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“飛天”逐夢武裝高精尖,國產碳纖維奮戰航空航天應用市場 

發布時間:2021-06-24 09:14:06 瀏覽次數:35 來源:互聯網  我來說兩句()

  “我們的征途是星斗大海!

  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中心艙勝利完成自主快速交會對接后,三名航天員進入天和中心艙。這是中國人初次進入本人的空間站。

  “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、心潮磅礴的歷史時辰!蓖饨徊堪l言人趙立堅在當天的例行記者會上表示,探究浩瀚宇宙是全人類的共同幻想。

  我國載人航天技術的不時打破和開展,離不開航天人的砥礪奮進,同時也離不開先進新資料的“護航”。

  依據中國航天科技集團公開的信息,飛船上采用了比強度高、手感溫馨的碳纖維資料支配棒。在飛船發射和返回過程中,航天員的身體被牢牢約束在座椅上,身體不能前傾以完成對儀表板上各種設備的操作。支配棒就是為處理這一難題。支配棒桿體的設計為可無極伸縮式,航天員能夠依據現場條件在一定范圍內恣意調整支配棒的長度。

  從全球范圍看,航空航天不斷是碳纖維及其復材的重點應用范疇。先進新資料的重要“任務”,就是滿足“深空、深!钡葒葒乐貞鹇孕枨。

  那么當前,在產業化突飛猛進快20年后,我國碳纖維在航空航天范疇的應用探究獲得了哪些新打破?將來開展趨向又如何?

  航空航天配備“輕量化”

  喜愛碳纖維復材

  在全球航空航天范疇,“一代資料,一代配備”是一句至理名言。

  一名航空范疇的業內人士指出,航空資料是航空工業開展的根底。航空業的開展,與機體資料、構造資料、發起機資料,以及各類組件資料的創新化應用密不可分。運用先進資料,是完成飛機高性能、輕量化、高牢靠性、短命命、低本錢的重要保證。

  中國航發北京航空資料研討院副總工程師張學軍此前曾公開表示,關于飛機和發起機來說,資料請求輕質、高強度、耐高溫,構造要具有低缺陷、高穩定性,這是航空資料增材制造必需要處理的問題。

  碳纖維復合資料則是一種被全球公認的具有“高性能、輕量化”特性的高新技術資料。

  一家國內知名碳纖維企業的研發部擔任人向記者引見,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,碳纖維能接受的載荷是鋼鐵的20多倍。鋁合金的密度在2.7克/立方厘米左右,而碳纖維加強樹脂基復合資料假如做得好,密度能夠做到2克/立方厘米以下。同時,碳纖維還有突出的耐高溫、耐腐蝕特性。比方,在沒有氧氣的狀況下,碳纖維能禁受住3000攝氏度的高溫,這是普通金屬資料難以到達的。

  也正是由于其典型的“輕質高強”特性,航空航天成為全球碳纖維及其復材非常關鍵的應用范疇。

  廣州賽奧碳纖維技術股份有限公司此前發布的《2020年全球碳纖維復合資料市場報告》(以下簡稱《報告》)顯現,2020年,在全球碳纖維10.686萬噸的總用量中,航空航天范疇的用量為16450噸,占比約為15%。事實上,此前多年,這一占比不斷更高!2019年全球碳纖維復合資料市場報告》顯現,當年,全球碳纖維的總用量為10.37萬噸,其中航空航天范疇的用量為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呈現一定下滑。

  在軍工范疇,殲擊機便大量應用碳纖維復材!秷蟾妗凤@現,2020年,全球軍用飛機范疇對碳纖維的用量約為2600噸,約占全球航空航天范疇對碳纖維總用量的15.8%。

  也正因碳纖維的戰略性價值,國外不斷在碳纖維范疇對我國實行產品、技術、配備“三封鎖”。關鍵技術和資料不能“受制于人”,要保證我國國防軍工范疇自主資料的平安供給,也成為國產碳纖維產業一步步攻克產業化技術難題的最基本動因。

  2005年以后,隨著國產碳纖維制備技術和產業化技術不時獲得新打破,我國國防軍工用碳纖維資料勝利完成了自主供應保證。

  《報告》顯現,2020年,我國市場的碳纖維應用總量為48851噸,其中,航空航天范疇的用量約為1700噸(包含局部進口碳纖維)。

  光威復材是我國軍工用碳纖維市場的領軍者。該公司2020年財報顯現,期內,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%。該公司相關擔任人向記者引見:“近20年來,光威陸續承當了國度‘863方案’多個項目和國度嚴重科研工程項目,成為我國最早完成碳纖維中心配備國產化,最早提供國產碳纖維給我國國防軍工范疇應用的企業。目前,光威是我國軍工范疇碳纖維的主力供給商。"

