說。
我國民用航空業(yè)
加速擁抱自主碳纖維
先進飛機制造業(yè)一般被譽為是“制造業(yè)頭頂?shù)幕使凇?。在成功實現(xiàn)了我國軍工領域使用的碳纖維材料的自主保障后，近幾年，在民用航空、航天領域，國產(chǎn)碳纖維的應用也不斷取得新突破。尤其是近兩年，面對復雜多變的國際形勢，民用航空領域加速使用國產(chǎn)自主復合材料已是大勢所趨。
商用飛機是重中之重。從全球市場來看，幾十年來，發(fā)達國家的知名航空公司和碳纖維“巨頭”協(xié)作開發(fā)，使商用飛機成為碳纖維復材的優(yōu)勢應用領域。比如，大型客機波音787和空客A350上都大量使用了碳纖維復合材料。
《報告》顯示，2020年，全球商用飛機領域?qū)μ祭w維的用量約為8700噸，占全球航空航天領域?qū)μ祭w維總用量的比例約為52.9%。
在我國，隨著國產(chǎn)大飛機制造項目不斷推進，與國產(chǎn)碳纖維的攜手一直在進行著。尤其是到了2020年，這一進程開啟了加速度。
“從2020年8月開始至今，全球碳纖維巨頭日本東麗對我國實行碳纖維斷供。這讓我們更加清醒地認識到，在當前的形勢下，民用航空領域的材料供應也得把自主權掌握在自己手里?！币患姨祭w維企業(yè)的負責人向記者感慨。
中國商飛復合材料中心典型結(jié)構(gòu)部相關負責人此前曾公開表示，復合材料在大型客機上的使用，是從尾翼等次承力結(jié)構(gòu)，向機身、機翼等主承力結(jié)構(gòu)不斷擴展。國產(chǎn)大飛機C919和中俄寬體機項目CR929都大量使用了復合材料。目前，復合材料在C919上主要用于后機身段，復合材料用量占比約為12%。接下來，除了機頭，CR929的機身、機翼和尾翼都將計劃使用復合材料，預計用量占比約為50%。
記者在采訪中得知，我國多家碳纖維企業(yè)都參與到國產(chǎn)大飛機項目中。光威復材相關負責人公開表示：“光威的碳纖維產(chǎn)品針對C919應用的PCD驗證，已經(jīng)進行了多年，不過目前尚未批產(chǎn)應用；針對CR929的應用，目前材料準備正在進行中?！?/p>
在商用大飛機之外，直升機、無人機也是碳纖維及其復材重要的應用領域，如高原直升機、農(nóng)業(yè)領域噴藥用無人機等。
《報告》顯示，2020年，全球直升機對碳纖維的用量約為1500噸，約占全球航空航天領域?qū)μ祭w維總用量的9.1%；全球無人機領域的用量為750噸，占比約為4.6%。
在這些方面，國產(chǎn)碳纖維的應用近幾年也不斷拓展。今年5月~6月，光威復材宣布，順利向航空工業(yè)一飛院、壹通無人機系統(tǒng)有限公司陸續(xù)交付了首架份TP500無人運輸機后機身、尾翼，以及前機身，從而實現(xiàn)了完整交付首架份TP500無人運輸機的機身及尾翼。
據(jù)了解，TP500無人運輸機主要應用于貨運無人運輸市場，整機主要采用復合材料設計制造，采用先進的膠接一體化工藝裝配連接，最大程度地減輕了結(jié)構(gòu)重量，并降低了生產(chǎn)成本。該機主要用來滿足我國內(nèi)陸與海島，以及東南亞、中東、北非等國家和地區(qū)的貨運無人運輸市場需求，后續(xù)還可改裝，以執(zhí)行遙感測繪、人影工程、通信保障、應急救援等任務。
光威復材上述負責人介紹，該無人運輸機由航空工業(yè)第一飛機設計研究院作為總體研制單位，壹通無人機系統(tǒng)有限公司作為總體裝配單位，光威復材承擔了碳纖維預浸料主材、零件、大部件裝配等研制任務，以大部件的形式整體交付客戶進行總裝調(diào)試。
“近年來，光威復材基于自身碳纖維及復合材料全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，積極發(fā)展無人機復合材料業(yè)務，目前已具備從碳纖維、預浸料供應，到復合材料制件及整機復合材料研制能力。公司已經(jīng)積累了豐富的無人機制造、民用航空體系建設經(jīng)驗，已成功向客戶交付了AR500系列無人機直升機、TP500無人運輸機、高空太陽能長航無人機等多種型號的無人機?！边@位負責人說。
這位負責人進一步表示：“AR500系列、TP500系列兩款無人機采用的都是光威自產(chǎn)的纖維和預浸料，以小絲束T700級碳纖維為主。首架份TP500無人運輸機的完整交付，是公司繼無人直升機交付和批產(chǎn)之后，研發(fā)和生產(chǎn)碳纖維復材的能力不斷提升的又一重要體現(xiàn)?？傮w來看，民用無人運輸機市場未來有著廣闊的發(fā)展空間。光威也會繼續(xù)努力，充分發(fā)揮公司從碳纖維、預浸料到復材的設計、成型制造等一體化協(xié)同優(yōu)勢，積極配合相關設計、運營等方面，早日實現(xiàn)商業(yè)化目標。”
此外，廣州賽奧碳纖維技術股份有限公司總經(jīng)理林剛還向記者表示：“在國內(nèi)，近幾年農(nóng)業(yè)領域的無人機使用量也在不斷增加，比如新疆棉農(nóng)給棉花噴藥使用無人機的越來越多。這些領域都是非常有潛力的市場，對于國產(chǎn)碳纖維來說也是新機會。”
