十年復材織天路，萬里長空競飛鴻 ——碳纖維復材發展續篇
T300級材料已經相對成熟，而T700以上級別的復材仍在研發和小規模試生產中。
進展：
1 T700：
近5年來，T700級軍用碳纖維材料生產技術逐漸成熟。網載，中復神鷹公司投產的T700生產線是目前上第三個采用干噴濕紡工藝體系的商業化生產線，2014年獲得建筑材料集團有限公司科學技術獎進步類一等獎，具有重要的戰略意義。國產T700已經成功應用于風力葉片、電纜復合芯、壓力容器和交通運輸等新興工業領域，并初步用于某航空機型和某航天設備。
2 T800：
從多個渠道獲得的信息都表明，繼2012年25噸級T800生產線竣工投運后，條千噸級T800生產線于2014年3月在江蘇鎮江新區奠基。江蘇航科投資6億元，預計2016年投入生產。截至2014年底，航科先后申請發明和實用新型80余個，制定碳纖維生產流程測試規范42項，環保節能措施使產品成本降低30%，產品性能離散型低于5%。江蘇航科T800級材料已具備系列化高性能碳纖維制備技術和低成本化能力，碳纖維生產原材料和主要設備幾乎100%來自國內。
3 T1000和更高：
江蘇航科預計在2020年，將建成千噸級T1000碳纖維生產線和百噸級MJ系列高強度高模量碳纖維生產線。并開展T1200和M70J等更高性能纖維以及專用復合材料的研制及產業化工作。
點評：
先說上文中談到的T700。
其實就是國內中復神鷹的產品代號SYT45，是按照國標GQ45生產的聚丙烯腈基碳纖維PAN。公開材料上說，SYT45抗拉強度達到4.5GPa以上，模量達240GPa。與日本東麗的產品相比（抗拉強度4.9GPa）有10%左右的差距。2014年中復神鷹已經有了SYT49/SYT50，抗拉強度分別達到4.9GPa/5.0GPa。算是能和東麗一拼，但時間上的差距可就大了。
圖1 中復神鷹T300級SYT-45 PAN原絲
與成品相比，其實更值得我們關注的是報道中“干噴濕紡“這四個字。因為過去國內碳纖維生產常用的是濕法紡絲。而干噴濕紡（又稱干濕法紡絲），意思是，紡絲液經過噴絲孔噴出后，先經過一段空氣層，專業術語叫”干段”（所以這種方法才叫“干噴”），再進入凝固浴進行擴散、相分離和形成絲條的紡絲方法。
與濕法紡絲相比，干濕法紡絲的優點在于：
1 可以進行高倍的噴絲頭拉伸，因此紡絲速度高；
2 可在空氣層中形成一層致密的薄層，阻止碳纖維大孔洞的形成。這樣得到的纖維，結構均勻，皮芯層差異小，強度和彈性好，截面結構近似圓形，纖維表面光滑。紡出的纖維致密性好，體密度較高，纖維內部缺陷少。
因此，干噴濕紡是高性能PAN碳纖維原絲生產的國際先進技術。該技術此前一直被日方東麗和東邦壟斷。國內一直到2013年11月才初步試運行成功，所以報道中說是“第三家”。
中復神鷹的這套濕紡法系統，包括適用于干噴濕紡的均質化聚合系統、低擾度空氣層纖維成型系統以及高速高倍蒸汽牽伸系統。項目自主開發設計了快速換熱的全混式60立方米聚合釜、干噴濕紡纖維成型裝備、蒸汽牽伸裝備、全套碳化關鍵裝備以及高效溶劑回收和廢氣處理系統。全系統2008年開始研發，2012年投入試生產，2013年11月通過級鑒定。后面就要看產品質量穩定度和工程應用的情況了，咱們拭目以待。
再說T800。
技術主導的T800生產線終于開工了。不過需要指出，這個項目已經拖延數次，后來計劃2015年投產，現在看來也有一定困難。難是正常的，有實質性進展就好。需要再次強調，2012年航科的25噸級的實驗室小規模生產不代表完全掌握碳纖維核心技術，大規模生產的原料、輔料、工藝、設備都能國產化，且質量穩定可靠，成本市場接受，才是T800真正的成功標志
后說一下T1000和MJ系列更高級別的產品。
在高性能PAN碳纖維原絲上，目前仍然處于“跟蹤研發”的狀態。從航科這些年的迭代研發步驟看：2012年出25噸T800，2016年（預計）出1000噸級T800，2020年千噸級T1000的目標能否實現，要看2017年前后是否能出25-100噸級的T1000小規模生產線?；炯夹g和產品性能確定了，后面的目標就會更加明確。個人以為，晚到2018年如果都達不到預生產目標，2020年T1000大規模投產就不靠譜了。
從總體形勢看，手拿把掐的倒是T800。再有三五年，T800滿大街都是的局面估計是跑不了的。但從外界的橫向對比情況看，形勢依然不容樂觀。
先，日本東麗在T1100碳纖維生產上已經獲得進展：東麗利用碳化技術，在納米尺度上精確控制纖維結構，與其現有的應用于航空航天中的碳纖維產品如TORAYCA T1000G 和T800S相比，新型的TORAYCA T1100G性能得到了顯著提高。利用納米技術，東麗還開發出基體樹脂技術，該技術可以提高預浸料的抗拉強度和抗沖擊性。這項技術將被納入TORAYCA T1100G碳纖維中。
看到沒？在我們T800接近成熟的時刻，對方T1100G也正在逐步成熟，這中間可差著2代啊。
再有，就是MJ碳纖維。
T系列碳纖維有一個特點，就是強度高，而模量相對不足，這一點就是T1200也是一樣。實際上，1970年代開始，東麗公司的PAN碳纖維就有高強度系列產品（即我們熟悉的T系列），和高模量系列產品（即M系列，國內也有）兩個序列。行業內曾長期認為，同時實現碳纖維的高強度和高模量在技術上是難以實現的，好比魚與熊掌、不可兼得的意思。
但是，MJ系列碳纖維的出現，讓這個禁錮松動了。
這次又是日本東麗，創新研發出兼具高強型和高模型的MJ系列碳纖維，使其兼備高強度和高模量，綜合性能提升較大。MJ系列產品包括M40J,M55J,M60J。中科院山西煤化所和中科院研究生院的研究表明，MJ產品大特點就是纖維表面都有溝槽，這與上面談到的干噴濕紡產品的平滑表面形成鮮明對比。
表1：東麗MJ系列產品性能表
我們在進步，人家也沒閑著。
因此，碳纖維原絲行業保持航向，目標東麗，不變！
二碳纖維復材生產技術的進展
自動鋪疊技術
《原文》
手工鋪疊自動化：航空用先進復合材料構件大部分仍在使用手工鋪疊，預浸料自動下料機和激光投影儀兩種關鍵設備大多需要進口。而且對于大型構件，依然難以保證鋪疊質量和速度。自動鋪帶機：正在起步研究的階段。北京航空制造工程研究所研制的6m×20m 大型自動鋪帶機，開始在新型飛機的復材構件研制中得到實驗性的應用。
國內自動鋪絲機：尚未見到有國產化設備投入應用的報道。
進展：
中航工業制造所于2006年組建技術團隊，致力于復合材料自動化鋪放的工程化應用，通過近十年來的扎實研究，已經獲得較大進展。國內成飛也在相關技術研發和工程化應用方面獲得扎實成績。
1自動鋪帶機：