  “作為一種軍民兩用的戰略性資料,碳纖維資料的技術具有一定的推翻性,它能使高分子資料成為構造資料。假如能將碳纖維及其復合資料作為配備的替代資料,就能在一定水平上使配備的重量減輕很多。我國各類配備需求不時晉級換代,輕量化是永久的主題。航空航天配備的減重,都是以克為單位停止的。假如火箭的發起機重量可以減輕,其射程就會顯著增加;假如飛機的重量可以減輕,其耗油量、排放量就會相應地減少。這正是碳纖維及其復合資料越來越受喜愛的主要緣由!憋w行器構造力學和復合資料專家、中國工程院院士杜善義這樣說。

  我國民用航空業

  加速擁抱自主碳纖維

  先進飛機制造業普通被譽為是“制造業頭頂的皇冠”。在勝利完成了我國軍工范疇運用的碳纖維資料的自主保證后,近幾年,在民用航空、航天范疇,國產碳纖維的應用也不時獲得新打破。特別是近兩年,面對復雜多變的國際形勢,民用航空范疇加速運用國產自主復合資料已是大勢所趨。

  商用飛機是重中之重。從全球市場來看,幾十年來,興旺國度的知名航空公司和碳纖維“巨頭”協作開發,使商用飛機成為碳纖維復材的優勢應用范疇。比方,大型客機波音787和空客A350上都大量運用了碳纖維復合資料。

  《報告》顯現,2020年,全球商用飛機范疇對碳纖維的用量約為8700噸,占全球航空航天范疇對碳纖維總用量的比例約為52.9%。

  在我國,隨著國產大飛機制造項目不時推進,與國產碳纖維的攜手不斷在停止著。特別是到了2020年,這一進程開啟了加速度。

  “從2020年8月開端至今,全球碳纖維巨頭日本東麗對我國實行碳纖維斷供。這讓我們愈加蘇醒地認識到,在當前的形勢下,民用航空范疇的資料供給也得把自主權控制在本人手里!币患姨祭w維企業的擔任人向記者慨嘆。

  中國商飛復合資料中心典型構造部相關擔任人此前曾公開表示,復合資料在大型客機上的運用,是從尾翼等次承力構造,向機身、機翼等主承力構造不時擴展。國產大飛機C919和中俄寬體機項目CR929都大量運用了復合資料。目前,復合資料在C919上主要用于后機身段,復合資料用量占比約為12%。接下來,除了機頭,CR929的機身、機翼和尾翼都將方案運用復合資料,估計用量占比約為50%。

  記者在采訪中得知,我國多家碳纖維企業都參與到國產大飛機項目中。光威復材相關擔任人公開表示:“光威的碳纖維產品針對C919應用的PCD考證,曾經停止了多年,不過目前尚未批產應用;針對CR929的應用,目前資料準備正在停止中!

  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范疇,如高原直升機、農業范疇噴藥用無人機等。

  《報告》顯現,2020年,全球直升機對碳纖維的用量約為1500噸,約占全球航空航天范疇對碳纖維總用量的9.1%;全球無人機范疇的用量為750噸,占比約為4.6%。

  在這些方面,國產碳纖維的應用近幾年也不時拓展。今年5月~6月,光威復材宣布,順利向航空工業一飛院、壹通無人機系統有限公司陸續托付了首架份TP500無人運輸機后機身、尾翼,以及前機身,從而完成了完好托付首架份TP500無人運輸機的機身及尾翼。

  據理解,TP500無人運輸機主要應用于貨運無人運輸市場,整機主要采用復合資料設計制造,采用先進的膠接一體化工藝裝配銜接,最大水平地減輕了卻構重量,并降低了消費本錢。該機主要用來滿足我國內陸與海島,以及東南亞、中東、北非等國度和地域的貨運無人運輸市場需求,后續還可改裝,以執行遙感測繪、人影工程、通訊保證、應急救援等任務。

  光威復材上述擔任人引見,該無人運輸機由航空工業第一飛機設計研討院作為總體研制單位,壹通無人機系統有限公司作為總體裝配單位,光威復材承當了碳纖維預浸料主材、零件、大部件裝配等研制任務,以大部件的方式整體托付客戶停止總裝調試。

  “近年來,光威復材基于本身碳纖維及復合資料全產業鏈優勢,積極開展無人機復合資料業務,目前已具備從碳纖維、預浸料供給,到復合資料制件及整機復合資料研制才能。公司曾經積聚了豐厚的無人機制造、民用航空體系建立經歷,已勝利向客戶托付了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@位擔任人說。

  這位擔任人進一步表示:“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無人運輸機的完好托付,是公司繼無人直升機托付和批產之后,研發和消費碳纖維復材的才能不時提升的又一重要表現?傮w來看,民用無人運輸機市場將來有著寬廣的開展空間。光威也會繼續努力,充沛發揮公司從碳纖維、預浸料到復材的設計、成型制造等一體化協同優勢,積極配合相關設計、運營等方面,早日完成商業化目的!

