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单丝载千钧 碳纤维与航空制造业的恩恩怨怨背后有哪些博弈?
发布日期:2019-04-16  来源:飞行二次元  浏览次数:387
 
  碳纤维技术的出现为航空武器装备的性能提升提供了巨大的技术空间:该复合材料具有轻质量、高强度等特点,所制造的各类配件可以比同等体积的铝合金结构减轻30%的重量,因此被广泛应用于制造航空器机体和发动机等诸多配件,有“单丝载千钧”之称。在目前世界武器装备领域中对碳纤维复合材料的运用程度已经成为了衡量武器装备先进性的重要指标之一。
 
  但时至今日该技术的尖端科技仍然被日美两国独占不肯出售给别国,这背后无疑是一场科航空科研领域的刀光剑影,且听二次元君为你细细道来。
 
  碳纤维复合材料的档次以其拉伸强度和弹性模量为主要参考指标,截至目前已经出现了三代技术,而目前世界范围内已经广泛商业化应用的技术是第二代。该技术第一代以上世纪60年代日本东丽公司的T300和美国赫氏公司的AS4低强低模碳纤维为代表;第二代以上世纪80年代日本东丽公司的T800和美国赫氏公司IM7的高强中模碳纤维系列为代表;第三代则以日本的东丽公司、东邦公司和三菱公司为代表,它们既是这一技术在日本的最高水平,同时也是该技术在全世界的最高水平,尽管美国和中国台湾也有部分该材料的生产企业,但与日本的三家巨无霸相比,无论在产量和性能上都不及前者九牛一毛。
 
  我们来看一组数据:美国F-22、F-35战机的碳纤维复合材料用量比例分别达到了24%和36%,而已空客A380和波音787为代表的最新型大型民用客机的碳纤维复合材料用量比例甚至已经高达50%以上,而目前我国各类军民飞机中该材料的用量占比最高却不超过10%……这些数据无疑使我们这个“准航空大国”感到焦虑,诚然技术差距是不容忽视的原因,但更重要的原因在于技术垄断。
 
  第三代碳纤维复合材料的主要技术特征是同时实现高拉伸强度和高弹性模量,别以为这是动动嘴皮子就能实现的事儿,因为这二者在前两代技术中均无法同时得到呈现——以往的研制经验表明,当大幅度提高碳纤维的弹性模量时,其拉伸强度会明显降低,而当保持碳纤维的高拉伸强度时,其弹性模量又将很难得到大幅度提升。究其原因无非是一个简单的物理问题,要知道,碳纤维是由大量石墨微晶组成的异性材料,高强度碳纤维通常需要微晶颗粒尺寸较小,而高模量碳纤维则又通常要求微晶颗粒尺寸较大,这就使得构成第三代碳纤维复合材料的两个技术特征很难同时满足。
 
  要知道,在隐身时代和超音速时代,碳纤维复合材料的碳纤维模量高低是限制航空武器性能提升的一个重要原因,现阶段航空领域最广泛应用的是第二代技术,由于第二代技术模量偏低且碳纤维材料脆性较大,使得复合材料结构部件很容易出现疲劳性损伤甚至发生破坏性损伤。以美国为例,随着其近年来启动了第六代战斗机、新一代远程轰炸机以及无人舰载机等一系列新的研制计划的出台,其航空武器装备对速度、航程、机动性、隐身性和防护能力等指标都提出了更高的要求,这就需要具备拉升强度、断裂韧性和耐冲击性能等综合性能更强的第三代碳纤维复合材料,也就是说即便是对于美国这种军事强国而言,该技术同样成为了一个尚待突破的瓶颈。
 
  在当前美日(尤其是日本)强力垄断该技术的资料和市场的局面下,二次元君对这一情形抱以十分谨慎的态度和观点:首先是美国在日本对其充足供应前两代产品的情况下,仍然从第一代开始进行了自主研发和自主保障的道路,这充分体现了该技术对航空制造业乃至整个国防安全的战略意义;其次,由于我国目前完全掌握的只要第一代技术,第二代技术目前仍尚未全面突破,这需要我们加紧研究步伐;此外,二次元君认为目前最重要的是我国必须现在就开始布局第三代碳纤维复合材料的研发工作,绝不能按照以往的“土豆熟了,再烧牛肉”之策略循序渐进,否则将会造成我国下一代航空武器装备与世界先进水平的性能差距拉大。
 
  综上,对于我国的高性能碳纤维复合材料的发展,二次元君无非一句话:引进技术和自主研发,两手都要抓,两手都要硬!
 
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