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單絲載千鈞 碳纖維與航空制造業的恩恩怨怨背后有哪些博弈?
發布日期:2019-04-16  來源:飛行二次元  瀏覽次數:339
 
  碳纖維技術的出現為航空武器裝備的性能提升提供了巨大的技術空間:該復合材料具有輕質量、高強度等特點,所制造的各類配件可以比同等體積的鋁合金結構減輕30%的重量,因此被廣泛應用于制造航空器機體和發動機等諸多配件,有“單絲載千鈞”之稱。在目前世界武器裝備領域中對碳纖維復合材料的運用程度已經成為了衡量武器裝備先進性的重要指標之一。
 
  但時至今日該技術的尖端科技仍然被日美兩國獨占不肯出售給別國,這背后無疑是一場科航空科研領域的刀光劍影,且聽二次元君為你細細道來。
 
  碳纖維復合材料的檔次以其拉伸強度和彈性模量為主要參考指標,截至目前已經出現了三代技術,而目前世界范圍內已經廣泛商業化應用的技術是第二代。該技術第一代以上世紀60年代日本東麗公司的T300和美國赫氏公司的AS4低強低模碳纖維為代表;第二代以上世紀80年代日本東麗公司的T800和美國赫氏公司IM7的高強中模碳纖維系列為代表;第三代則以日本的東麗公司、東邦公司和三菱公司為代表,它們既是這一技術在日本的最高水平,同時也是該技術在全世界的最高水平,盡管美國和中國臺灣也有部分該材料的生產企業,但與日本的三家巨無霸相比,無論在產量和性能上都不及前者九牛一毛。
 
  我們來看一組數據:美國F-22、F-35戰機的碳纖維復合材料用量比例分別達到了24%和36%,而已空客A380和波音787為代表的最新型大型民用客機的碳纖維復合材料用量比例甚至已經高達50%以上,而目前我國各類軍民飛機中該材料的用量占比最高卻不超過10%……這些數據無疑使我們這個“準航空大國”感到焦慮,誠然技術差距是不容忽視的原因,但更重要的原因在于技術壟斷。
 
  第三代碳纖維復合材料的主要技術特征是同時實現高拉伸強度和高彈性模量,別以為這是動動嘴皮子就能實現的事兒,因為這二者在前兩代技術中均無法同時得到呈現——以往的研制經驗表明,當大幅度提高碳纖維的彈性模量時,其拉伸強度會明顯降低,而當保持碳纖維的高拉伸強度時,其彈性模量又將很難得到大幅度提升。究其原因無非是一個簡單的物理問題,要知道,碳纖維是由大量石墨微晶組成的異性材料,高強度碳纖維通常需要微晶顆粒尺寸較小,而高模量碳纖維則又通常要求微晶顆粒尺寸較大,這就使得構成第三代碳纖維復合材料的兩個技術特征很難同時滿足。
 
  要知道,在隱身時代和超音速時代,碳纖維復合材料的碳纖維模量高低是限制航空武器性能提升的一個重要原因,現階段航空領域最廣泛應用的是第二代技術,由于第二代技術模量偏低且碳纖維材料脆性較大,使得復合材料結構部件很容易出現疲勞性損傷甚至發生破壞性損傷。以美國為例,隨著其近年來啟動了第六代戰斗機、新一代遠程轟炸機以及無人艦載機等一系列新的研制計劃的出臺,其航空武器裝備對速度、航程、機動性、隱身性和防護能力等指標都提出了更高的要求,這就需要具備拉升強度、斷裂韌性和耐沖擊性能等綜合性能更強的第三代碳纖維復合材料,也就是說即便是對于美國這種軍事強國而言,該技術同樣成為了一個尚待突破的瓶頸。
 
  在當前美日(尤其是日本)強力壟斷該技術的資料和市場的局面下,二次元君對這一情形抱以十分謹慎的態度和觀點:首先是美國在日本對其充足供應前兩代產品的情況下,仍然從第一代開始進行了自主研發和自主保障的道路,這充分體現了該技術對航空制造業乃至整個國防安全的戰略意義;其次,由于我國目前完全掌握的只要第一代技術,第二代技術目前仍尚未全面突破,這需要我們加緊研究步伐;此外,二次元君認為目前最重要的是我國必須現在就開始布局第三代碳纖維復合材料的研發工作,絕不能按照以往的“土豆熟了,再燒牛肉”之策略循序漸進,否則將會造成我國下一代航空武器裝備與世界先進水平的性能差距拉大。
 
  綜上,對于我國的高性能碳纖維復合材料的發展,二次元君無非一句話:引進技術和自主研發,兩手都要抓,兩手都要硬!
 
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