“飛天”逐夢武裝高精尖，國產(chǎn)碳纖維奮戰(zhàn)航空航天應(yīng)用市場

　　“我們的征途是星辰大海。”

　　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核心艙成功實現(xiàn)自主快速交會對接后，三名航天員進(jìn)入天和核心艙。這是中國人首次進(jìn)入自己的空間站。

　　“神舟十二號向陽啟航，直沖霄漢！我和大家一樣，在電視機(jī)前見證了這一讓人熱血沸騰、心潮澎湃的歷史時刻。”外交部發(fā)言人趙立堅在當(dāng)天的例行記者會上表示，探索浩瀚宇宙是全人類的共同夢想。

　　我國載人航天技術(shù)的不斷突破和發(fā)展，離不開航天人的砥礪奮進(jìn)，同時也離不開先進(jìn)新材料的“護(hù)航”。

　　根據(jù)中國航天科技集團(tuán)公開的信息，飛船上采用了比強(qiáng)度高、手感舒適的碳纖維材料操縱棒。在飛船發(fā)射和返回過程中，航天員的身體被牢牢束縛在座椅上，身體不能前傾以完成對儀表板上各種設(shè)備的操作。操縱棒就是為解決這一難題。操縱棒桿體的設(shè)計為可無極伸縮式，航天員可以根據(jù)現(xiàn)場條件在一定范圍內(nèi)任意調(diào)整操縱棒的長度。

　　從全球范圍看，航空航天一直是碳纖維及其復(fù)材的重點應(yīng)用領(lǐng)域。先進(jìn)新材料的重要“使命”，就是滿足“深空、深海”等國家重大戰(zhàn)略需求。

　　那么當(dāng)前，在產(chǎn)業(yè)化突飛猛進(jìn)快20年后，我國碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用探索取得了哪些新突破？未來發(fā)展趨勢又如何？

　　航空航天裝備“輕量化”

　　青睞碳纖維復(fù)材

　　在全球航空航天領(lǐng)域，“一代材料，一代裝備”是一句至理名言。

　　一名航空領(lǐng)域的業(yè)內(nèi)人士指出，航空材料是航空工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。航空業(yè)的發(fā)展，與機(jī)體材料、結(jié)構(gòu)材料、發(fā)動機(jī)材料，以及各類組件材料的創(chuàng)新化應(yīng)用密不可分。使用先進(jìn)材料，是實現(xiàn)飛機(jī)高性能、輕量化、高可靠性、長壽命、低成本的重要保障。

　　中國航發(fā)北京航空材料研究院副總工程師張學(xué)軍此前曾公開表示，對于飛機(jī)和發(fā)動機(jī)來說，材料要求輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐高溫，結(jié)構(gòu)要具有低缺陷、高穩(wěn)定性，這是航空材料增材制造必須要解決的問題。

　　碳纖維復(fù)合材料則是一種被全球公認(rèn)的具有“高性能、輕量化”特點的高新技術(shù)材料。

　　一家國內(nèi)知名碳纖維企業(yè)的研發(fā)部負(fù)責(zé)人向記者介紹，從比強(qiáng)度方面看，普通鋼鐵的拉伸強(qiáng)度約為600MPa~800MPa，而通用級碳纖維的拉伸強(qiáng)度在3500MPa及以上，也就是說，碳纖維的強(qiáng)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，碳纖維能承受的載荷是鋼鐵的20多倍。鋁合金的密度在2.7克/立方厘米左右，而碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料如果做得好，密度可以做到2克/立方厘米以下。同時，碳纖維還有突出的耐高溫、耐腐蝕特點。比如，在沒有氧氣的情況下，碳纖維能經(jīng)受住3000攝氏度的高溫，這是一般金屬材料難以達(dá)到的。

