益小蘇教授：碳纖維航空復合材料技術的發展

非金非土非木

2021年4月23日 10:18

在碳纖維航空復合材料技術領域展現中國力量。

益小蘇

寧波諾丁漢大學李達三首席教授

國際先進材料與制造工程學會（SAMPE）

全球輪值主席

復合材料非常重要，從空客A380開始到波音B787都大量使用了復合材料。波音B787復合材料的用量達到50%左右，空客 A350復合材料的用量達到52%左右。復合材料故事聽上去很輝煌，但它的起點就是一個纖維，就是碳纖維。

整個飛機復合材料是從有了碳纖維開始的，但是，碳纖維發展的極限在哪里？從T300、T700、T800、T1000到T1100，以后是什么？這對我們航空工業發展有什么影響？美國科學家10年前就問出這樣的問題，怎么適應并窮盡碳纖維的潛力，這是第一個問題。

第二個問題，大家知道傳統的飛機是鋁合金制造的，碳纖維的材料每一個進步，幾乎都是沖著鋁合金去的，它要替代鋁合金；反過來講，碳纖維復合材料每一個進步也倒逼著鋁合金進步，將來的飛機不是一個單一材料，一定是個多材料系統，每個材料有它的位置，關鍵就看能不能窮盡對這個材料的認識。

碳纖維的發展和鋁合金的發展咬得非常緊，現在用得最多的A350復合材料達到52%，會不會再往上漲？未必。鋁合金是不是到此為止了？也未必，所以我們要靜觀復合材料下一步的發展。

那么碳纖維用在復合材料上為什么這么難？材料判斷起來有兩個最基本的類別，一個是脆性材料，一個是韌性材料。玻璃就是最典型的脆性材料，一砸就碎，如果把碳纖維也做個拉伸，它也沒有什么拉伸延伸率，一拉就斷。再來看看碳纖維復合材料層合板，如果一個硬東西砸上去，恰巧落在飛機的碳纖維復合材料上，或者飛機腹部的碳纖維復合材料被跑道上的石子被輪子卷著打到機腹上了，這些都會造成異物沖擊損傷，這個損傷眼睛一般看不見，但會有很多分層，分層之后碳纖維復合材料的壓縮性能就大幅度下降。

正是基于這種機理而生成了一個坐標，橫坐標代表當這個材料是完好的時候，沒有被打過之前，它的壓縮強度是多少。這個指標基本上是被碳纖維驅動的，一般碳纖維越好，這個強度越高。縱坐標是打了之后這個材料的壓縮強度有多少，這點不僅僅是碳纖維決定的，也不僅僅是樹脂決定的，而是有一套復合材料的構造法。由此就有了第一代和第二代碳纖維復合材料，到目前為止，全世界的飛機所使用的的碳纖維復合材料基本都在第二代的范圍內。

碳纖維每一步發展都是跟鋁合金相競爭的。圖中坐標橫軸是成本，縱坐標是減重。因為用復合材料歸根到底是為了減重，減重意味著坐標上往綠色這邊走，紅的是增重。因此這個圖上有個灰色區域：碳纖維復合材料減重了15%，但成本增加5%，這就是空客公司認為現在復合材料在民機上達到的水平。

一個便宜，但稍微重一點；另一個性能高了，但貴了很多。根據兩者關系，空客公司定義到圖中綠色的位置，減重10%，降低成本30%，全世界都在朝這個目標努力。

性能很重要，成本也很重要，因為產品歸根結底要賣出去。于是應該分析一下復合材料的成本。盡管現在計算材料科學很熱鬧，但復合材料的性能不可能靠計算算出來，必須靠驗證，材料這塊成本考核驗證達到35%，不可避免。很多人說復合材料太貴，我是做復合材料研究的，復合材料讓個成本的5%給你，我把成本降到50%，整個系統里面只降了5%，你省了這5%幾乎做不成事，因此材料成本也不算貴。貴在裝配、鋪層等等，因此分析了成本來源就會想到，為了使復合材料便宜，得往復合材料的設計和制造方向著眼，而不是光想著省材料的錢。

美國在80年代、90年代啟動了一系列計劃，想降低復合材料應用成本，最終目標是復合材料用量的提高一定是和降低成本聯系在一塊的。比如，復合材料用量達到60%，成本就要從現有水平下降十分之一的水平，這是美國的目標，這也是同行的參照。

既然從制造、設計上考慮這件事，就要考慮如何來做這件事情。這是當年某型機為減少裝配、鋪層、緊固件等，必須把11000個金屬件減少到450個，600個復合材料零部件減少到200個，13萬5千個緊固件減少到6000個，這樣才能降低復合材料的成本，特別是零部件的成本。

設計和制造中，本來分離的零件通過裝配要整體成型，從結構和材料上怎么走出這一步，怎么實現？又是下一步邏輯關系。所以出現了新的制造技術——復合材料液態成型。我先做一個復雜的纖維預制體，這個纖維體保證強度和剛度，然后通過真空成型方式把樹脂吸進去，這有點兒類似鋁合金的鑄造。

液態成型給制造帶來更大的靈活性，更低成本制造，但是它的性能就比不上預浸料復合材料了。又是同樣的例子，要平衡復合材料制件的結構性能和可成型性之間的關系。這張圖可以作為說明，上面這個線是預浸料復合材料的性能，下面的是液態成型RTM（樹脂傳遞模塑成型）復合材料的性能。到現在為止，全世界RTM復合材料都在追趕，看能不能達到預浸料復合材料的性能，這也是全世界復合材料技術領域共性的奮斗目標。