中航復材完成了國產預浸帶制備、鋪帶工藝等系列研究與相關工程化應用驗證，已將自動鋪帶用于新型飛機的機翼復合材料壁板；針對民機尾翼、機翼等課題需求，完成了尾翼平尾蒙皮、機翼蒙皮的系列研究與驗證試驗。在中航復材的廠區高跨凈化間內，國內先進的大型自動鋪帶設備——1臺30米×6.5米鋪帶機，具備了32絲束鋪放能力，可實現大型復合材料構件的鋪放。
航空新聞網報道，成飛“大型復合材料整體壁板精確制造技術研究”科技成果與2014年一次性通過了成果鑒定。
一、次在裝配飛機機翼壁板上采用復合材料自動鋪帶技術，解決了大型復合材料整體壁板精確制造的技術關鍵，制定了自動鋪帶的工藝規范標準；
二、開發了基于激光投影技術的自動鋪帶在線檢測技術，實現了自動鋪帶尺寸、角度、輪廓快速精確檢測，申請了發明；
三是提出了基于數字化技術的帽形加筋壁板R區精確填充方法，研制了專用轉角R區填充物成型工裝，實現了帽型結構的一步成型制造；
四、建立了復合材料加筋壁板變形控制理論模型和筋條漂移模型，實現了對帽形加筋壁板的變形和漂移的有效控制。
成飛項目已申請4項發明，并已成功應用于機翼復合材料大型整體壁板的制造中，產品質量穩定、可靠。四川省科學技術鑒定委員會認為：該項目總體技術國內，達到國際先進水平。
2自動鋪絲機：
與自動鋪帶機類似，國內先進的1臺30米×6.5米鋪絲機也裝備了中航復材，正結合某民機（推測為ARJ21/C919）課題，開展自動鋪絲技術的研究和工程驗證。
點評：
從消息看，國內自動鋪疊技術取得了重大進展，說明這一短板正在被迅速彌補當中。要知道，即使有激光投影儀，人工鋪放的精度一般也就是3mm左右。而自動鋪放使用自動鋪層技術，鋪放、滾壓等制造工藝過程都是由程序自動控制，重復性與一致性好，質量穩定。其鋪放精度一般可達1.2～1.5mm之內，高精度甚至可以達到可達0.76mm以內，是人工鋪放的4倍?，F在鋪帶機完成了工程化應用驗證，鋪絲機也開始了這一進程，非常令人欣喜。這是其一。
從設備上看，中航工業在國內的碳纖維復材自動鋪放鋪疊領域，絕對是把交椅。兩臺30米大機就不說了，就是那三個手工鋪疊、功能結構鋪疊和液體成型纖維預形體制備三個獨立凈化間里的下料機、激光投影儀、大型縫合機、纖維預形體制備機等高大上制造設備，也足以讓其他同行眼饞啊。這是其二。
整體成型技術
在碳纖維復材的整體成型技術方面，中航復材依然處于國內同行業的地位。針對梁、壁板結構，開發了梁成型技術、長桁成型技術、加筋（單向、縱橫向）壁板成型技術；針對盒段整體化結構，開發了基于π接頭的整體成型技術、縱墻與下蒙皮整體成型技術、縱墻與上下蒙皮整體制造技術；針對舵面結構，開發了全高度蜂窩整體成型技術和U單元壁板成型技術；針對透波結構，開發了透波夾芯結構整體成型技術；針對發動機外涵道結構，開發了聚酰亞胺高溫復合材料成型技術；針對復合材料結構的裝配需求，開發了舵面、垂尾、平尾、艙門、機翼和翼等復合材料部件的裝配技術
在成型設備方面，中航復材廠房內容的熱壓罐區，擁有9臺先進熱壓罐設備。其中那臺直徑7米長30米超大熱壓罐，具備30米長筒型和壁板型、盒段型構件的整體成型制造能力。在技術儲備上，中航復材已配合設計研制了多個型號的翼面/機身加筋壁板、多墻整體化壁板/盒段、全高度蜂窩整體舵面，實現了小批或批量生產，在部分相關關鍵技術上已經達到先進水平。
圖2：中航復材的復合材料機體（航空報）
圖3：中航復材的C系列復合材料尾椎壁板（航空報）
圖4：中航復材的復合材料槳葉壓力機（航空報）
圖5：中航復材的直8機復合材料槳葉（航空報）
點評：
中航復材在大型熱壓罐設備上的成績和其他整體成型技術的進展，標志著預浸料-熱壓罐為核心的碳纖維復材生產關鍵技術獲得了重大突破。那臺7X30米的大罐，已經可以分段實現中小型運輸機的機體整體成型，和美帝的12米直徑罐有差距，但也已屬難能可貴的進步。全部9臺大罐小罐，形成了系列化的熱壓罐工藝設備，為復材整體成型的核心工藝打下了良好的硬件基礎。
但是…..呵呵，兵器迷就是這樣，但是后面做文章。
我們也應該看到，預浸料-熱壓罐技術有著一個固有的缺點。
這個缺陷就是成本高昂。
不但制造成本高，使用和維護成本更是高得驚人。比如美國NASA為固化一個直徑10米的太空發射載具桶形復合材料結構，曾建造了一座直徑12米，長24米的熱壓罐，直接制造成本就是4000萬美元。安裝及后續操作、維持經費則高達6000萬美元。
圖6： 美國NASA的熱壓罐
這樣的開銷，就是美帝也頭疼。況且，航空構件的尺寸多種多樣，而熱壓罐的大小，對構件尺寸是一種制約。
為此，美國發展了真空輔助樹脂轉注成模工藝（Vacuum-assisted Resin Transfer Molding，以下簡稱VaRTM）
其實，嚴格來說，VaRTM工藝并不是新玩意，多年來被廣泛用于大型游艇制造上，就是把干燥的復合材料纖維布疊放在模具內，通過略低于大氣壓的真空壓力，把液態樹脂灌入復合材料纖維疊層間，再低溫固化的一種工藝。由于不需要熱壓爐，零件尺寸也不會被熱壓爐的大小所限制，而且不必使用熱壓罐中所需的耐高溫材料。
有朋友問，這么好的技術，既然早就有了，為啥不早早用在航空復材生產中呢？
這是因為，VaRTM的真空壓力不到1.05kg/cm2，小于熱壓罐7.03kg/cm2，因此無法充分擠壓復合材料纖維布，導致多余的樹脂殘留在疊層間。因此產品制件一般會較厚。航空工業也用VaRTM，但基本都用在次要結構上。在美國空軍研究實驗室下屬的復合材料可負擔性倡議（Composites Affordability Initiative-CAI），1990年代中期曾經研制出不需熱壓罐固化的LTM系列預浸布，但固化后的機械強度不符航空工業界的要求。此事隨后延宕下來，長期沒有進展。
但CAI一直沒有停止努力，到2005年推出MTM-45和CYCOM-5215復材，固化后質量終于可以與熱壓罐媲美。并制造了類似F-35的一體式前機身、機翼、垂直尾翼；類似X-45A的油箱及機翼貫穿結構；類似X-45C的機翼；C-17運輸機的加勁蒙皮主輪艙門，以驗證該工藝做出的結構零件，并終成功用于洛馬的先進復合材料運輸機，從而為VaRTM工藝的工程化應用打開了大門。
因此，中航工業目前在熱壓罐領域的進步，并不意味著可以停止追趕。我們既然能夠做得更好，下一步就是想辦法做得更便宜。而低溫整體成型技術，將是這個目標的又一道艱難關口。
樹脂基預浸料技術
《原文》：
在樹脂基預浸料技術上具有國際先進水平
進展：
中航復材的樹脂預浸料專用生產廠房1.5萬平方米，裝備4套具有國際先進水平大型熱熔預浸機。在技術上，基本掌握第三代高性能復合材料關鍵技術，5228E、9918和AC531等高韌性樹脂復合材料的韌性CAI已達到310MPa以上，達到1990年波音公司制定的高韌性碳纖維環氧預浸料標準(BMS8-276)。