　　也正是因為其典型的“輕質(zhì)高強(qiáng)”特點，航空航天成為全球碳纖維及其復(fù)材十分關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　廣州賽奧碳纖維技術(shù)股份有限公司此前發(fā)布的《2020年全球碳纖維復(fù)合材料市場報告》（以下簡稱《報告》）顯示，2020年，在全球碳纖維10.686萬噸的總用量中，航空航天領(lǐng)域的用量為16450噸，占比約為15%。事實上，此前多年，這一占比一直更高?！?019年全球碳纖維復(fù)合材料市場報告》顯示，當(dāng)年，全球碳纖維的總用量為10.37萬噸，其中航空航天領(lǐng)域的用量為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(wù)機(jī)市場嚴(yán)重下滑，對碳纖維的用量也隨之出現(xiàn)一定下滑。

　　在軍工領(lǐng)域，殲擊機(jī)便大量應(yīng)用碳纖維復(fù)材?！秷蟾妗凤@示，2020年，全球軍用飛機(jī)領(lǐng)域?qū)μ祭w維的用量約為2600噸，約占全球航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維總用量的15.8%。

　　也正因碳纖維的戰(zhàn)略性價值，國外一直在碳纖維領(lǐng)域?qū)ξ覈鴮嵭挟a(chǎn)品、技術(shù)、裝備“三封鎖”。關(guān)鍵技術(shù)和材料不能“受制于人”，要保障我國國防軍工領(lǐng)域自主材料的安全供應(yīng)，也成為國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)一步步攻克產(chǎn)業(yè)化技術(shù)難題的最根本動因。

　　2005年以后，隨著國產(chǎn)碳纖維制備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)不斷取得新突破，我國國防軍工用碳纖維材料成功實現(xiàn)了自主供給保障。

　　《報告》顯示，2020年，我國市場的碳纖維應(yīng)用總量為48851噸，其中，航空航天領(lǐng)域的用量約為1700噸（包含部分進(jìn)口碳纖維）。

　　光威復(fù)材是我國軍工用碳纖維市場的領(lǐng)軍者。該公司2020年財報顯示，期內(nèi)，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(guān)負(fù)責(zé)人向記者介紹：“近20年來，光威陸續(xù)承擔(dān)了國家‘863計劃’多個項目和國家重大科研工程項目，成為我國最早實現(xiàn)碳纖維核心裝備國產(chǎn)化，最早提供國產(chǎn)碳纖維給我國國防軍工領(lǐng)域應(yīng)用的企業(yè)。目前，光威是我國軍工領(lǐng)域碳纖維的主力供應(yīng)商。"

　　“作為一種軍民兩用的戰(zhàn)略性材料，碳纖維材料的技術(shù)具有一定的顛覆性，它能使高分子材料成為結(jié)構(gòu)材料。如果能將碳纖維及其復(fù)合材料作為裝備的替代材料，就能在一定程度上使裝備的重量減輕很多。我國各類裝備需要不斷升級換代，輕量化是永恒的主題。航空航天裝備的減重，都是以克為單位進(jìn)行的。如果火箭的發(fā)動機(jī)重量能夠減輕，其射程就會顯著增加；如果飛機(jī)的重量能夠減輕，其耗油量、排放量就會相應(yīng)地減少。這正是碳纖維及其復(fù)合材料越來越受青睞的主要原因?！憋w行器結(jié)構(gòu)力學(xué)和復(fù)合材料專家、中國工程院院士杜善義這樣說。

　　我國民用航空業(yè)

　　加速擁抱自主碳纖維

　　先進(jìn)飛機(jī)制造業(yè)一般被譽(yù)為是“制造業(yè)頭頂?shù)幕使凇?。在成功實現(xiàn)了我國軍工領(lǐng)域使用的碳纖維材料的自主保障后，近幾年，在民用航空、航天領(lǐng)域，國產(chǎn)碳纖維的應(yīng)用也不斷取得新突破。尤其是近兩年，面對復(fù)雜多變的國際形勢，民用航空領(lǐng)域加速使用國產(chǎn)自主復(fù)合材料已是大勢所趨。

　　商用飛機(jī)是重中之重。從全球市場來看，幾十年來，發(fā)達(dá)國家的知名航空公司和碳纖維“巨頭”協(xié)作開發(fā)，使商用飛機(jī)成為碳纖維復(fù)材的優(yōu)勢應(yīng)用領(lǐng)域。比如，大型客機(jī)波音787和空客A350上都大量使用了碳纖維復(fù)合材料。

