交通运输领域复合材料结构低成本之路四论国产碳纤维产业化,该文是复合材料方面有关论文写作技巧范文和碳纤维和交通运输和复合材料方面学术论文怎么写.
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笔者近期撰文写了几篇关于碳纤维国产化的文章,主旨思想为以下2点：一是国产碳纤维产业必须寄托于下游产业复合材料产品的产业化；二是下游产品的产业化取决于是否可以提供“买得起的复合材料制品”.因此,碳纤维国产化的问题就归结为如何才能提供“买得起的复合材料”.
关于复合材料产品,在航空复合材料界一直流行这样的话：“设计是主导,材料是基础,制造是关键.”民用飞机复合材料制件在实现产业化过程中,美国N A S A赞助的诸多研发计划中始终贯穿了这样的指导思想：“信心（安全性）、技术、成本”,即为实现民用飞机复合材料产业化必须解决上述3个问题.由于碳纤维复合材料拥有所有结构材料中最高的比刚度,是实现结构轻量化的首选材料,主要用于对结构轻量化有迫切需求的产业,而这些结构对安全性有极高的要求,而因为复合材料是新材料,用户对其安全性的疑虑是可以理解的.技术是在满足安全性的前提下保证设计和制造复合材料制件的必要条件,然后才进一步考虑如何实现销售,销售的关键是使用户认同其全寿命成本（采购成本+使用成本+维护成本）优于其他结构用材料的制品,所以信心（安全性）、技术和成本是实现复合材料制件产业化的3步曲.
纵观碳纤维复合材料得到大量应用的工业领域,如体育休闲、建筑补强、航空航天,以及目前增长迅速的风电叶片和压力容器,都是国外碳纤维的一统天下.为什么？因为所有这些领域的复合材料产品都是首先由国外厂家设计和制造出来,然后利用中国的廉价劳动力,在中国设厂或转让技术生产.国产碳纤维进入这些领域的首要条件必须是性能相当、低廉,在把性能做到与国外基本相当后还必须打战.因此国产碳纤维进入这些市场,只能适应由开发商指定的游戏规则,生产出符合产品规定材料规范的碳纤维,与国外厂商打战,而国家强行制订使用国产碳纤维的法令不符合市场经济规律.在此背景下,碳纤维厂商只能立足于自身改进工艺、提高性能、降低成本,诚如碳纤维界热烈讨论的那样.但要实现这一目标,同样必须立足于经历长期高耗能低性能的生产过程,才有可能实现.国产碳纤维在性能略低于国外碳纤维的当下,只能进入低端复合材料市场,当然只能卖“白菜”价了.说到底,因为我国没有掌握复合材料制品的核心技术,所以只能遵从国外厂商制订的材料规范,因而国产碳纤维没有任何发言权.在这种情况下,国产碳纤维厂商的唯一出路就是按照国外的碳纤维材料规范,生产符合其要求的产品,并尽可能降低成本.如何打破僵局,使用户接受国产碳纤维来生产批量化的复合材料制品呢？必须主动掌握碳纤维复合材料制品的开发权,按照国产碳纤维实际达到的性能和用户对产品的性能要求,设计和制造出全寿命成本优于其他结构材料的复合材料制件.
回顾20世纪70年代波音在开发民用飞机复合材料结构时,东丽株式会社（以下简称“东丽”）T300碳纤维的技术状态,从波音公司使用T300的材料规范可以发现,当年东丽的T300碳纤维并不优于目前国内的同级产品,但波音就用那样的碳纤维开发出了波音系列的复合材料尾翼,不仅全寿命成本优于金属结构,也安全运行了30年,东丽可以在波音公司大量使用的基础上,源源不断地进行生产,并在长期生产和对用户反馈问题的响应基础上,不断提高性能和降低生产成本,达到了目前的高性能和低成本.国产碳纤维如何学习东丽成长的道路呢？只有坚定走碳纤维复合材料产品产业化之路的用户,在产品产业化的过程中实现国产碳纤维的产业化,而这样的用户只能是目前还没有产业化产品的新兴行业用户.
当前碳纤维产业正在如火如荼地准备进入以轨道交通和汽车为代表的交通运输领域.交通运输车辆的轻量化是该行业迫切需要解决的关键议题,而碳纤维的应用应是最佳的解决方案.国外汽车厂商特别是宝马公司已为此开展了十余年的探索,2013年由于宝马i3的推出而被誉为汽车复合材料的元年.与民用飞机复合材料应用实现产业化类似,做出“买得起的复合材料”需走的路会异常艰辛,只有坚持不懈才能实现这一目标,届时碳纤维需求必将迎来大爆发.国产碳纤维企业在实现交通运输车辆复合材料结构产业化的过程中,必须勇于参与并成为规则的制定者,才能成为真正的赢家,否则届时国产碳纤维又会沦为国外碳纤维的替代者,继续走打战的老路.
目前与碳纤维已得到大量应用的其他工业领域（体育休闲、建筑补强、风电叶片、压力容器等）产品不同,交通运输车辆结构形式和受力要复杂得多,与飞机结构类似,因此其设计和制造必须依托民用飞机复合材料产业化积累的技术基础.但是,还要认识到交通运输车辆复合材料与民用飞机复合材料又有很大的差别：①民用飞机在开始使用复合材料时很多技术人员具有军机应用的经验,交通运输部门的技术人员对复合材料的认识和技术基础基本为零；②民用飞机结构轻量化是在使用最轻的铝材基础上进行轻量化,碳纤维是唯一选择；而交通运输结构是在主体结构采用钢材的基础上进行轻量化,对很多人来说,碳纤维的应用往往不是第一选择；③军用飞机复合材料可接受的是10 000 ～20 000元/ k g,民用飞机可接受的是6 000 ～8 000元/kg,轨交车辆可接受的是800 ～1 500元/kg,汽车可接受的是200 ～500元/kg,具体取决于制件的复杂程度（即技术附加值）.
