沈真：国产航空复合材料用树脂研发概况
2018-07-11 11:35:44
作者：沈真 来源：江苏恒神股份有限公司
这两天，某权威媒体记者的一篇报道“是什么卡了中国碳纤维的脖子：环氧树脂韧性不足，缺股劲儿 | 亟待攻克的核心技术”风靡一时，占据了碳纤维界的头条，文中声称“目前国内生产的高端碳纤维，所使用的环氧树脂全部都是进口的。”可能这位记者只知道国产大飞机全部使用国外的预浸料，确实碳纤维必须有与之相配的高端树脂才能得到应用，没有高端树脂确实会卡中国碳纤维的脖子，所以得到这个结论。殊不知国内军机也使用高端碳纤维，也使用环氧树脂，不仅使用环氧树脂，同时还大量使用更高端的双马树脂和聚酰亚胺树脂，但没有一克树脂是从国外购买的。航空结构用树脂体系从来都是对中国的禁运物资，即使民用飞机也只卖给你预浸料，且严格监控产品应用对象。中国的高科技没有像有些人吹的那么好，但也不是像文中所说的那样一无是处。作为一名在航空领域耕耘数十年的一员，有必要让大家知道航空人的业绩。
实际上对航空人而言航空复合材料用树脂从来就没有想过从国外进口。航空结构所用原材料迄今为止主要是预浸料，针对不同用途有不同种类的碳纤维与树脂的复合（即预浸料），例如波音公司早期使用最多的T300/5208，目前用的最多的是T800/3900-2，52098与3900-2都是东丽的专利，市场上不可能购买的树脂。无论国内还是国外，无论是军机还是民机，航空复合材料用树脂从来就不可能从市场上购得，都是与碳纤维配套以预浸料形式供应，专供波音或空客的预浸料不可能供应别的公司，更何况树脂。
我国航空复合材料在军机结构上的应用，要追溯到1970年代中期，首个用于军机的碳纤维复合材构件是由当时三机部（中航工业公司前身）的320厂（今洪都航空集团）、625所（中航复材的前身）和623所（今中航强度所）研制的歼12飞机的进气道壁板，使用的是吉化的高强一号碳纤维，使用的树脂是通常用于玻璃钢的648环氧树脂，该制件于1977年12月28日首飞成功（见图1）。
图1 歼12进气道外侧壁
从1980年开始三机部又组织研制了强5和歼8-II碳纤维复合材料垂尾的研制，一开始仍使用吉化的高强一号碳纤维和市场上可购得的648环氧树脂，此后由于可从非正常渠道可购得质优价廉的东丽T300，所以所用材料体系为T300/648（后命名为4211）。即使648只是一款性能极其一般的树脂，通过设计师的设计同样实现了显着的减重，且在役使用超过15年。
从上世纪80年代初航空人即已开始研发航空用环氧树脂，确实航空复合材料用环氧树脂“从配方体系、分子结构去分析，这是一个非常复杂的系统工作，而且科技含量高，研究难度大。”航空人硬是不怕邪，面对国外的禁运和封锁，经过30多年的不懈努力，在中航复材已形成了以孙占红为代表的一支老中青结合的航空树脂研发团队，在高等院校和科研所也有一批高端树脂的研究队伍。特别是中航复材已研发出了几乎所有军机所需适合各种用途和应用对象的航空树脂，目前国产军机复合材料结构用的高端树脂全部由国内供应，没有一克来自国外。的确飞机用环氧树脂要求其与碳纤维复合后具有相当高的CAI（冲击后压缩强度），同时还需具有足够高的湿热条件下的开孔压缩强度，这是一对矛盾，但是航空人已经很好地解决了这对矛盾，目前军机用高温环氧树脂（180℃固化体系）的CAI可以达到大约300MPA，与空客A350和波音787所用环氧树脂性能基本相当。不仅如此，高温使用的双马树脂和聚酰亚胺通常认为是军用物资，绝对是国外的禁运对象，即使是预浸料也不允许出口中国，但航空人同样研发出了性能与国外相当的树脂，完全能够满足军机研发的需求。航空人就是这样，不怕你封锁和禁运，当大量使用国外T300碳纤维时，通过自主研发研制出与T300复合后性能与国外树脂相当的树脂，本世纪初T300有价无市（相当于禁运）时，我们同样开发出了与国外性能相当的国产碳纤维CCF300和HF10A碳纤维，航空人和恒神人同时研发出了与国产碳纤维复合良好的相应的航空用树脂，复合后的性能基本上与国外所用相当。当然使用中与国外树脂在工艺性能方面有差距，但经过长期使用后一定可以与其相当。至于民用飞机用的预浸料，由于涉及到适航确实全部从国外采购，但只是暂时的现象，面对中美贸易战，复合材料预浸料必将会全部实现国产化，国内军机应用已为此提供了基础。
在谈及航空用树脂的同时，有一位航空人值得大家铭记，那就是原中航625所的赵渠森（1936~2003）（图2）。赵渠森是一位抗美援朝时参军后来转业的公安干警，中专毕业后进入航空体系，长期从事航空材料的应用，上世纪70年代曾编译出版了国内第一本名为“复合材料”的专着，为国内复合材料界的入门必读之书。上世纪80年代他了解到国外正在开发航空用双马树脂，他本可以对此不闻不问，没有任何人向他布置研发任务，在国防重点科研项目规划中也没有对此立项，但他敏感地意识到国内军机研发一定会需要这种材料，主动把国家的需要作为自己的使命，开始研发航空用双马树脂。他从来没有研发过树脂，更何况航空用双马树脂，但他就是不信邪，利用各种机会向国内外专家请教，收集一切能找到的中文和外文资料，从零开始，经过千辛万苦，带领几位年轻的技术人员，在上世纪80年代中研发出了国内第一个航空用双马树脂（西工大专业从事树脂研发的老师几乎同时也研发出了另一个双马树脂）。不过他有幸的是得到了所在单位有远见领导的大力支持，也有幸得到了军机型号研发相关总师的支持，将他开发的双马树脂用于正在研发的军机型号，当然应用过程中出现了各种各样的问题，有时几乎无解，其中的艰辛恐怕常人很难知道，但他坚定不移地破解应用过程中遇到的各种问题和困难，使其性能与国外同类树脂相当，并成功地用于新机复合材料结构。以此为基础，他带领他的团队开发出了一系列用于不同场合和需求的双马树脂体系，现在由他开创的双马树脂体系几乎覆盖了所有高速军用飞机复合材料结构。但他不幸在2003年因病去世，在他弥留之际时，仍念念不忘他的双马不足之处及相应的解决方案。
图2 2001年在ICCM-13会场（图中右为赵渠森）
国产航空复合材料用树脂的研究和应用史告诉我们，这是一场封锁与反封锁的斗争，面对国外的封锁，像赵渠森这样的航空人就会站出来，研发出我们自己与国外性能相当的航空复合材料用树脂。此外历史还告诉我们，即使性能略差的树脂，通过设计师的设计，照样可以在军机结构上应用，实现减重的目标。这个经验可以同样用于国产碳纤维，即使性能略差，通过设计师的设计，同样可以开发出高性能的碳纤维复合材料结构，但前提是用户是否肯用。航空复合材料用树脂的应用是被逼无奈，即使性能略差，用户仍能坚定不移地支持其改进和提高，使之不断完善。国产碳纤维是否有这样的机遇呢？
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