　　《報告》顯示，2020年，全球商用飛機(jī)領(lǐng)域?qū)μ祭w維的用量約為8700噸，占全球航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維總用量的比例約為52.9%。

　　在我國，隨著國產(chǎn)大飛機(jī)制造項目不斷推進(jìn)，與國產(chǎn)碳纖維的攜手一直在進(jìn)行著。尤其是到了2020年，這一進(jìn)程開啟了加速度。

　　“從2020年8月開始至今，全球碳纖維巨頭日本東麗對我國實行碳纖維斷供。這讓我們更加清醒地認(rèn)識到，在當(dāng)前的形勢下，民用航空領(lǐng)域的材料供應(yīng)也得把自主權(quán)掌握在自己手里?！币患姨祭w維企業(yè)的負(fù)責(zé)人向記者感慨。

　　中國商飛復(fù)合材料中心典型結(jié)構(gòu)部相關(guān)負(fù)責(zé)人此前曾公開表示，復(fù)合材料在大型客機(jī)上的使用，是從尾翼等次承力結(jié)構(gòu)，向機(jī)身、機(jī)翼等主承力結(jié)構(gòu)不斷擴(kuò)展。國產(chǎn)大飛機(jī)C919和中俄寬體機(jī)項目CR929都大量使用了復(fù)合材料。目前，復(fù)合材料在C919上主要用于后機(jī)身段，復(fù)合材料用量占比約為12%。接下來，除了機(jī)頭，CR929的機(jī)身、機(jī)翼和尾翼都將計劃使用復(fù)合材料，預(yù)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(yè)都參與到國產(chǎn)大飛機(jī)項目中。光威復(fù)材相關(guān)負(fù)責(zé)人公開表示：“光威的碳纖維產(chǎn)品針對C919應(yīng)用的PCD驗證，已經(jīng)進(jìn)行了多年，不過目前尚未批產(chǎn)應(yīng)用；針對CR929的應(yīng)用，目前材料準(zhǔn)備正在進(jìn)行中?！?/p>

　　在商用大飛機(jī)之外，直升機(jī)、無人機(jī)也是碳纖維及其復(fù)材重要的應(yīng)用領(lǐng)域，如高原直升機(jī)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域噴藥用無人機(jī)等。

　　《報告》顯示，2020年，全球直升機(jī)對碳纖維的用量約為1500噸，約占全球航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維總用量的9.1%；全球無人機(jī)領(lǐng)域的用量為750噸，占比約為4.6%。

　　在這些方面，國產(chǎn)碳纖維的應(yīng)用近幾年也不斷拓展。今年5月~6月，光威復(fù)材宣布，順利向航空工業(yè)一飛院、壹通無人機(jī)系統(tǒng)有限公司陸續(xù)交付了首架份TP500無人運(yùn)輸機(jī)后機(jī)身、尾翼，以及前機(jī)身，從而實現(xiàn)了完整交付首架份TP500無人運(yùn)輸機(jī)的機(jī)身及尾翼。

　　據(jù)了解，TP500無人運(yùn)輸機(jī)主要應(yīng)用于貨運(yùn)無人運(yùn)輸市場，整機(jī)主要采用復(fù)合材料設(shè)計制造，采用先進(jìn)的膠接一體化工藝裝配連接，最大程度地減輕了結(jié)構(gòu)重量，并降低了生產(chǎn)成本。該機(jī)主要用來滿足我國內(nèi)陸與海島，以及東南亞、中東、北非等國家和地區(qū)的貨運(yùn)無人運(yùn)輸市場需求，后續(xù)還可改裝，以執(zhí)行遙感測繪、人影工程、通信保障、應(yīng)急救援等任務(wù)。