我國新一代運載火箭
將用上國產(chǎn)碳纖維
《報告》顯示，2020年，全球航天領域?qū)μ祭w維的用量約為300噸，占全球航空航天領域?qū)μ祭w維總用量的比例約為3%。
在我國航天領域，國產(chǎn)碳纖維及其復材的應用突破目前也不斷突破。近期，由光威復材提供的國產(chǎn)T800H級碳纖維、上海航天八院設計研制的直徑為3.35米的復合材料液氧貯箱低溫力學試驗順利完成。
上海航天方面表示，這是國內(nèi)大型復合材料液氧貯箱首次應用國產(chǎn)碳纖維，且通過工程應用量級的試驗驗證，標志著我國復合材料液氧貯箱已經(jīng)初步具備工程應用能力，后續(xù)預計將在我國新一代運載火箭上實現(xiàn)工程應用。
上海航天在其官方微信公眾號發(fā)文指出，占火箭結(jié)構(gòu)重量60%以上的貯箱，堪稱是火箭身上的“大塊頭”部件。貯箱越輕，意味著火箭可搭載的有效載荷越多，火箭的運載能力就越大，因此貯箱的重量一直讓結(jié)構(gòu)設計師們“斤斤計較”。近些年，從傳統(tǒng)的鋁銅合金到高強的鋁鋰合金材料，貯箱結(jié)構(gòu)材料的迭代不斷助力火箭實現(xiàn)減重“小目標”，但對于結(jié)構(gòu)設計師們來說，這還遠遠不夠。從2016年開始，上海航天八院團隊將目光放在具有更高力學性能的碳纖維增強復合材料上，并開展了相關方案論證工作。
805所運載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設計師陳佳表示，復合材料的比強度通常可以提高50%以上，相比金屬貯箱預期可減重30%。而且，可通過一體化設計方法，大幅簡化制造流程和質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，達到降本增效的顯著成果。以上海航天八院抓總研制的新一代運載火箭為例，若能在目前金屬貯箱的基礎上減重30%，火箭的運載能力就會提升6%，也就是說，火箭可以多搭載300公斤的載荷，這對于運力價格以克計的運載火箭來說意義重大。
“805所在大型復合材料液氧貯箱的關鍵技術攻關上取得了實質(zhì)性突破，這使得復合材料液氧貯箱‘十四五’期間在我國新一代運載火箭上實現(xiàn)工程應用的目標變得現(xiàn)實可行?！鄙虾：教爝@樣表示。
光威復材相關負責人向記者介紹：“光威于2013年突破了國產(chǎn)T800級高性能碳纖維的核心技術，2014年實現(xiàn)了工程化生產(chǎn)。在參與有關部門立項的‘國產(chǎn)T800H級碳纖維’和‘高強高模碳纖維’兩個‘一條龍’項目的全國評比中，光威都獲得了全國第一名。目前，光威已形成高強、高強中模、高強高模系列化碳纖維產(chǎn)品體系，并建設了先進碳纖維復合材料研發(fā)中心。我們的目標是，為我國航天、航空、兵器工業(yè)、大飛機等國防軍工和國民經(jīng)濟領域重大項目，持續(xù)提供自主高性能碳纖維、復合材料和制件等產(chǎn)品。自從公司走上碳纖維技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化攻關這條路，產(chǎn)業(yè)報國就一直是我們?yōu)橹恍笂^斗的目標?！?/p>
不過，值得注意的是，相比發(fā)達國家，我國碳纖維及其復材目前在航空航天領域的應用占比仍然偏小?！秷蟾妗凤@示，2020年，我國航空航天領域的碳纖維用量占我國市場上碳纖維應用總量的比例約為3.5%，相較同期全球15%的占比仍有一定差距。
然而，差距也意味著增長潛力。從整體發(fā)展趨勢看，杜善義強調(diào)：“未來，碳纖維及其復合材料將會越來越重要，需求會越來越迫切，作用會越來越顯著，應用領域也會越來越廣闊?！?/p>
林剛則表示：“當前，中美貿(mào)易摩擦的加劇，日本東麗對我國進行碳纖維斷供，都讓我國航空航天領域更加認識到，民用航空市場也必須加速國產(chǎn)戰(zhàn)略性材料的自主保障進程。而從另一個方面看，東麗的斷供，反而給了國產(chǎn)碳纖維更多的機會。如果從全球碳纖維應用市場的整體發(fā)展趨勢看，雖然這兩年受疫情重挫，但是航空航天市場未來的生命力依然旺盛。預計未來3年，民用航空市場對碳纖維的需求量可恢復到2019年的水平。而且，當需求恢復之后，再加上全球市場單通道飛機將廣泛采用碳纖維及其復材，會繼續(xù)對航空市場用碳纖維產(chǎn)生激發(fā)作用。預計到2030年，全球航空航天市場對碳纖維的用量將增長至8萬噸~10萬噸?？傮w來看，未來10年，在商業(yè)應用上，全球碳纖維的應用主驅(qū)動力將是工業(yè)，輔驅(qū)動將是航空航天。在技術發(fā)展方面，碳纖維依然是航空航天和工業(yè)應用‘雙驅(qū)動’模式，各自驅(qū)動的產(chǎn)品規(guī)格都會各有特色?！?/p> （esilk.net聲明：本網(wǎng)登載此文旨在傳遞更多行業(yè)資訊，文章內(nèi)容僅供參考。）
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