讓飛機更輕盈，復合材料技術(shù)亟待創(chuàng)新迭代

　　6月24日在南京召開的中國工程院國際工程科技戰(zhàn)略高端論壇上，26名院士在內(nèi)的知名專家，政府、企業(yè)界代表300余人，聚焦“復合材料技術(shù)與裝備”，探討新一代復合材料技術(shù)與裝備、智能成形制造技術(shù)與裝備發(fā)展，積極服務(wù)國家重大工程，交流最新研究成果和進展，梳理未來發(fā)展思路和目標。

　　支撐高端制造，我國開發(fā)多種碳纖維復合材料

　　先進材料成形和高端裝備制造業(yè)是整個工業(yè)體系的基石和搖籃，也是我國大力發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。復合材料是人們運用先進的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料，其研究深度、應(yīng)用廣度、生產(chǎn)速度，已成為衡量一個國家科學技術(shù)先進水平的重要標志之一。

　　中國工程院院士、南京航空航天大學校長單忠德告訴記者，該領(lǐng)域不僅是國家重大戰(zhàn)略需求，江蘇在該領(lǐng)域也有很好的科研和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

　　“先進復合材料具有高比強度、高比模量、抗燒蝕、可設(shè)計性好等優(yōu)點，甚至還能滿足防熱隔熱等特種功能的需求，在航空航天、軌道交通、汽車以及其他高端裝備上都有廣泛的應(yīng)用前景?！眴沃业抡f，比如車輛的輕量化將是一個發(fā)展趨勢，“碳纖維復合材料應(yīng)用到軌道交通車體上，不僅可以車體減重，而且有利于節(jié)能與降低噪聲。同樣，新能源汽車用上復合材料，也利于更好實現(xiàn)汽車輕量化與綠色節(jié)能?！?/p>

　　單忠德介紹，國際工程科技戰(zhàn)略高端論壇是由中國工程院主辦的年度高端盛會之一，此次南航選擇復合材料技術(shù)與裝備發(fā)展國際高端論壇的主題，結(jié)合了國家重大戰(zhàn)略需求，立足南航乃至南京市、江蘇省的科研基礎(chǔ)。

　　目前先進復合材料技術(shù)與成形裝備，一些技術(shù)裝備如纖維復合材料自動化編織裝備國際上還是技術(shù)封鎖或者設(shè)備限制出口。近年來，我國碳纖維材料、纖維構(gòu)件制造裝備以及復合材料行業(yè)發(fā)展迅速，江蘇是我國碳纖維及復合材料制品發(fā)展的重要基地，也是高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展大省，“現(xiàn)在我們國家開發(fā)出了多種碳纖維復合材料，部分實現(xiàn)了低成本的國產(chǎn)化，但是，將這些碳纖維原材料制備成高端設(shè)備上的零部件，需要研發(fā)出自動化數(shù)字化智能化的編織成形裝備，這依然是目前研究的熱點和難點?！眴沃业赂嬖V記者，此外，碳纖維預(yù)制體的編織方法，直接影響預(yù)制體性能，目前三維復合材料立體編織更多還是采用人工編制或半自動化編織，效率有限，還不能滿足大型復雜高性能碳纖維復合材料預(yù)制體構(gòu)件制造需求，高性能數(shù)字化智能化碳纖維編制設(shè)備亟待突破。航空航天復合材料的需求規(guī)模正逐年增加，市場潛力巨大。但從復合材料零部件制造到裝備研制，還有一系列技術(shù)難題需要去突破。

　　在航空航天領(lǐng)域，復合材料已有廣泛應(yīng)用

　　中國科學院院士閆楚良介紹，以碳纖維為代表的先進復合材料，具有高強度、耐久性、損傷容限設(shè)計、耐腐蝕和可設(shè)計等優(yōu)點，已在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，從飛機結(jié)構(gòu)到導彈、火箭發(fā)射裝置與大型運輸裝置等，已成為高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要材料。

　　“復合材料結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)飛行器長壽命、高可靠性和低成本研制的重要技術(shù)途徑?！?閆楚良介紹，早在20世紀60年代，美國和歐洲開始對復合材料在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，美國用40年時間進行了一系列與復合材料有關(guān)的研究計劃。

　　閆楚良說，NASA第一個計劃是飛機能源效率技術(shù)項目，從1976年-1986年，研究復合材料由飛機的次承受力結(jié)構(gòu)到主承受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，實現(xiàn)大力減輕重量，節(jié)油率達到15%以上的目標；第二個計劃項目是先進復合材料技術(shù)計劃項目，從1988年到1997年，該項目針對復合材料在飛機機翼、機身等主承受力結(jié)構(gòu)開展應(yīng)用技術(shù)研究。要突破復合材料的損傷容限設(shè)計、制造和檢測技術(shù)研究，為今后復合材料的大量使用提供技術(shù)支撐。目標是使飛機減輕30%—50%的重量，降低成本20%—30%。