在第三代國產樹脂基材料達標的基礎上，中航復材系統開展了國產碳纖維樹脂基復合材料的工程應用驗證，如：
T300：國產T300級碳纖維增強高韌性環氧樹脂基復合材料，已經成功應用于飛機的垂尾、平尾和機身尾段等結構。
T700：國產T700碳纖維增強雙馬樹脂基復合材料、高韌性環氧樹脂，已成功應用于飛機機翼、機身等主結構。
T800：國產T800級高韌性碳纖維復合材料已經開始了全面性能和制造工藝考核驗證。
此外，《原文》雖然提到碳纖維本身耐熱，但是將其粘結成型的樹脂基體卻很難耐受高溫；比如波音787上普遍使用的環氧樹脂類產品，一般大工作溫度不高于150攝氏度。F22由于存在超聲速巡航需求，飛機外表會長時間與空氣高速摩擦；因此在機翼復合材料上不惜使用韌性更差、更不耐沖擊的雙馬來酰亞胺樹脂基體以獲得260攝氏度的大工作溫度。
中航復材具備使用溫度從280℃到420℃的多種高溫樹脂基復材制件的制造能力，并已在某國產先進發動機上，實現了高溫復合材料結構的定型生產。
點評：
樹脂基材料在碳纖維復材的生產體系中，是我們相對較強的一環。無論是低溫固化（低于80°的固化溫度），還是高溫應用（260°的應用環境），都不含糊。從進度看，已經超前于整體成型技術和自動鋪疊技術的發展，不會給大運、四代等關鍵項目拖后腿。嗯，真讓人放心啊。
以上是《原文》中談到的碳纖維原絲和碳纖維復材技術的發展近況解讀。兵器迷后面要說的，是《原文》中稍做提點，卻未曾仔細描述的另一種關鍵技術。
這是什么技術呢？
一、碳纖維復材的缺陷與碳纖維表征技術的意義
《原文》中，對碳纖維復材的優點做了比較多的介紹，其實碳纖維也有很多固有的缺陷，這一次就結合表征技術來談談這些問題。
先，由于碳纖維復合材料是以層結構為基礎的，而其層間的結合力相對薄弱，所以一旦出現分層的情況，就會對其整體性能造成嚴重破壞。麻煩的是，航空承力級復合材料部件的損傷，大多數發生在維護時的各種碰撞、拆卸過程中。而因此產生的分層缺陷往往出現在復材內部，一開始從外表面是很難發現的。而制件的結構強度卻可能因此大下降接近一半，對安全運營所造成的潛在風險可想而知。
再有，即使碳纖維原料沒問題，加工成碳纖維復合材料時也會遇到難題。因為CFRP是典型的難加工材料。特別是鉆削加工時，在鉆孔出口處，很容易產生分層、毛刺和撕裂等缺陷，對碳纖維復材的成品質量構成潛在威脅。而孔出口缺陷中，撕裂往往比毛邊的尺寸更大。隨著鉆頭的進給速度、進給量、鉆頭直徑和軸向力等因素的增大,撕裂缺陷將變得越發嚴重。
后，用于粘結碳纖維和形成復合材料整體的樹脂基體的韌性比較差。即便碳纖維復材本身沒有問題，其制件之間的粘合也可能因為樹脂基性能下降而導致制件解體。
上面種種問題，都導致復材制件質量下降，成本上升，使用安全性受到嚴重挑戰。所以在《原文》中談到碳纖維復材制件不但生產上獨具特征，在日常維護、測試、修復的經驗、流程與方法，與金屬構件相比，都會發生顛覆性改變。為此，人們需要完全不同于金屬探傷的專門技術，來探測碳纖維復材的內部和表面結構，從而在原料生產-產品成型-設備運營的材料全生命過程中，精確把握其材料特征和力學性能。因此誕生了碳纖維表征技術，即對碳纖維材料的表面結構表征和內部結構表征進行探測、研究和分析的技術。
舉個例子。上面談到的復材加工鉆削出口工藝難題，一直困擾著復材加工行業，導致產品加工后質量達標率偏低。國內某企業正是通過復材表征技術設備的檢測，再結合加工刀具運動的記錄數據，綜合分析終發現了一個特點：就是復材加工時，隨著鉆頭轉速的增大，將使出口撕裂值變小，產品質量得到提升。結合進給速度增大導致撕裂值變大、鉆頭轉速增大導致撕裂值變小這兩個特點，企業經過反復試驗，終將切削速度與進給速度比值控制在3000-4000以下，有效地減小了撕裂值，保證了復材產品加工質量。
既然表征技術這么重要，那么它都包括哪些具體的技術手段呢？
二、碳纖維表征技術概述
內部結構表征技術：
以X-射線衍射、電子衍射、隧道掃描顯微鏡等設備為基礎。
其中，X-射線（廣角、小角）衍射研究，可以獲得碳纖維的取向度、微晶尺寸、石墨化度等重要信息。其數據統計意義上的，對研究材料基本性能
具有很高的價值，但難以確切反映碳纖維內部結構的局部特征。
電子衍射，是通過透射電子顯微鏡獲得碳纖維材料的取向角、層間距、微晶尺寸，發現其內部各種缺陷。其數據是微米級別的，對碳纖維無損探傷具有重要意義。
隧道掃描顯微鏡、原子力顯微鏡則可以獲得納米級或原子級的信息，使得人們對碳纖維復材的微觀結構認識達到了一個更深入的層次。
表面結構表征技術：
主要依靠X光電子能譜。它可以定性、定量分析碳纖維表面元素和其存在狀態。因為物理學發現，當固定激發源能量時，X光形成的光電子的能量僅與物質表面元素的種類和所電離激發的原子規定有關。因此，就可以根據冠電子的結合能定型分析碳纖維表面的元素種類。X光電子能譜就可以定性、定量分析碳纖維表面存在的元素和狀態。
三、碳纖維復材表征技術的應用
碳纖維復合材料的表征技術，主要應用在三個方面：
1 生產環節的表征測量，用于監控生產質量和優化生產工藝
2 檢測環節的表征測量，用于檢驗產品質量和分析產品性能
3 使用環節的表征測量，用于監控設備壽命和確保安全運行
國內方面的應用進展如下：
中航復材：材料表征技術方面先進技術主要有：復合材料成分微結構及理化表征技術、復合材料使用性能測試表征技術、復合材料無損檢測與評估技術、復合材料服役環境結構模擬分析技術。自行開發了7.5米X6米多通道檢測儀，其FJ系列窄脈沖換能器以其優異的聲學性能，解決了復合材料無盲區檢測的需求，達到了同類產品水平。
中航復材：自行開發了多型號便攜式超聲設備，滿足復合材料結構外場服務的需求。。
在十五期間國產T300級碳纖維成熟產品。哈工大復合材料及結構研究所，就在2007年使用電子掃描顯微鏡、X射線衍射儀、顯微光譜儀、光電子能譜儀等設備，對國產T300級碳纖維GCF，與日本、美國同級產品進行了結構表征與性能比對分析。綜合測量分析的結果，肯定了GCF的微觀結構規整，與T300具有相當的彈性模量，且可與樹脂基提形成較強的界面作用。同時指出缺點是表面微晶尺寸較大，不利于纖維強度的提高。
沈飛公司：建立復合材料構件制造單元技術數據庫，嘗試多元化分析手段，采用數字影像技術監控制造全過程用以建立并追溯構件的全程制造歷程。沈飛公司與大連理工大學等六家單位對復合材料承力結構件制造進行研究，內容囊括了復合材料從原材料到成形、固化、檢測，再到裝配的整個制造過程的基礎研究工作，可以對復合材料結構件的設計形成反饋。
小結
說起碳纖維復材近年來的發展，真可謂可圈可點。
一、碳纖維行業梯隊已經隱約可見。
當前國內的碳纖維企業林林總總，一哄而起全面開花的局面仍然存在。但隨著近年產業推進大浪淘沙，似乎正在發生悄然改變。