　　光威復(fù)材上述負(fù)責(zé)人介紹，該無人運(yùn)輸機(jī)由航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院作為總體研制單位，壹通無人機(jī)系統(tǒng)有限公司作為總體裝配單位，光威復(fù)材承擔(dān)了碳纖維預(yù)浸料主材、零件、大部件裝配等研制任務(wù)，以大部件的形式整體交付客戶進(jìn)行總裝調(diào)試。

　　“近年來，光威復(fù)材基于自身碳纖維及復(fù)合材料全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，積極發(fā)展無人機(jī)復(fù)合材料業(yè)務(wù)，目前已具備從碳纖維、預(yù)浸料供應(yīng)，到復(fù)合材料制件及整機(jī)復(fù)合材料研制能力。公司已經(jīng)積累了豐富的無人機(jī)制造、民用航空體系建設(shè)經(jīng)驗，已成功向客戶交付了AR500系列無人機(jī)直升機(jī)、TP500無人運(yùn)輸機(jī)、高空太陽能長航無人機(jī)等多種型號的無人機(jī)?！边@位負(fù)責(zé)人說。

　　這位負(fù)責(zé)人進(jìn)一步表示：“AR500系列、TP500系列兩款無人機(jī)采用的都是光威自產(chǎn)的纖維和預(yù)浸料，以小絲束T700級碳纖維為主。首架份TP500無人運(yùn)輸機(jī)的完整交付，是公司繼無人直升機(jī)交付和批產(chǎn)之后，研發(fā)和生產(chǎn)碳纖維復(fù)材的能力不斷提升的又一重要體現(xiàn)。總體來看，民用無人運(yùn)輸機(jī)市場未來有著廣闊的發(fā)展空間。光威也會繼續(xù)努力，充分發(fā)揮公司從碳纖維、預(yù)浸料到復(fù)材的設(shè)計、成型制造等一體化協(xié)同優(yōu)勢，積極配合相關(guān)設(shè)計、運(yùn)營等方面，早日實現(xiàn)商業(yè)化目標(biāo)?！?/p>

　　此外，廣州賽奧碳纖維技術(shù)股份有限公司總經(jīng)理林剛還向記者表示：“在國內(nèi)，近幾年農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的無人機(jī)使用量也在不斷增加，比如新疆棉農(nóng)給棉花噴藥使用無人機(jī)的越來越多。這些領(lǐng)域都是非常有潛力的市場，對于國產(chǎn)碳纖維來說也是新機(jī)會?！?/p>

　　我國新一代運(yùn)載火箭

　　將用上國產(chǎn)碳纖維

　　《報告》顯示，2020年，全球航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的用量約為300噸，占全球航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維總用量的比例約為3%。

　　在我國航天領(lǐng)域，國產(chǎn)碳纖維及其復(fù)材的應(yīng)用突破目前也不斷突破。近期，由光威復(fù)材提供的國產(chǎn)T800H級碳纖維、上海航天八院設(shè)計研制的直徑為3.35米的復(fù)合材料液氧貯箱低溫力學(xué)試驗順利完成。

　　上海航天方面表示，這是國內(nèi)大型復(fù)合材料液氧貯箱首次應(yīng)用國產(chǎn)碳纖維，且通過工程應(yīng)用量級的試驗驗證，標(biāo)志著我國復(fù)合材料液氧貯箱已經(jīng)初步具備工程應(yīng)用能力，后續(xù)預(yù)計將在我國新一代運(yùn)載火箭上實現(xiàn)工程應(yīng)用。

　　上海航天在其官方微信公眾號發(fā)文指出，占火箭結(jié)構(gòu)重量60%以上的貯箱，堪稱是火箭身上的“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(yùn)載能力就越大，因此貯箱的重量一直讓結(jié)構(gòu)設(shè)計師們“斤斤計較”。近些年，從傳統(tǒng)的鋁銅合金到高強(qiáng)的鋁鋰合金材料，貯箱結(jié)構(gòu)材料的迭代不斷助力火箭實現(xiàn)減重“小目標(biāo)”，但對于結(jié)構(gòu)設(shè)計師們來說，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。從2016年開始，上海航天八院團(tuán)隊將目光放在具有更高力學(xué)性能的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料上，并開展了相關(guān)方案論證工作。