  此外,廣州賽奧碳纖維技術股份有限公司總經理林剛還向記者表示:“在國內,近幾年農業范疇的無人機運用量也在不時增加,比方新疆棉農給棉花噴藥運用無人機的越來越多。這些范疇都是十分有潛力的市場,關于國產碳纖維來說也是新時機!

  我國新一代運載火箭

  將用上國產碳纖維

  《報告》顯現,2020年,全球航天范疇對碳纖維的用量約為300噸,占全球航空航天范疇對碳纖維總用量的比例約為3%。

  在我國航天范疇,國產碳纖維及其復材的應用打破目前也不時打破。近期,由光威復材提供的國產T800H級碳纖維、上海航天八院設計研制的直徑為3.35米的復合資料液氧貯箱低溫力學實驗順利完成。

  上海航天方面表示,這是國內大型復合資料液氧貯箱初次應用國產碳纖維,且經過工程應用量級的實驗考證,標志著我國復合資料液氧貯箱曾經初步具備工程應用才能,后續估計將在我國新一代運載火箭上完成工程應用。

  上海航天在其官方微信公眾號發文指出,占火箭構造重量60%以上的貯箱,可謂是火箭身上的“大塊頭”部件。貯箱越輕,意味著火箭可搭載的有效載荷越多,火箭的運載才能就越大,因而貯箱的重量不斷讓構造設計師們“錙銖必較”。近些年,從傳統的鋁銅合金到高強的鋁鋰合金資料,貯箱構造資料的迭代不時助力火箭完成減重“小目的”,但關于構造設計師們來說,這還遠遠不夠。從2016年開端,上海航天八院團隊將眼光放在具有更高力學性能的碳纖維加強復合資料上,并展開了相關計劃論證工作。

  805所運載火箭構造系統設計師陳佳表示,復合資料的比強度通常能夠進步50%以上,相比金屬貯箱預期可減重30%。而且,可經過一體化設計辦法,大幅簡化制造流程和質量控制環節,到達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根底上減重30%,火箭的運載才能就會提升6%,也就是說,火箭能夠多搭載300公斤的載荷,這關于運力價錢以克計的運載火箭來說意義嚴重。

  “805所在大型復合資料液氧貯箱的關鍵技術攻打開獲得了本質性打破,這使得復合資料液氧貯箱‘十四五’期間在我國新一代運載火箭上完成工程應用的目的變得理想可行!鄙虾:教爝@樣表示。

  光威復材相關擔任人向記者引見:“光威于2013年打破了國產T800級高性能碳纖維的中心技術,2014年完成了工程化消費。在參與有關部門立項的‘國產T800H級碳纖維’和‘高強高模碳纖維’兩個‘一條龍’項目的全國評選中,光威都取得了全國第一名。目前,光威已構成高強、高強中模、高強高模系列化碳纖維產品體系,并建立了先進碳纖維復合資料研發中心。我們的目的是,為我國航天、航空、兵器工業、大飛機等國防軍工和國民經濟范疇嚴重項目,持續提供自主高性能碳纖維、復合資料和制件等產品。自從公司走上碳纖維技術研發和產業化攻關這條路,產業報國就不斷是我們為之不懈斗爭的目的!

  不過,值得留意的是,相比興旺國度,我國碳纖維及其復材目前在航空航天范疇的應用占比依然偏小!秷蟾妗凤@現,2020年,我國航空航天范疇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。

  但是,差距也意味著增長潛力。從整體開展趨向看,杜善義強調:“將來,碳纖維及其復合資料將會越來越重要,需求會越來越迫切,作用會越來越顯著,應用范疇也會越來越寬廣!

  林剛則表示:“當前,中美貿易摩擦的加劇,日本東麗對我國停止碳纖維斷供,都讓我國航空航天范疇愈加認識到,民用航空市場也必需加速國產戰略性資料的自主保證進程。而從另一個方面看,東麗的斷供,反而給了國產碳纖維更多的時機。假如從全球碳纖維應用市場的整體開展趨向看,固然這兩年受疫情重挫,但是航空航天市場將來的生命力仍然旺盛。估計將來3年,民用航空市場對碳纖維的需求量可恢復到2019年的程度。而且,當需求恢復之后,再加上全球市場單通道飛機將普遍采用碳纖維及其復材,會繼續對航空市場用碳纖維產生激起作用。估計到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,將來10年,在商業應用上,全球碳纖維的應用主驅動力將是工業,輔驅動將是航空航天。在技術開展方面,碳纖維仍然是航空航天和工業應用‘雙驅動’形式,各自驅動的產品規格都會各有特征!


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