多谢美军事禁运解放军新型战机用上复合材料

多谢美军事禁运解放军新型战机用上复合材料-CompositesPlus

碳纤维因其优异的物理性能而被广泛应用于航空、航天和国防军工等多领域,是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略基础材料。而其制造工艺又十分复杂,是一项集多学科、精细化、高尖端技术于一体的系统工程。

碳纤维与传统的玻璃纤维相比,杨氏模量是其3倍多;它与凯夫拉纤维相比,杨氏模量是其2倍左右,在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性突出。

随着当今碳纤维及复合材料广泛应用,规模化生产成为其产业化发展的重大瓶颈。目前只有极少数国家能稳定生产出高性能碳纤维,且核心技术长期掌控在日本和美国企业巨头手中。其中,日本的三家公司(东邦、三菱、东丽)碳纤维生产能力就占世界四分之三,成为业界的“巨无霸”。

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其中,东丽是全球最大的碳纤维制造商,在四个国家设有碳纤维工厂。目前全球碳纤维总产能约8.4万吨,东丽占其中的近四成。2014年11月,东丽宣布获得美国波音公司价值86亿美元的飞机用碳纤维订单,成为东丽在飞机制造领域接获的最大订单。

中国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代,80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢,但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快,安徽率先引进了500吨每年原丝、200吨每年PAN基碳纤维,使中国碳纤维工业进入了产业化。随后一些地方相继加入碳纤维生产行列。
从2000年开始中国碳纤维向技术多元化发展,放弃了原来的硝酸法原丝制造技术,采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。利用自主技术研制的少数国产T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。随着中国对碳纤维的需求量日益增长,碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持。2005年全球碳纤维市场仅为9亿美元,而2013年达到100亿美元,预计到2022年有望达到400亿美元,碳纤维复合材料的应用也将进入全新的时代。中国碳纤维产业化采取自主开发和引进相结合的道路,到“十一五“末期基本实现了相当于日本T300的国产碳纤维规模生产线,并且有一些企业已形成了T700以上水平的百吨生产线。
2011年中国碳纤维市场规模达到6811吨,然而,受供应不足的影响,国内碳纤维市场发展相对较为缓慢,预计未来几年,随着供应量的提升,中国碳纤维行业的需求量也将保持着较快速度的增长。
技术的落后直接导致中国碳纤维产品质量与进口产品之间的明显差距,也极大地限制了国产碳纤维产品在高端领域的应用。有数据显示,中国碳纤维产品在应用上集中于低端领域,在碳纤维质量要求较高的航空航天领域的应用比例仅为3%,远远没达到国际上碳纤维行业在航空航天领域应用占比的平均水平;而在质量要求相对较低的运动休闲用品领域,碳纤维的应用比例却高达80%左右,四倍于国际上碳纤维在运动休闲用品领域应用的平均水平。但国产碳纤维落后的技术却制约着中国碳纤维行业健康稳健发展。
中国高性能碳纤维都依赖进口,日本的碳纤维产量更是占全球市场份额的60%。2016年2月15日,中国突破日本管制封锁研制出高性能碳纤维。

据“中国材料研究学会”消息称,国外将复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明显的减重作用,大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能,数据显示采用复合材料结构的前机身段,可比金属结构减轻质量31.5%,减少零件61.5%,减少紧固件61.3%;复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。中国在最新的直10和直19武装直升机上大量使用碳纤维材料制的机身框架结构、直升机旋翼、机翼蒙皮和直升机尾翼部件。

碳纤维复合材料不但是轻质高强的结构材料,还能有效地吸收雷达波,具有隐身的重要功能。美国已用以制造最新型的隐形轰炸机。B-2隐型轰炸机的机身基材,F-117A隐型飞机的局部也都采用了碳纤维改性的高分子吸波材料。

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美国第四代战斗机F22采用了约24%的碳纤维复合材料,从而使该战机具有超高音速巡航、超视距作战、高机动性和隐身等特性。而据外媒报道,F-35战机首飞时间一推再推,其中很重要的一个原因就是超重。为此,洛·马公司采用多达35%的碳纤维复合材料才大幅降低了机体重量。

碳纤维复合材料还应用在战略导弹的弹体和发动机壳体上,可大大减轻重量,提高导弹的射程和突击能力,如美国80年代研制的洲际导弹三级壳体,三叉戟-2导弹、战斧式巡航导弹、大力神-4火箭、法国的阿里安-2火箭改型、日本的M-5火箭等发动机壳体。

外军认为,现代信息化战争既是高技术装备之战,更是高性能材料之战。现代武器装备发展,隐身化、低能耗、高机动性、大载荷等趋势凸显,对碳纤维及复合材料性能要求越来越高。因此研制更高强度、更高模量的碳纤维和与之相匹配的高性能作战系统,已成为军事强国比拼尖端实力的重头戏。美国防部在“面向21世纪国防需求的材料研究”报告中强调,“到2020年,只有复合材料才有潜力使装备获得20-25%的性能提升”。

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然而,由于其特殊性,碳纤维属于技术密集型和政治敏感的战略资源,以美国为首的西方国家对中国实施了禁运。经过多年自主研发,中国碳纤维行业终于打破了国外技术封锁,取得了初步成果。

2007年以来,国产军用碳纤维材料已经被广泛应用到新型装备领域。歼10的后续批次机型,在雷达罩、前机身、鸭翼、副襟翼、垂尾、平尾、机尾短舱和起落架舱门等各种次承力结构,都批量使用了碳纤维复合材料。

中航沈飞公司研制生产的歼11B、歼11BS以及洪都L-15教练机,都采用了国产军用碳纤维材料制的垂直尾翼部件。我军新一代洲际弹道导弹东风-41和巨浪-2都采用了国产碳纤维材料制的导弹壳体。

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