原絲領域：
資料顯示，2013年底為止的PAN原絲生產廠家竟然有30多家，建成總產能已經突破2萬噸。人一哄而起、跟風趕潮的架勢，真是驚人。然而大部分產品質量低劣，成本高于國際價格，因此市場需求度不高。2013年國內生產碳纖維不足3000噸，僅發揮了生產能力的1/10，導致大量設備閑置，全行業總體虧損。而同期，我國進口碳纖維及其制品12386.2噸，同比增長了34.5%；進口額達3.83億美元。相當于國內產量的4倍。
反觀國際上規?；腜AN原絲生產廠商，一共才7家，其中僅東麗一家的產能就接近的總和。
不過，在市場的洗禮之下，近年來已經開始出現行業洗牌，龍頭企業初步顯現。江蘇航科的T800、中復神鷹的T700都是大熱。2015年6月，中復神鷹開建年產3500噸碳纖維生產線三條，計劃在3年內完成建設并進入投產，項目總投資達10億元。項目建成后，將形成原絲15000噸/年及碳纖維6000噸/年生產力，是我國大的碳纖維生產基地。
有趣的是，江蘇航科與西光所合作，是中科院背景；中復神鷹隸屬復合材料集團有限公司。有趣的是兩家一個在鎮江，一個在連云港，使得江蘇成為碳纖維原絲的大基地。
北方的吉化也不弱，當年“高性能T300級碳纖維及原絲制備成套技術”是吉化的鎮宅之寶，憑這個獲得石油2009年度科技進步特等獎?，F在碳纖維原絲產能達到5400噸/年，碳纖維產能達到818噸/年。特別是，碳纖維產品規格涵蓋1K至48K不同級別?？催^《原文》的同學，應該明白吉化是以小絲束為主的生產結構，以及這意味著什么。點到為止，呵呵。
航空復材領域：
這與原絲領域科研+地方的合作模式不同，一水兒的隊。中航工業一口氣在哈飛、沈飛、西飛、成飛、昌飛、洪都等多家企業建立了航空復材中心。同屬于中航工業背景的中航復材，落戶北京，頗有后來居上之勢。450人的小單位，一半碩士博士，先進設備眼花繚亂，擁有具完全自主知識產權的復合材料數據庫，和國內多的復合材料樹脂牌號/預浸料牌號。
中心領導誓“為我國的新型軍機和大型民機的研制和定型生產提供堅實保障” 軍民通吃，好大的口氣。復材收入初創時1億多元/年4年翻三番達到2014年的9億多元，成為碳纖維復材生產的大戶——林左鳴也真是護犢子，國字特別是軍字的大訂單基本上被中航復材盡入囊中，當真是肥水不流外人田啊，呵呵。
圖1 中航復材的官方和軍方背景可見一斑
二、原絲領域部分技術工藝獲得突破性進展，但仍有部分產品線空白。
T系列如T800和T700的生產，從十五計劃開始到今天，從原料、設備、工藝、規模上都有實質性的進展。未來需要的是大規模生產、穩定質量和降低成本，并對更高端的產品持續跟蹤研發。說“跟蹤”有點難聽，但。我們在T800打拼的時候，人家在強攻T1100，要承認現實，對吧。何況，國內T800的“高強中模”和“基本高模”工程化還是空白呢。兵器迷看到國內媒體報道說“T800性能超過日本” 這樣的大標題，恨不能個地縫鉆下去——落后不丟人，可明明是落后，卻要擺出已經超越的姿勢，那才丟人呢。
此外，MJ“高模高強”碳纖維的產業化技術也是基本空白?？瞻椎绞裁闯潭饶?？兵器迷搜集到的公開資料甚至都不能肯定MJ的核心工藝是干噴濕紡還是濕法紡絲，只是猜測可能是濕紡。而且這些資料中，對MJ系列的微觀結構鮮有深論。而眾所周知，CFRP的宏觀力學性能正是由于其微觀結構決定的。雖然日方的M60J系列依然因為一些問題尚未完全成熟，但此物在航天級應用絕對是潛力股（衛星、航天器承力結構）。中方如果不加大預研力度，未來將如今天的T系列一般跟著別人后面亦步亦趨，成為又一個潛在的嚴重短板。
三、復材生產領域部分關鍵設備獲得突破性進展，但對先進技術路線的跟進仍需加強
從中航復材的報道看，過去的自動鋪疊設備和熱壓罐關鍵設備獲得了較大的突破，30米鋪帶機和30米熱壓罐都已經投入試生產和型號工藝驗證，過去的大量核心設備空白在急速被填補。而且中航復材的第三代樹脂基材料也保持了很好的發展勢頭。所有這些進步都使得復材生產領域獲得了相當的能力提升。但是在降低成本和工藝復雜度上，比如美帝的真空輔助樹脂轉注成模VaRTM工藝為代表的低溫整體成型方面，還需要盯緊對手的發展動態，加大技術儲備和研發力度。
圖2：美國VaRTM工藝
四、表征技術方興未艾，但依然是復材生產的短板。
在歷經多年的生產質量和成本難關之后，終于開始逐步發展自己的碳纖維表征技術和生產數據庫。各大學材料專業、復材研究機構、生產廠家和終用戶，正在走到一起去研究碳纖維微觀結構與宏觀性能的種種奧秘。中航復材在生產設備之外，配備了色譜儀、紅外光譜儀、DSC和DMA、透射電鏡、掃描電鏡、光學顯微鏡等儀器分析設備，掌握了紅外熱成像、蜂窩激光剪切干涉檢測、超聲三軸無損檢測、超聲機械手檢測等儀器監測技術，并建立了大型超聲C掃描無損檢測設備研制及檢測標準，擁有20個檢測通道，單次檢測范圍7.5米X6米。
趨勢是好的，但需要指出，我們的自主表征技術研發工作大多建立在觀測分析上，但精密觀測儀器卻又大多來自國外。比如碳纖維內部結構表征探測的關鍵設備X射線衍射儀，用的是日本產品（如日本理學公司的D/max-rA），掃描電鏡用的也是日本產品（如日本HITACHI的S-3400/4700）。而碳纖維表面結構表征探測的關鍵設備光譜儀，用的是英國產品（如Renishaw的RM1000）和法國產品（如法國的HR800）。
圖3 日本理學公司的D/max-rA的X射線衍射儀
圖4：日本HITACHI掃描電子顯微鏡
圖5 ：英國Renishaw光譜儀
這就是我們今天的局面：產品和設備這兩塊看得見的短板正在被強力彌補，而檢測分析手段和工藝數據積累這兩個更加隱性的領域卻依然在起步階段。
個人認為，碳纖維領域的大問題不是生產原理，而是工藝細節。而工藝細節的保障，正是來自于表征技術的發達：沒有設備就別想出產品——沒有工藝參數和產品數據積累就是有了設備也無法保證質量和成本——而沒有先進的檢測與分析手段當然也就沒有辦法積累參數和數據。碳纖維就是這么個細活兒，想湊合湊合對付著來，那是門兒都沒有。
正如中航工業復合材料席專家專家蒲永偉所言：“當前國內的復合材料制造業是一個以經驗和主觀判斷為主要生產手段的粗糙型產業，未來的發展趨勢必然是以理論代替經驗，以客觀計算代替主觀判斷，輔以表征測試手段的發展，終成為理論預測先行、過程規范操作、實時可視監控的現代化產業。”
對照一下我們的進步和不足，看看美國和日本的碳纖維產業實力。什么是深度壟斷，什么是全產業鏈，什么是市場生態，什么是真正的工業強國，列位看官，不妨細細想來。
隊伍和技術談完，就輪到應用了，我們這就回顧一下近年來碳纖維復材在國內的應用，特別是軍用，特別是航空軍用。
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進展：