所以对交通运输行业解决信心（安全性）、技术和成本3大难题比民用飞机开始应用时困难得多,交通运输车辆复合材料结构没有现成成功的经验可以模仿,既要继承民用飞机复合材料技术基础,又要在此基础上根据行业的特点大胆创新,走出中国自己的路,国产碳纤维才有光明的未来.碳纤维产业的从业者必须付出更多的努力,才有可能使用户有更大的信心,坚持不懈走完产业化之路.
实现复合材料产品的产业化（即生产出“买得起的复合材料”）必须牢牢掌握产品的开发权,就要遵循本文开头提到的“设计是主导,材料是基础,制造是关键”.产品的源头是设计,设计时可以根据用户的要求提出对材料的要求,在碳纤维供应商提供产品的基础上可以提出改进要求,若供应商经过努力与设计的要求仍有差距时,可以通过设计手段来弥补原材料的性能不足实现用户对产品的要求；当然复合材料产品的设计团队还必须与制造团队密切配合,使产品的设计符合复合材料的制造特点,以便尽可能实现低成本制造；同时原材料供应商在此期间必须听取制造团队对原材料的改进要求,努力提供满足低成本制造要求的原材料.只要这3个团队密切配合,就可以用国产碳纤维生产出满足用户要求的复合材料制品,在实现复合材料制品批量化销售的基础上,实现碳纤维源源不断的生产和销售.
对复合材料产品安全性的疑虑（即信心）,通常是通过满足结构完整性要求所获得.飞机的结构完整性定义是“影响飞机安全使用和成本费用的机体结构的强度、刚度、损伤容限、耐久性和功能的总称.”这一定义同样适用于交通运输结构.结构完整性的要求由行业的设计规范体现,目前交通运输行业的设计规范完全基于金属结构的使用经验,采用复合材料后很多条款无法执行,必须增添针对复合材料的相关内容.民用飞机设计规范F A R25部（中国是C C A R25部）适用于所有的结构材料,咨询通报A C20-107“复合材料结构”是根据复合材料在飞机结构40年应用的经验教训总结,这些补充条款和对条款符合性的实践经验基本上适用于交通运输行业.通过对这些补充条款的解读可以发现,凡是不牵扯破坏机理的内容,一般也适用于复合材料；凡涉及破坏的条款则必须重新定义,例如有关静强度（包括连接强度）、疲劳寿命、损伤容限的条款.冲击损伤是复合材料结构的特殊问题,必须给出有关的设计要求和处理方法.安全性的另一关键是如何确定设计用材料性能,复合材料的特点是结构与材料同时形成、材料的可设计性,因此设计用性能的确定不同于金属,分为材料许用值和设计值,美国C M H -17《复合材料手册》第一卷《结构材料性能表征》就是集40多年有关复合材料性能表征的经验教训总结,它适用于所有高性能复合材料设计用性能的选取和确定.总之,可以借鉴飞机结构的设计规范并结合行业特点来制订适用于交通运输行业的补充规范.
复合材料技术包括设计与制造等,飞机复合材料结构的设计和制造技术基本适用于交通运输车辆结构,但后者必须根据自身的特点进行修正和发展.例如,飞机结构普遍采用的连接方法和成型工艺在交通运输车辆上直接应用是有疑问的；又如全碳纤维结构适用于减重要求高的飞机结构,对工业领域应用应提倡把适当的材料用在适当的部位,从而不同材料结构部件的设计优化和连接成为交通运输车辆复合材料结构设计的新课题.同样飞机结构普遍采用热压罐工艺,但交通运输车辆结构更多采用快速固化高效的液体成型和O O A成型,甚至模压成型等,通过创新开发出适用于交通运输车辆的复合材料成型技术,是交通运输行业最为迫切的研究方向和实现产业化的关键.
在交通运输车辆中开发复合材料结构必须遵循循序渐进的方法,首先应开发对结构安全性影响较小的非承力结构取得经验和对其安全使用建立信心后,逐渐过渡到次承力部件,通过低成本次承力部件的开发和批量生产,将碳纤维复合材料制件实现产业化生产,再最后过渡到开发碳纤维复合材料的主承力结构,实现碳纤维复合材料制件的产业化,同时实现国产碳纤维的产业化供应.当然在选取适用的结构时,必须是那些形状复杂,金属难于制造的结构件,同时在开发时切忌不要进行一对一的研制,要充分发挥复合材料可以实现结构整体化和结构-功能一体化的优势.当然开发出“买得起”的交通运输车辆复合材料制件只是开始,真正实现“买得起”还必须建立数字化、自动化的智能生产线等.当前第1阶段的应用已取得了很大的成绩,正在进入第2阶段,但是在“买得起”这一环节上进展不大,因此当前的首要任务是如何从设计、材料和制造入手,实现全寿命成本优于金属结构,做出被用户接受的交通运输车辆复合材料产品.总之,交通运输车辆复合材料制品的产业化以及国产碳纤维的产业化道路是曲折的,前途是光明的,必须依靠交通运输行业与碳纤维复合材料界的共同努力才能实现.其中碳纤维行业的同仁必须付出更多的心血,毕竟下游用户对碳纤维的需求还没有到非用不可的程度.
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