国产“黑色黄金”有新品,六代机必备材料
商家观点
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第三届航空投资峰会,也是第7届航空创新创业大赛总决赛上,传来一则消息,短短几行字,很容易被业外人士忽略,但对业内人士来说堪称振聋发聩。
这个消息,就是国产T1100碳纤维已经研制成功,第一条300吨级生产线即将投入生产,这代表中国将成为继美国日本之后,第三个掌握这个技术的国家,连俄罗斯都没有。
大家可能都听过“黑色黄金”这个碳纤维的外号,它代表着碳纤维在现代工业里的重要价值。但这些黑色黄金也分为三六九等。
其中,T1100碳纤维属于第三代碳纤维材料,代表当今碳纤维材料的最高水平,在航空航天领域有着广泛的运用。此前T1100这个级别的碳纤维材料一直被美国和日本垄断,也是他们对华重点禁运产品。中国掌握T1100碳纤维生产技术之后,打破了美日的禁运,为中国新一代武器装备研究和发展铺平了道路。
碳纤维主要是由碳元素组成的一种碳素纤维。它的优点就是重量轻、强度高,它的密度只有钢的四分之一,但是强度却是后者的7-10倍,弹性模量也比钢高3倍左右。碳纤维的稳定性好,如耐酸性强,能耐浓盐酸、硫酸的腐蚀和浸渍,还抗辐射,能吸收有毒气体。碳纤维与其他材料相容性好,弯曲度大、容易加工,可以方便制成形状或者曲线复杂的部件。正是拥有这些优点,现代武器使用碳纤维复合材料取代传统金属材料正在成为趋势,有人称碳纤维为“21世纪的材料”。
碳纤维在航空航天领域运用尤其突出,此前各种航天、航空飞行器广泛使用铝合金等轻质合金,现在使用碳纤维之后,结构重量可以降低30%,效果显著。根据相关资料,美国F-22战斗机碳纤维使用比例已经达到20%,而F-35战斗机增 加到35%,而新一代宽体客机比例更高,空客A350、波音787客机更是超过50%,以至有人称它们为“碳素飞机”。
现在航空航天工业大量使用的是T800碳纤维,属于第二碳纤维,它的强度比第一代T300提高了70%,模量提高30%,能够较好的满足现有飞行器使用要求。现在国外新一代飞行器已经提上日程,例如第6代战斗机,隐身无人作战飞机、未来新型客机等等,这些新飞行器要求性能更好,重量更轻、载荷更高,维护更加方便,这样对于材料要求了也更高。
目前的T800碳纤维满足这些要求已经力不从心,例如它的模量仍然不足,用它制成的碳纤维复合材料脆性偏高,容易产生材料疲劳。因此新一代碳纤维需要提高继续提高模量,以满足新一代飞行器的使用要求。
对于碳纤维来说,强度和模量存在矛盾,提高拉伸强度,弹性模量就会降低,反之增加模量性能,拉伸强度又会降低。为了解决这个问题,东丽公司在新一代碳纤维之中使用引入纳米技术,在纳米尺度上对材料结构进行控制,最大限度消除材料缺陷,提高材料性能,经过努力,研制成功第三代碳纤维-T1100。
按照东丽公司的说法,T1100拉伸强度和弹性模量分别比T800提高10%以上,可以满足新一代飞行器的要求。有消息说美国多个前瞻性武器装备发展项目已经开始运用T1100碳纤维。
前面说过高性能碳纤维一直是美日对华重点禁运技术,这样中国只能依靠自己的力量突破技术难关,经过广大技术人员不懈努力,我们研制成功第一代、第二代碳纤维,还实现了产业化。
国产碳纤维材料已经广泛运用国产新型武器装备之中,例如歼-20战斗机等等。另外国产碳纤维材料还出口到国外,打入国际市场。
此前俄罗斯MS-21客机使用东丽公司的T800碳纤维,乌克兰战争爆发之后,日本对俄罗斯禁运,MS-21客机项目面临流产的境地。这个时候中国向它提供了国产T800碳纤维材料,帮助MS-21客机渡过了难关。
随着国产第6代战斗机、新一代隐身无人作战飞机等新一代作战飞机项目陆续上马,这些飞行器要求降低重量,提高强度和刚度,第三代碳纤维材料必不可少,否则性能难以提高。
加之美日对中国严格禁运,在这种情况下,中国相关单位经过努力,突破了一系列技术难关,研制成功第三代碳纤维材料。
在材料成功研制之后又抓紧推进产业化,第一条300吨级生产线将在2023年投产,批量生产之后,可以满足国产新一代作战飞机材料要求。
另外国产大型宽体客机也将广泛使用碳纤维复合材料,其使用比例也会超过50%,这样意味着我们对于高性能碳纤维复合材料需求将会持续攀升,所以国产新一代高性能碳纤维产业化意义深远。
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