碳纤维：飞机应用启示录

文/ 本刊记者 李利军

江苏恒神技术顾问沈真表示，我国碳纤维的航空应用应借鉴国外巨头经验

美国波音公司近日宣布获得380 亿美元中国订单。据媒体报道，这些订单主要包括737、777 和787 等系列飞机。此消息备受碳纤维行业关注，原因是这些机型已经开始大面积采用碳纤维复合材料，对于提振全球碳纤维市场有重要意义。以波音787 为例，该型号的飞机所使用的材料中，复合材料占比有很大提升，达到50%，其中主要以碳纤维增强型复合材料（CFRP）为主。而波音777 中复合材料也达到了12%。

在航空领域，用碳纤维开发一个新品非常难，主要是因为原料材质的研发要与应用结合。国内相关企业想要突破当前局面的压力很大。江苏恒神技术顾问沈真表示，全球其他航空材料业的发展路径为我国该产业的发展提供了启示和经验，我国企业可以结合本土实际，确定发展思路。

启示一:找到一个应用商捆绑式发展

碳纤维复材要想应用在飞机上，从一开始，设计、工艺、材料和应用就要紧密配合

在波音宣布获得订单的一个月前，日本东丽从美国波音获得了规模达到1 万亿日元的飞机用碳纤维订单。双方合同显示，在今后10 多年里，东丽除向现有的787 机型供货之外，还将向最早于2020 年投入使用的777X 供应主机翼用碳纤维复合材料，并实现独家供货。

为什么波音会从东丽采购相关材料？一方面是因为碳纤维复材的技术相对前沿，全球能达标的企业并不多。另一方面，业内人士表示，美国波音与日本东丽长期合作紧密，至少在碳纤维复材领域，这种合作早已将两者捆绑在一起。

事实上，综观全球，另一个飞机制造巨头欧洲空客也与碳纤维强企法国赫氏合作密切。这种两两捆绑式的发展模式，在碳纤维产业的研发与应用中并非巧合。沈真表示，碳纤维复材要想应用在飞机上，从一开始，设计、工艺、材料和应用就要紧密配合。

目前，中国商用飞机是波音与空客的竞争对手。在碳纤维复合材料成为飞机制造不可或缺的材料后，商飞要想突破竞争局面，就必须有合作紧密且具备实力的碳纤维复材提供商。然而，就目前形势看，商飞的飞机进入批量生产后，东丽和赫氏不会保证材料供应，其他国外碳纤维厂家目前又不具备航空级碳纤维原材料供应能力。因此，我国飞机碳纤维原材料供应必须立足于国内，这对于国内碳纤维企业提出了期许。

有预测表明，未来20 年，中国将需要价值近万亿美元的6000 多架民用飞机。市场潜力巨大。目前商飞与波音的差距不小，还处于成长阶段，想要与之捆绑式发展的碳纤维及碳纤维复材企业也应抓住机遇，迅速跟上。

启示二:低成本路线要以高性能为前提

其实，早在上个世纪70 年代就已经做出复合材料的机身和机翼。但是当时成本太高，航空领域根本接受不了。为了让市场接受，相关产业进行了长达40 多年的努力。世界主要的几个碳纤维提供商和下游企业一起科研攻关，最终达到了工业化应用水平，实现了突破。

总结几十年的发展历程看，在实际应用中，碳纤维可以分为两种：高性能前提下的低成本碳纤维和低成本前提下的高性能碳纤维。

沈真认为，航空航天用的碳纤维属于前者，不能以低成本为最终目标，而要以发挥碳纤维复合材料优势为前提，寻找低成本的解决途径。这种改进主要在三个方面。

第一是设计。碳纤维复材结构与金属结构设计的最大差别是增加了铺层设计，铺层设计就是将碳纤维的方向按结构的变形要求进行铺设。在这个过程中，要尽可能发挥其高模量的优势，达到减重的要求。复合材料的另一优势是可以将复杂形状的结构通过共固化、共胶接或二次胶接一次成型实现，获得无紧固件的整体化结构，从而大大减少紧固件和装配的成本，因此整体化结构的连接设计和成型工艺是保证发挥碳纤维优势的关键。总之，碳纤维复合材料的优势是通过设计得到的。

第二是稳定性。高稳定性可通过原材料和制造工艺二者的稳定性来实现。飞机结构用的碳纤维复合材料均须采用经鉴定的产品，并通过用户的材料规范来控制所购原料的质量，按相应的工艺规范制造产品，材料和工艺一经鉴定，后续任何重要的材料/工艺变化必须通过适当的试验/分析评定，并获得相关部门批准后才能执行。

第三是制造技术。碳纤维复合材料结构的高性能必须采用适合它的工艺来实现。长期以来，飞机结构采用热压罐工艺，这种工艺能保证高纤维体积含量、低孔隙率和质量均匀一致，从而获得高性能的复合材料。目前为追求低成本，衍生出很多新的工艺，但其技术基础主要是热压罐工艺，质量要求没有变化。

启示三:打造全产业链开发生产与服务的模式

碳纤维应用不只是要盯着下游市场需求看，沈真表示，碳纤维企业还要看是否能整合各方资源，在发挥碳纤维的特长的同时，改性周边配套产品。

例如，市场需求的是碳纤维复合材料形式出现的制品，碳纤维必须与相匹配的上浆剂、树脂组合才能体现其优势。为满足市场的特殊需求，除研发碳纤维外，还须研制市场上无法得到的专用树脂与上浆剂。

沈真表示，碳纤维及其复合材料的关键技术被国外封锁，甚至获取了相关技术在国内也不能拿来就用，碳纤维及其复材要与国内周边产业相配合才行。另外，在航空领域的鉴定时间和流程都比较长。因此，沈真认为，我国碳纤维及其复合材料要发展自己的相关产业链。又因为应用领域的特殊性，再加上产品以碳纤维为主，因此整合和改造周边配套产品的任务只能由碳纤维企业来完成。

沈真介绍，目前，江苏恒神已经确立了要建成碳纤维及复合材料生产、技术、应用、服务为一体的集成供应商的发展思路。在这个目标下，企业要完成两个具体任务：一是建立“碳纤维—织物—预浸料—树脂—设计与产品开发服务”的完整产业链；二是成为世界领先的碳纤维及复合材料集成供应商。