1 T700：
近5年來，T700級軍用碳纖維材料生產技術逐漸成熟。網載，中復神鷹公司投產的T700生產線是目前上第三個采用干噴濕紡工藝體系的商業化生產線，2014年獲得建筑材料集團有限公司科學技術獎進步類一等獎，具有重要的戰略意義。國產T700已經成功應用于風力葉片、電纜復合芯、壓力容器和交通運輸等新興工業領域，并初步用于某航空機型和某航天設備。
2 T800：
從多個渠道獲得的信息都表明，繼2012年25噸級T800生產線竣工投運后，條千噸級T800生產線于2014年3月在江蘇鎮江新區奠基。江蘇航科投資6億元，預計2016年投入生產。截至2014年底，航科先后申請發明和實用新型80余個，制定碳纖維生產流程測試規范42項，環保節能措施使產品成本降低30%，產品性能離散型低于5%。江蘇航科T800級材料已具備系列化高性能碳纖維制備技術和低成本化能力，碳纖維生產原材料和主要設備幾乎100%來自國內。
3 T1000和更高：
江蘇航科預計在2020年，將建成千噸級T1000碳纖維生產線和百噸級MJ系列高強度高模量碳纖維生產線。并開展T1200和M70J等更高性能纖維以及專用復合材料的研制及產業化工作。
點評：
先說上文中談到的T700。
其實就是國內中復神鷹的產品代號SYT45，是按照國標GQ45生產的聚丙烯腈基碳纖維PAN。公開材料上說，SYT45抗拉強度達到4.5GPa以上，模量達240GPa。與日本東麗的產品相比（抗拉強度4.9GPa）有10%左右的差距。2014年中復神鷹已經有了SYT49/SYT50，抗拉強度分別達到4.9GPa/5.0GPa。算是能和東麗一拼，但時間上的差距可就大了。
圖1 中復神鷹T300級SYT-45 PAN原絲
與成品相比，其實更值得我們關注的是報道中“干噴濕紡“這四個字。因為過去國內碳纖維生產常用的是濕法紡絲。而干噴濕紡（又稱干濕法紡絲），意思是，紡絲液經過噴絲孔噴出后，先經過一段空氣層，專業術語叫”干段”（所以這種方法才叫“干噴”），再進入凝固浴進行擴散、相分離和形成絲條的紡絲方法。
與濕法紡絲相比，干濕法紡絲的優點在于：
1 可以進行高倍的噴絲頭拉伸，因此紡絲速度高；
2 可在空氣層中形成一層致密的薄層，阻止碳纖維大孔洞的形成。這樣得到的纖維，結構均勻，皮芯層差異小，強度和彈性好，截面結構近似圓形，纖維表面光滑。紡出的纖維致密性好，體密度較高，纖維內部缺陷少。
因此，干噴濕紡是高性能PAN碳纖維原絲生產的國際先進技術。該技術此前一直被日方東麗和東邦壟斷。國內一直到2013年11月才初步試運行成功，所以報道中說是“第三家”。
中復神鷹的這套濕紡法系統，包括適用于干噴濕紡的均質化聚合系統、低擾度空氣層纖維成型系統以及高速高倍蒸汽牽伸系統。項目自主開發設計了快速換熱的全混式60立方米聚合釜、干噴濕紡纖維成型裝備、蒸汽牽伸裝備、全套碳化關鍵裝備以及高效溶劑回收和廢氣處理系統。全系統2008年開始研發，2012年投入試生產，2013年11月通過級鑒定。后面就要看產品質量穩定度和工程應用的情況了，咱們拭目以待。
再說T800。
技術主導的T800生產線終于開工了。不過需要指出，這個項目已經拖延數次，后來計劃2015年投產，現在看來也有一定困難。難是正常的，有實質性進展就好。需要再次強調，2012年航科的25噸級的實驗室小規模生產不代表完全掌握碳纖維核心技術，大規模生產的原料、輔料、工藝、設備都能國產化，且質量穩定可靠，成本市場接受，才是T800真正的成功標志
后說一下T1000和MJ系列更高級別的產品。
在高性能PAN碳纖維原絲上，目前仍然處于“跟蹤研發”的狀態。從航科這些年的迭代研發步驟看：2012年出25噸T800，2016年（預計）出1000噸級T800，2020年千噸級T1000的目標能否實現，要看2017年前后是否能出25-100噸級的T1000小規模生產線?；炯夹g和產品性能確定了，后面的目標就會更加明確。個人以為，晚到2018年如果都達不到預生產目標，2020年T1000大規模投產就不靠譜了。
從總體形勢看，手拿把掐的倒是T800。再有三五年，T800滿大街都是的局面估計是跑不了的。但從外界的橫向對比情況看，形勢依然不容樂觀。
先，日本東麗在T1100碳纖維生產上已經獲得進展：東麗利用碳化技術，在納米尺度上精確控制纖維結構，與其現有的應用于航空航天中的碳纖維產品如TORAYCA T1000G 和T800S相比，新型的TORAYCA T1100G性能得到了顯著提高。利用納米技術，東麗還開發出基體樹脂技術，該技術可以提高預浸料的抗拉強度和抗沖擊性。這項技術將被納入TORAYCA T1100G碳纖維中。
看到沒？在我們T800接近成熟的時刻，對方T1100G也正在逐步成熟，這中間可差著2代啊。
再有，就是MJ碳纖維。
T系列碳纖維有一個特點，就是強度高，而模量相對不足，這一點就是T1200也是一樣。實際上，1970年代開始，東麗公司的PAN碳纖維就有高強度系列產品（即我們熟悉的T系列），和高模量系列產品（即M系列，國內也有）兩個序列。行業內曾長期認為，同時實現碳纖維的高強度和高模量在技術上是難以實現的，好比魚與熊掌、不可兼得的意思。
但是，MJ系列碳纖維的出現，讓這個禁錮松動了。
這次又是日本東麗，創新研發出兼具高強型和高模型的MJ系列碳纖維，使其兼備高強度和高模量，綜合性能提升較大。MJ系列產品包括M40J,M55J,M60J。中科院山西煤化所和中科院研究生院的研究表明，MJ產品大特點就是纖維表面都有溝槽，這與上面談到的干噴濕紡產品的平滑表面形成鮮明對比。
表1：東麗MJ系列產品性能表
我們在進步，人家也沒閑著。
因此，碳纖維原絲行業保持航向，目標東麗，不變！
二碳纖維復材生產技術的進展
自動鋪疊技術
《原文》
手工鋪疊自動化：航空用先進復合材料構件大部分仍在使用手工鋪疊，預浸料自動下料機和激光投影儀兩種關鍵設備大多需要進口。而且對于大型構件，依然難以保證鋪疊質量和速度。自動鋪帶機：正在起步研究的階段。北京航空制造工程研究所研制的6m×20m 大型自動鋪帶機，開始在新型飛機的復材構件研制中得到實驗性的應用。
國內自動鋪絲機：尚未見到有國產化設備投入應用的報道。
進展：
中航工業制造所于2006年組建技術團隊，致力于復合材料自動化鋪放的工程化應用，通過近十年來的扎實研究，已經獲得較大進展。國內成飛也在相關技術研發和工程化應用方面獲得扎實成績。
1自動鋪帶機：
中航復材完成了國產預浸帶制備、鋪帶工藝等系列研究與相關工程化應用驗證，已將自動鋪帶用于新型飛機的機翼復合材料壁板；針對民機尾翼、機翼等課題需求，完成了尾翼平尾蒙皮、機翼蒙皮的系列研究與驗證試驗。在中航復材的廠區高跨凈化間內，國內先進的大型自動鋪帶設備——1臺30米×6.5米鋪帶機，具備了32絲束鋪放能力，可實現大型復合材料構件的鋪放。