　　第三個項目是低成本復合材料計劃項目，從1996—2007年，這個項目由政府機構(gòu)和波音公司、洛克希德馬丁公司等企業(yè)合作，分四個階段完成，“四階段從飛機受力能力很小的構(gòu)件，到受力較大的部件、受力比較大的部件，直到機翼、機身等飛機規(guī)模上很大的主結(jié)構(gòu)?！?閆楚良說，四階段的目標都是通過開發(fā)高精度結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析和制造工藝技術(shù)，實現(xiàn)高效低成本突破，將飛機成本降低50%，使復合材料在飛機上可與鋁合金材料競爭使用。

　　目前，美國的大型飛機A400M和A350XWB都應(yīng)用了復合材料，前者是空客集團研制的大型軍用運輸機，其復合材料使用比例達35—40%，A400M主要結(jié)構(gòu)機翼、垂尾、平尾、部分機身均采用復合材料制造。而A350XWB所用復合材料選材設(shè)計上經(jīng)過6次修改，最后確定方案使用復合材料用量達到52%，超過波音787飛機的50%的用量水平。

　　除了航空領(lǐng)域，航天領(lǐng)域方面，復合材料在運載火箭、天地往返飛行器上也有應(yīng)用。比如日本實驗軌道飛行器Hope-X采用全碳纖維復合材料面板，質(zhì)量比鋁合金結(jié)構(gòu)輕20%，制造成本只是鋁合金結(jié)構(gòu)的20%。

　　“在我國，復合材料在軍用和民用飛機上型號都獲得了應(yīng)用，相對而言，我國直升機復合材料用量相對較多?！?閆楚良表示，熱塑性樹脂復合材料適合自動化生產(chǎn)，可以縮短生產(chǎn)周期，循環(huán)使用，在國際上的應(yīng)用正快速增長，但國內(nèi)基本還沒有看到應(yīng)用。

　　技術(shù)加速迭代，才能引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

　　在閆楚良看來，國內(nèi)復合材料在基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用研究方面取得了顯著的進步和成果，但也存在一些問題與挑戰(zhàn)。

　　閆楚良介紹，目前，我國建立了包括高等院校、航天院所、飛機公司在內(nèi)復合材料研究組織體系，形成了一支從材料、設(shè)計到制造配套的研發(fā)隊伍。建立了比較完善的復合材料生產(chǎn)手段和車間；取得了一批具有國際先進水平的標志性成果；開發(fā)了一批設(shè)計、分析軟件，總結(jié)出版了多部關(guān)于復合材料方面的設(shè)計、維護手冊、指南和標準。但與國外先進技術(shù)相比還是有一定的差距，“包括設(shè)計理念、設(shè)計方法和手段上的差距；應(yīng)用規(guī)模和水平的差距；材料基礎(chǔ)研究和配套、制造手段、工藝設(shè)備的差距?！?閆楚良說，我們民用飛機上ARJ21支線飛機的復合材料為5%，C919飛機復合材料用量達到12.5%，這種局面將隨著我們國家飛機設(shè)計水平不斷提升還會發(fā)生重大改變。

　　復合材料的新興技術(shù)向產(chǎn)業(yè)演化還有哪些瓶頸？閆楚良說，目前國內(nèi)復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證技術(shù)體系還不完善，設(shè)計人才匱乏；復合材料結(jié)構(gòu)使用與維護技術(shù)也相對落后；國內(nèi)復合材料回收技術(shù)相對落后，大多采用粉碎再利用或者直接焚燒處理，而美國波音公司已經(jīng)建立了復合材料循環(huán)利用工廠，并開始運營。

　　閆楚良建議，制定國家復合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，引導復合材料產(chǎn)業(yè)體系化發(fā)展，同時建立先進復合材料發(fā)展智庫。此外，要發(fā)揮行業(yè)協(xié)會與學會的信息、專家、技術(shù)平臺等優(yōu)勢，以及國家科研體制的優(yōu)勢，促進先進復合材料技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新。

　　“一代材料，一代工藝，一代裝備，我們要加速技術(shù)的創(chuàng)新迭代，才能更好實現(xiàn)自主可控和技術(shù)領(lǐng)先，更好引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！眴沃业卤硎?，復合材料技術(shù)與裝備是國家未來前沿性戰(zhàn)略性的重要研究領(lǐng)域之一，需要匯聚國家戰(zhàn)略科技力量。南航有很多老師從事復合材料領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、系統(tǒng)裝備與檢測診斷等方面研究，通過此次論壇專家學者能夠相互交流，推進深度合作。此外，今年學校還成立了先進復合材料技術(shù)與裝備創(chuàng)新聯(lián)盟，6月19日南航與南京市啟動共建南航國際創(chuàng)新港，積極探索產(chǎn)學研深度融合的新模式，促進教育鏈、人才鏈、創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈有序銜接，努力為高水平人才培養(yǎng)、高水平科技自立自強、賦能制造強國建設(shè)作出新的更大貢獻。（記者 楊頻萍 通訊員 王偉）

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