　　805所運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計師陳佳表示，復(fù)合材料的比強(qiáng)度通常可以提高50%以上，相比金屬貯箱預(yù)期可減重30%。而且，可通過一體化設(shè)計方法，大幅簡化制造流程和質(zhì)量控制環(huán)節(jié)，達(dá)到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(yùn)載火箭為例，若能在目前金屬貯箱的基礎(chǔ)上減重30%，火箭的運(yùn)載能力就會提升6%，也就是說，火箭可以多搭載300公斤的載荷，這對于運(yùn)力價格以克計的運(yùn)載火箭來說意義重大。

　　“805所在大型復(fù)合材料液氧貯箱的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)上取得了實質(zhì)性突破，這使得復(fù)合材料液氧貯箱‘十四五’期間在我國新一代運(yùn)載火箭上實現(xiàn)工程應(yīng)用的目標(biāo)變得現(xiàn)實可行。”上海航天這樣表示。

　　光威復(fù)材相關(guān)負(fù)責(zé)人向記者介紹：“光威于2013年突破了國產(chǎn)T800級高性能碳纖維的核心技術(shù)，2014年實現(xiàn)了工程化生產(chǎn)。在參與有關(guān)部門立項的‘國產(chǎn)T800H級碳纖維’和‘高強(qiáng)高模碳纖維’兩個‘一條龍’項目的全國評比中，光威都獲得了全國第一名。目前，光威已形成高強(qiáng)、高強(qiáng)中模、高強(qiáng)高模系列化碳纖維產(chǎn)品體系，并建設(shè)了先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料研發(fā)中心。我們的目標(biāo)是，為我國航天、航空、兵器工業(yè)、大飛機(jī)等國防軍工和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域重大項目，持續(xù)提供自主高性能碳纖維、復(fù)合材料和制件等產(chǎn)品。自從公司走上碳纖維技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)這條路，產(chǎn)業(yè)報國就一直是我們?yōu)橹恍笂^斗的目標(biāo)?！?/p>

　　不過，值得注意的是，相比發(fā)達(dá)國家，我國碳纖維及其復(fù)材目前在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用占比仍然偏小。《報告》顯示，2020年，我國航空航天領(lǐng)域的碳纖維用量占我國市場上碳纖維應(yīng)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。

　　然而，差距也意味著增長潛力。從整體發(fā)展趨勢看，杜善義強(qiáng)調(diào)：“未來，碳纖維及其復(fù)合材料將會越來越重要，需求會越來越迫切，作用會越來越顯著，應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣闊?！?/p>

　　林剛則表示：“當(dāng)前，中美貿(mào)易摩擦的加劇，日本東麗對我國進(jìn)行碳纖維斷供，都讓我國航空航天領(lǐng)域更加認(rèn)識到，民用航空市場也必須加速國產(chǎn)戰(zhàn)略性材料的自主保障進(jìn)程。而從另一個方面看，東麗的斷供，反而給了國產(chǎn)碳纖維更多的機(jī)會。如果從全球碳纖維應(yīng)用市場的整體發(fā)展趨勢看，雖然這兩年受疫情重挫，但是航空航天市場未來的生命力依然旺盛。預(yù)計未來3年，民用航空市場對碳纖維的需求量可恢復(fù)到2019年的水平。而且，當(dāng)需求恢復(fù)之后，再加上全球市場單通道飛機(jī)將廣泛采用碳纖維及其復(fù)材，會繼續(xù)對航空市場用碳纖維產(chǎn)生激發(fā)作用。預(yù)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。總體來看，未來10年，在商業(yè)應(yīng)用上，全球碳纖維的應(yīng)用主驅(qū)動力將是工業(yè)，輔驅(qū)動將是航空航天。在技術(shù)發(fā)展方面，碳纖維依然是航空航天和工業(yè)應(yīng)用‘雙驅(qū)動’模式，各自驅(qū)動的產(chǎn)品規(guī)格都會各有特色。”

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