航空新聞網報道，成飛“大型復合材料整體壁板精確制造技術研究”科技成果與2014年一次性通過了成果鑒定。
一、次在裝配飛機機翼壁板上采用復合材料自動鋪帶技術，解決了大型復合材料整體壁板精確制造的技術關鍵，制定了自動鋪帶的工藝規范標準；
二、開發了基于激光投影技術的自動鋪帶在線檢測技術，實現了自動鋪帶尺寸、角度、輪廓快速精確檢測，申請了發明；
三是提出了基于數字化技術的帽形加筋壁板R區精確填充方法，研制了專用轉角R區填充物成型工裝，實現了帽型結構的一步成型制造；
四、建立了復合材料加筋壁板變形控制理論模型和筋條漂移模型，實現了對帽形加筋壁板的變形和漂移的有效控制。
成飛項目已申請4項發明，并已成功應用于機翼復合材料大型整體壁板的制造中，產品質量穩定、可靠。四川省科學技術鑒定委員會認為：該項目總體技術國內，達到國際先進水平。
2自動鋪絲機：
與自動鋪帶機類似，國內先進的1臺30米×6.5米鋪絲機也裝備了中航復材，正結合某民機（推測為ARJ21/C919）課題，開展自動鋪絲技術的研究和工程驗證。
點評：
從消息看，國內自動鋪疊技術取得了重大進展，說明這一短板正在被迅速彌補當中。要知道，即使有激光投影儀，人工鋪放的精度一般也就是3mm左右。而自動鋪放使用自動鋪層技術，鋪放、滾壓等制造工藝過程都是由程序自動控制，重復性與一致性好，質量穩定。其鋪放精度一般可達1.2～1.5mm之內，高精度甚至可以達到可達0.76mm以內，是人工鋪放的4倍?，F在鋪帶機完成了工程化應用驗證，鋪絲機也開始了這一進程，非常令人欣喜。這是其一。
從設備上看，中航工業在國內的碳纖維復材自動鋪放鋪疊領域，絕對是把交椅。兩臺30米大機就不說了，就是那三個手工鋪疊、功能結構鋪疊和液體成型纖維預形體制備三個獨立凈化間里的下料機、激光投影儀、大型縫合機、纖維預形體制備機等高大上制造設備，也足以讓其他同行眼饞啊。這是其二。
整體成型技術
在碳纖維復材的整體成型技術方面，中航復材依然處于國內同行業的地位。針對梁、壁板結構，開發了梁成型技術、長桁成型技術、加筋（單向、縱橫向）壁板成型技術；針對盒段整體化結構，開發了基于π接頭的整體成型技術、縱墻與下蒙皮整體成型技術、縱墻與上下蒙皮整體制造技術；針對舵面結構，開發了全高度蜂窩整體成型技術和U單元壁板成型技術；針對透波結構，開發了透波夾芯結構整體成型技術；針對發動機外涵道結構，開發了聚酰亞胺高溫復合材料成型技術；針對復合材料結構的裝配需求，開發了舵面、垂尾、平尾、艙門、機翼和翼等復合材料部件的裝配技術
在成型設備方面，中航復材廠房內容的熱壓罐區，擁有9臺先進熱壓罐設備。其中那臺直徑7米長30米超大熱壓罐，具備30米長筒型和壁板型、盒段型構件的整體成型制造能力。在技術儲備上，中航復材已配合設計研制了多個型號的翼面/機身加筋壁板、多墻整體化壁板/盒段、全高度蜂窩整體舵面，實現了小批或批量生產，在部分相關關鍵技術上已經達到先進水平。
圖2：中航復材的復合材料機體（航空報）
圖3：中航復材的C系列復合材料尾椎壁板（航空報）
圖4：中航復材的復合材料槳葉壓力機（航空報）
圖5：中航復材的直8機復合材料槳葉（航空報）
點評：
中航復材在大型熱壓罐設備上的成績和其他整體成型技術的進展，標志著預浸料-熱壓罐為核心的碳纖維復材生產關鍵技術獲得了重大突破。那臺7X30米的大罐，已經可以分段實現中小型運輸機的機體整體成型，和美帝的12米直徑罐有差距，但也已屬難能可貴的進步。全部9臺大罐小罐，形成了系列化的熱壓罐工藝設備，為復材整體成型的核心工藝打下了良好的硬件基礎。
但是…..呵呵，兵器迷就是這樣，但是后面做文章。
我們也應該看到，預浸料-熱壓罐技術有著一個固有的缺點。
這個缺陷就是成本高昂。
不但制造成本高，使用和維護成本更是高得驚人。比如美國NASA為固化一個直徑10米的太空發射載具桶形復合材料結構，曾建造了一座直徑12米，長24米的熱壓罐，直接制造成本就是4000萬美元。安裝及后續操作、維持經費則高達6000萬美元。
圖6： 美國NASA的熱壓罐
這樣的開銷，就是美帝也頭疼。況且，航空構件的尺寸多種多樣，而熱壓罐的大小，對構件尺寸是一種制約。
為此，美國發展了真空輔助樹脂轉注成模工藝（Vacuum-assisted Resin Transfer Molding，以下簡稱VaRTM）
其實，嚴格來說，VaRTM工藝并不是新玩意，多年來被廣泛用于大型游艇制造上，就是把干燥的復合材料纖維布疊放在模具內，通過略低于大氣壓的真空壓力，把液態樹脂灌入復合材料纖維疊層間，再低溫固化的一種工藝。由于不需要熱壓爐，零件尺寸也不會被熱壓爐的大小所限制，而且不必使用熱壓罐中所需的耐高溫材料。
有朋友問，這么好的技術，既然早就有了，為啥不早早用在航空復材生產中呢？
這是因為，VaRTM的真空壓力不到1.05kg/cm2，小于熱壓罐7.03kg/cm2，因此無法充分擠壓復合材料纖維布，導致多余的樹脂殘留在疊層間。因此產品制件一般會較厚。航空工業也用VaRTM，但基本都用在次要結構上。在美國空軍研究實驗室下屬的復合材料可負擔性倡議（Composites Affordability Initiative-CAI），1990年代中期曾經研制出不需熱壓罐固化的LTM系列預浸布，但固化后的機械強度不符航空工業界的要求。此事隨后延宕下來，長期沒有進展。
但CAI一直沒有停止努力，到2005年推出MTM-45和CYCOM-5215復材，固化后質量終于可以與熱壓罐媲美。并制造了類似F-35的一體式前機身、機翼、垂直尾翼；類似X-45A的油箱及機翼貫穿結構；類似X-45C的機翼；C-17運輸機的加勁蒙皮主輪艙門，以驗證該工藝做出的結構零件，并終成功用于洛馬的先進復合材料運輸機，從而為VaRTM工藝的工程化應用打開了大門。
因此，中航工業目前在熱壓罐領域的進步，并不意味著可以停止追趕。我們既然能夠做得更好，下一步就是想辦法做得更便宜。而低溫整體成型技術，將是這個目標的又一道艱難關口。
樹脂基預浸料技術
《原文》：
在樹脂基預浸料技術上具有國際先進水平
進展：
中航復材的樹脂預浸料專用生產廠房1.5萬平方米，裝備4套具有國際先進水平大型熱熔預浸機。在技術上，基本掌握第三代高性能復合材料關鍵技術，5228E、9918和AC531等高韌性樹脂復合材料的韌性CAI已達到310MPa以上，達到1990年波音公司制定的高韌性碳纖維環氧預浸料標準(BMS8-276)。
在第三代國產樹脂基材料達標的基礎上，中航復材系統開展了國產碳纖維樹脂基復合材料的工程應用驗證，如：