如果這一步達到了，那又該怎么辦。這是EADS（歐洲航空航天公司）的觀點。第一步，要提高復合材料的功能性，功能性很重要，我們現在還做不到。我再以某型機為例，那么復雜的一架飛機上，材料清單上只有非常有限的幾個牌號的鈦合金和復合材料，而中國從汽車到飛機，恐怕每一個裝備的材料清單都是非常長的清單。為什么呢？因為我們針對一個目標就選一個材料，還做不到“一材多用”，而先進國家已經做到“一材多用”，并且實現多功能化。

我再舉一個例子，大到航空航天、小到大家手上拿的手機，每一個這樣的裝備里面，都是很多分立元件，比如電源、顯示屏、CPU等等，沒有辦法做到既是電源又是結構，既是顯示屏又是天線。但是暢想未來，應該有這樣的設計，它既是結構又是器件，比方講它既是機翼又是天線，既是機翼又是電池，那情況就完全不一樣了。這是復合材料下一步的發展方向，功能化和“一材多用”。

“一材多用”里面有個例子就是雷擊，復合材料是絕緣的，絕緣就會被雷擊，為此，波音B787、空客A350整架飛機外表鋪了一層金屬網，銅網比碳纖維復合材料差不多增了5倍、7倍。用復材是為了減重，為了防雷擊又用金屬造成增重，是不是很矛盾？所以面對需求，復合材料能不能輕得像現在的復合材料一樣，但同時它的導電性上和鋁合金一樣？這是下一步結構功能一體化復合材料技術的挑戰。

最后一個是綠色化。中國面臨著國際上碳排放的限制和挑戰，習近平總書記最近宣布中國到2060年將實現碳中和，這是個非常偉大的目標。歐洲航空業也正在朝著這個方向在努力，為了降低二氧化碳、噪聲排放等等，以及為了實現整個民用飛機的可循環利用，他們提出一系列的科研發展計劃。這也告訴我們，在把高性能做完了，把功能性做完了，下一步，我們航空制造業的任務是實現全壽命周期綠色化和生態環境資源友好化。

說到全壽命周期的綠色化和可持續發展，隨著時間的推移，復合材料用量也在增長，碳纖維的需求量也在迅速生長，但是碳纖維復合材料如此的耐久、如此的好，它用完了不能降解怎么辦？所以，今后10年、15年之后，大量的飛機上的碳纖維復合材料件淘汰了，可能那個時候就形成了大量的垃圾，它肯定是不會降解的，就是對自然的破壞。

作為中國科學家我們怎么應對復合材料未來的發展？如果一個材料是脆性的，它的斷口表面一般都是光滑的。如何提高它的韌性，使得沖擊打上去，它不是那么光滑的脆性破壞？大家都知道日常生活中的尼龍搭扣，我們能不能把尼龍搭扣做到復合材料上去？第二個案例，如果你有兩個很大的石頭，為了不使它分開，就可以在里面嵌入小的元寶石，我做材料的，做這個小的元寶石不容易，但我們可以做成“葡萄串”這樣的結構嵌進去。

現實中，我們確實就把尼龍搭扣做到復合材料里面了，使它的韌性性能提高。包括在承受張力以及剪切力時，在實現性能提高方面，效果非常好。這個項目現在我們正在和國外某公司合作，他們提出的要求非常簡單：給你一個材料，提高其韌性，我們就是通過“縫”個搭扣進去這種方法，效果非常好。

剛才我講的第二個技術，能不能把“葡萄串”做進去，大家想，你如果把花生豆種在土里面，你要把它拔出來不容易，于是我們就“栽”進去這樣的“葡萄串”，效果也非常好，這也是我們的國際合作。

那么“葡萄串”是怎么實現的呢？實際上我們采用2D打印技術，在碳纖維表面上做了很多文章，這樣我們就實現了材料國產化，這個裝備也是我們的國際國內知識產權。現在，中國的這個技術得到了國際認可，稱為“離位”技術，在這點上，我們應該是跟國際上并駕齊驅。

剛才我講到了復合材料多功能化和結構一體化，又有一個挑戰，能不能做一個復合材料，它的結構性能跟現在的復合材料一樣好，而它的導電性跟鋁合金一樣？一家公司針對這個需求向全世界招標，這是我們做的一個結構導電復合材料，大家知道，要使絕緣材料導電，只有往里面加導電填料，加得越多，導電越好，但加的越多，材料原有的其他優勢是否就沒有了？我們做到了在導電性大幅提高的同時，而材料韌性不減反升，這兩個指標都做到了，這也是我們的國際專利。

還有一個例子，歐洲12家機構參加了一個導電復合材料項目，面對一個共同的挑戰性指標，20S/m的導電率，歐洲12家機構都做不到，而我們的指標達到100多，遠遠超過它，所以中國在這方面是有競爭力的。這個材料在進行雷擊實驗時，材料表面的顏色稍微變化，但材料基本沒有損傷，力學性能基本不下降，建模分析也給出了同樣的結果。

還有一個多功能材料的例子，能不能使一個材料剛性非常大，阻尼性能又好？這樣的材料自然界是沒有的，一說阻尼大家想到的是泡沫、海綿，一講剛性，大家就可能想到玻璃，既要高剛性，又要高阻尼，怎么來做實現？這只有通過復合材料方法實現，我們也在做這個工作，這個工作一旦有突破，不光是飛機，高鐵、汽車都會減震降噪，這是一個共性問題，也是我們挑戰的工作方向。