T300：國產T300級碳纖維增強高韌性環氧樹脂基復合材料，已經成功應用于飛機的垂尾、平尾和機身尾段等結構。
T700：國產T700碳纖維增強雙馬樹脂基復合材料、高韌性環氧樹脂，已成功應用于飛機機翼、機身等主結構。
T800：國產T800級高韌性碳纖維復合材料已經開始了全面性能和制造工藝考核驗證。
此外，《原文》雖然提到碳纖維本身耐熱，但是將其粘結成型的樹脂基體卻很難耐受高溫；比如波音787上普遍使用的環氧樹脂類產品，一般大工作溫度不高于150攝氏度。F22由于存在超聲速巡航需求，飛機外表會長時間與空氣高速摩擦；因此在機翼復合材料上不惜使用韌性更差、更不耐沖擊的雙馬來酰亞胺樹脂基體以獲得260攝氏度的大工作溫度。
中航復材具備使用溫度從280℃到420℃的多種高溫樹脂基復材制件的制造能力，并已在某國產先進發動機上，實現了高溫復合材料結構的定型生產。
點評：
樹脂基材料在碳纖維復材的生產體系中，是我們相對較強的一環。無論是低溫固化（低于80°的固化溫度），還是高溫應用（260°的應用環境），都不含糊。從進度看，已經超前于整體成型技術和自動鋪疊技術的發展，不會給大運、四代等關鍵項目拖后腿。嗯，真讓人放心啊。
以上是《原文》中談到的碳纖維原絲和碳纖維復材技術的發展近況解讀。兵器迷后面要說的，是《原文》中稍做提點，卻未曾仔細描述的另一種關鍵技術。
這是什么技術呢？
一、碳纖維復材的缺陷與碳纖維表征技術的意義
《原文》中，對碳纖維復材的優點做了比較多的介紹，其實碳纖維也有很多固有的缺陷，這一次就結合表征技術來談談這些問題。
先，由于碳纖維復合材料是以層結構為基礎的，而其層間的結合力相對薄弱，所以一旦出現分層的情況，就會對其整體性能造成嚴重破壞。麻煩的是，航空承力級復合材料部件的損傷，大多數發生在維護時的各種碰撞、拆卸過程中。而因此產生的分層缺陷往往出現在復材內部，一開始從外表面是很難發現的。而制件的結構強度卻可能因此大下降接近一半，對安全運營所造成的潛在風險可想而知。
再有，即使碳纖維原料沒問題，加工成碳纖維復合材料時也會遇到難題。因為CFRP是典型的難加工材料。特別是鉆削加工時，在鉆孔出口處，很容易產生分層、毛刺和撕裂等缺陷，對碳纖維復材的成品質量構成潛在威脅。而孔出口缺陷中，撕裂往往比毛邊的尺寸更大。隨著鉆頭的進給速度、進給量、鉆頭直徑和軸向力等因素的增大,撕裂缺陷將變得越發嚴重。
后，用于粘結碳纖維和形成復合材料整體的樹脂基體的韌性比較差。即便碳纖維復材本身沒有問題，其制件之間的粘合也可能因為樹脂基性能下降而導致制件解體。
上面種種問題，都導致復材制件質量下降，成本上升，使用安全性受到嚴重挑戰。所以在《原文》中談到碳纖維復材制件不但生產上獨具特征，在日常維護、測試、修復的經驗、流程與方法，與金屬構件相比，都會發生顛覆性改變。為此，人們需要完全不同于金屬探傷的專門技術，來探測碳纖維復材的內部和表面結構，從而在原料生產-產品成型-設備運營的材料全生命過程中，精確把握其材料特征和力學性能。因此誕生了碳纖維表征技術，即對碳纖維材料的表面結構表征和內部結構表征進行探測、研究和分析的技術。
舉個例子。上面談到的復材加工鉆削出口工藝難題，一直困擾著復材加工行業，導致產品加工后質量達標率偏低。國內某企業正是通過復材表征技術設備的檢測，再結合加工刀具運動的記錄數據，綜合分析終發現了一個特點：就是復材加工時，隨著鉆頭轉速的增大，將使出口撕裂值變小，產品質量得到提升。結合進給速度增大導致撕裂值變大、鉆頭轉速增大導致撕裂值變小這兩個特點，企業經過反復試驗，終將切削速度與進給速度比值控制在3000-4000以下，有效地減小了撕裂值，保證了復材產品加工質量。
既然表征技術這么重要，那么它都包括哪些具體的技術手段呢？
二、碳纖維表征技術概述
內部結構表征技術：
以X-射線衍射、電子衍射、隧道掃描顯微鏡等設備為基礎。
其中，X-射線（廣角、小角）衍射研究，可以獲得碳纖維的取向度、微晶尺寸、石墨化度等重要信息。其數據統計意義上的，對研究材料基本性能
具有很高的價值，但難以確切反映碳纖維內部結構的局部特征。
電子衍射，是通過透射電子顯微鏡獲得碳纖維材料的取向角、層間距、微晶尺寸，發現其內部各種缺陷。其數據是微米級別的，對碳纖維無損探傷具有重要意義。
隧道掃描顯微鏡、原子力顯微鏡則可以獲得納米級或原子級的信息，使得人們對碳纖維復材的微觀結構認識達到了一個更深入的層次。
表面結構表征技術：
主要依靠X光電子能譜。它可以定性、定量分析碳纖維表面元素和其存在狀態。因為物理學發現，當固定激發源能量時，X光形成的光電子的能量僅與物質表面元素的種類和所電離激發的原子規定有關。因此，就可以根據冠電子的結合能定型分析碳纖維表面的元素種類。X光電子能譜就可以定性、定量分析碳纖維表面存在的元素和狀態。
三、碳纖維復材表征技術的應用
碳纖維復合材料的表征技術，主要應用在三個方面：
1 生產環節的表征測量，用于監控生產質量和優化生產工藝
2 檢測環節的表征測量，用于檢驗產品質量和分析產品性能
3 使用環節的表征測量，用于監控設備壽命和確保安全運行
國內方面的應用進展如下：
中航復材：材料表征技術方面先進技術主要有：復合材料成分微結構及理化表征技術、復合材料使用性能測試表征技術、復合材料無損檢測與評估技術、復合材料服役環境結構模擬分析技術。自行開發了7.5米X6米多通道檢測儀，其FJ系列窄脈沖換能器以其優異的聲學性能，解決了復合材料無盲區檢測的需求，達到了同類產品水平。
中航復材：自行開發了多型號便攜式超聲設備，滿足復合材料結構外場服務的需求。。
在十五期間國產T300級碳纖維成熟產品。哈工大復合材料及結構研究所，就在2007年使用電子掃描顯微鏡、X射線衍射儀、顯微光譜儀、光電子能譜儀等設備，對國產T300級碳纖維GCF，與日本、美國同級產品進行了結構表征與性能比對分析。綜合測量分析的結果，肯定了GCF的微觀結構規整，與T300具有相當的彈性模量，且可與樹脂基提形成較強的界面作用。同時指出缺點是表面微晶尺寸較大，不利于纖維強度的提高。
沈飛公司：建立復合材料構件制造單元技術數據庫，嘗試多元化分析手段，采用數字影像技術監控制造全過程用以建立并追溯構件的全程制造歷程。沈飛公司與大連理工大學等六家單位對復合材料承力結構件制造進行研究，內容囊括了復合材料從原材料到成形、固化、檢測，再到裝配的整個制造過程的基礎研究工作，可以對復合材料結構件的設計形成反饋。
小結
說起碳纖維復材近年來的發展，真可謂可圈可點。
一、碳纖維行業梯隊已經隱約可見。
當前國內的碳纖維企業林林總總，一哄而起全面開花的局面仍然存在。但隨著近年產業推進大浪淘沙，似乎正在發生悄然改變。
原絲領域：
資料顯示，2013年底為止的PAN原絲生產廠家竟然有30多家，建成總產能已經突破2萬噸。人一哄而起、跟風趕潮的架勢，真是驚人。然而大部分產品質量低劣，成本高于國際價格，因此市場需求度不高。2013年國內生產碳纖維不足3000噸，僅發揮了生產能力的1/10，導致大量設備閑置，全行業總體虧損。而同期，我國進口碳纖維及其制品12386.2噸，同比增長了34.5%；進口額達3.83億美元。相當于國內產量的4倍。
反觀國際上規?；腜AN原絲生產廠商，一共才7家，其中僅東麗一家的產能就接近的總和。
不過，在市場的洗禮之下，近年來已經開始出現行業洗牌，龍頭企業初步顯現。江蘇航科的T800、中復神鷹的T700都是大熱。2015年6月，中復神鷹開建年產3500噸碳纖維生產線三條，計劃在3年內完成建設并進入投產，項目總投資達10億元。項目建成后，將形成原絲15000噸/年及碳纖維6000噸/年生產力，是我國大的碳纖維生產基地。
有趣的是，江蘇航科與西光所合作，是中科院背景；中復神鷹隸屬復合材料集團有限公司。有趣的是兩家一個在鎮江，一個在連云港，使得江蘇成為碳纖維原絲的大基地。
北方的吉化也不弱，當年“高性能T300級碳纖維及原絲制備成套技術”是吉化的鎮宅之寶，憑這個獲得石油2009年度科技進步特等獎?，F在碳纖維原絲產能達到5400噸/年，碳纖維產能達到818噸/年。特別是，碳纖維產品規格涵蓋1K至48K不同級別?？催^《原文》的同學，應該明白吉化是以小絲束為主的生產結構，以及這意味著什么。點到為止，呵呵。
航空復材領域：
這與原絲領域科研+地方的合作模式不同，一水兒的隊。中航工業一口氣在哈飛、沈飛、西飛、成飛、昌飛、洪都等多家企業建立了航空復材中心。同屬于中航工業背景的中航復材，落戶北京，頗有后來居上之勢。450人的小單位，一半碩士博士，先進設備眼花繚亂，擁有具完全自主知識產權的復合材料數據庫，和國內多的復合材料樹脂牌號/預浸料牌號。
中心領導誓“為我國的新型軍機和大型民機的研制和定型生產提供堅實保障” 軍民通吃，好大的口氣。復材收入初創時1億多元/年4年翻三番達到2014年的9億多元，成為碳纖維復材生產的大戶——林左鳴也真是護犢子，國字特別是軍字的大訂單基本上被中航復材盡入囊中，當真是肥水不流外人田啊，呵呵。
圖1 中航復材的官方和軍方背景可見一斑
二、原絲領域部分技術工藝獲得突破性進展，但仍有部分產品線空白。
T系列如T800和T700的生產，從十五計劃開始到今天，從原料、設備、工藝、規模上都有實質性的進展。未來需要的是大規模生產、穩定質量和降低成本，并對更高端的產品持續跟蹤研發。說“跟蹤”有點難聽，但。我們在T800打拼的時候，人家在強攻T1100，要承認現實，對吧。何況，國內T800的“高強中模”和“基本高模”工程化還是空白呢。兵器迷看到國內媒體報道說“T800性能超過日本” 這樣的大標題，恨不能個地縫鉆下去——落后不丟人，可明明是落后，卻要擺出已經超越的姿勢，那才丟人呢。
此外，MJ“高模高強”碳纖維的產業化技術也是基本空白?？瞻椎绞裁闯潭饶?？兵器迷搜集到的公開資料甚至都不能肯定MJ的核心工藝是干噴濕紡還是濕法紡絲，只是猜測可能是濕紡。而且這些資料中，對MJ系列的微觀結構鮮有深論。而眾所周知，CFRP的宏觀力學性能正是由于其微觀結構決定的。雖然日方的M60J系列依然因為一些問題尚未完全成熟，但此物在航天級應用絕對是潛力股（衛星、航天器承力結構）。中方如果不加大預研力度，未來將如今天的T系列一般跟著別人后面亦步亦趨，成為又一個潛在的嚴重短板。
三、復材生產領域部分關鍵設備獲得突破性進展，但對先進技術路線的跟進仍需加強
從中航復材的報道看，過去的自動鋪疊設備和熱壓罐關鍵設備獲得了較大的突破，30米鋪帶機和30米熱壓罐都已經投入試生產和型號工藝驗證，過去的大量核心設備空白在急速被填補。而且中航復材的第三代樹脂基材料也保持了很好的發展勢頭。所有這些進步都使得復材生產領域獲得了相當的能力提升。但是在降低成本和工藝復雜度上，比如美帝的真空輔助樹脂轉注成模VaRTM工藝為代表的低溫整體成型方面，還需要盯緊對手的發展動態，加大技術儲備和研發力度。
圖2：美國VaRTM工藝
四、表征技術方興未艾，但依然是復材生產的短板。
在歷經多年的生產質量和成本難關之后，終于開始逐步發展自己的碳纖維表征技術和生產數據庫。各大學材料專業、復材研究機構、生產廠家和終用戶，正在走到一起去研究碳纖維微觀結構與宏觀性能的種種奧秘。中航復材在生產設備之外，配備了色譜儀、紅外光譜儀、DSC和DMA、透射電鏡、掃描電鏡、光學顯微鏡等儀器分析設備，掌握了紅外熱成像、蜂窩激光剪切干涉檢測、超聲三軸無損檢測、超聲機械手檢測等儀器監測技術，并建立了大型超聲C掃描無損檢測設備研制及檢測標準，擁有20個檢測通道，單次檢測范圍7.5米X6米。
趨勢是好的，但需要指出，我們的自主表征技術研發工作大多建立在觀測分析上，但精密觀測儀器卻又大多來自國外。比如碳纖維內部結構表征探測的關鍵設備X射線衍射儀，用的是日本產品（如日本理學公司的D/max-rA），掃描電鏡用的也是日本產品（如日本HITACHI的S-3400/4700）。而碳纖維表面結構表征探測的關鍵設備光譜儀，用的是英國產品（如Renishaw的RM1000）和法國產品（如法國的HR800）。
圖3 日本理學公司的D/max-rA的X射線衍射儀
圖4：日本HITACHI掃描電子顯微鏡
圖5 ：英國Renishaw光譜儀
這就是我們今天的局面：產品和設備這兩塊看得見的短板正在被強力彌補，而檢測分析手段和工藝數據積累這兩個更加隱性的領域卻依然在起步階段。
個人認為，碳纖維領域的大問題不是生產原理，而是工藝細節。而工藝細節的保障，正是來自于表征技術的發達：沒有設備就別想出產品——沒有工藝參數和產品數據積累就是有了設備也無法保證質量和成本——而沒有先進的檢測與分析手段當然也就沒有辦法積累參數和數據。碳纖維就是這么個細活兒，想湊合湊合對付著來，那是門兒都沒有。
正如中航工業復合材料席專家專家蒲永偉所言：“當前國內的復合材料制造業是一個以經驗和主觀判斷為主要生產手段的粗糙型產業，未來的發展趨勢必然是以理論代替經驗，以客觀計算代替主觀判斷，輔以表征測試手段的發展，終成為理論預測先行、過程規范操作、實時可視監控的現代化產業。”
對照一下我們的進步和不足，看看美國和日本的碳纖維產業實力。什么是深度壟斷，什么是全產業鏈，什么是市場生態，什么是真正的工業強國，列位看官，不妨細細想來。
隊伍和技術談完，就輪到應用了，我們這就回顧一下近年來碳纖維復材在國內的應用，特別是軍用，特別是航空軍用。
更多信息請關注復合材料信息網http://www.lzzz.net
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