師老與國產碳纖維的航空應用
作者簡介：章怡寧，1939年出生，航空工業集團公司沈陽飛機設計研究所副總設計師，長期從事飛機結構設計及復合材料研究，在創建某型號材料國產化、推動國產碳纖維復合材料應用方面做出重大貢獻。
朱珊，1949年出生，航空工業集團公司沈陽飛機設計研究所飛機結構設計主任工程師，長期從事復合材料結構與膠接結構設計。近年來，從事國產碳纖維性能評定及其在航空上的應用。
紀念師昌緒系列文章之三
師老與國產碳纖維的航空應用
章怡寧 朱珊
章怡寧 朱珊
在總裝、空裝和中航工業公司領導下，由中航工業沈陽所牽頭，聯合沈飛、制造所、航材院、強度所，拓展纖維公司、北京航空航天大學、復旦大學、中科院化學所等九個單位,組成了跨領域、多學科交叉的產學研聯合攻關團隊，歷經5年半，圓滿完成了國產碳纖維航空應用技術研究和工程化驗證工作。通過國產碳纖維性能評定、國產碳纖維及其復合材料體系等同性評定、國產碳纖維復合材料結構元件/典型件/組合件/全尺寸部件的試驗驗證，充分表明國產碳纖維性能已達到國外同類產品水平，并替代T300碳纖維，在多個航空裝備上進行了應用，實現了高性能碳纖維的自主保障。
五年多來，師老一直密切關注國產高性能碳纖維的生產與產品質量穩定、支持國產耐熱上漿劑的研發、關注國產高性能碳纖維應用驗證的進展以及裝機應用。
2011年6月21日，師老(前排右2)、李明院士(前排右3)和甘曉華院士(前排右1)參加“國產碳纖維應用研究和工程化驗證”項目鑒定審查會，師老任審查組副組長
一
碳纖維復合材料具有比強度高、比剛度高、鋪層可設計性、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、尺寸穩定性好以及便于大面積整體成形等特點，在航空領域得到廣泛應用，成為飛機機體四大結構材料之一(鋁合金、鈦合金、合金鋼與復合材料)。多年來，日本等西方一直對高性能碳纖維產品的出口進行限制，并對高性能碳纖維技術進行嚴密的技術封鎖。雖然國內多次組織攻關，但由于高性能碳纖維技術難度大，久攻不克，產品始終不能自給,全部依賴非正常渠道進口，導致航空用碳纖維陷入受制于人的被動局面。
2000年，師老了解到國產碳纖維尚未過關，以他前瞻性的戰略眼光，認為碳纖維是航空航天裝備不可或缺的關鍵材料，如果這個問題不解決，會嚴重影響國防建設，是我國材料科學工作者的恥辱。“十五”期間，師老敏銳地把握了時機，與有關專家共同呼吁，促成了863計劃“高性能碳纖維關鍵技術專題”的設立，以實現批量生產高性能碳纖維為目的，自力更生發展我國的碳纖維事業。通過“隨機取樣、統一測試、數據公開、優勝劣汰”，積極支持碳纖維性能穩定、且形成批量生產的民企-威海拓展公司進入國防關鍵材料系統。
經過5年的奮力攻關，863計劃專題突破了高性能碳纖維技術關鍵，纖維性能達到了指標要求，并實現了碳纖維小規模穩定生產，為國產碳纖維的產業化生產奠定了扎實基礎。因此，當2006年碳纖維供貨危機來臨之際，我們為解決國內航空裝備用高性能碳纖維進行調研時，師老推薦了威海拓展公司，從而保證了國產高性能碳纖維航空應用技術研究和工程化驗證以及裝機應用的進行，為國產碳纖維自主保障能力建設奠定了基礎。
目前，國產高強型碳纖維已替代T300碳纖維，在多個航空裝備上得到應用;高強型碳纖維也實現了中試規模生產，正在進行應用驗證;高強中模型碳纖維技術關鍵已突破，正在進行性能評定。
2011年12月27日，師老(前排右3)、甘曉華院士(前排右1)和總裝科技委張耀(前排右2)參加國產高性能碳纖維項目科技成果鑒定會，師老任鑒定委員會主任
二
作為材料科學界的泰斗和兩院院士，師老根據新材料研發和航空應用的經驗體會，一再強調要重視國產碳纖維在航空裝備上的應用研究，要根據實際應用的需求，合理提出產品性能指標，不要盲目追求高指標。只有通過應用發現問題，不斷改進，逐步提高和穩定質量。
遵照師老的教誨，我們根據航空型號的使用特點，創建了考核評定國產碳纖維性能的指標體系，分別從纖維、預浸料和復合材料三個層面對碳纖維性能、特別是纖維的界面特性和工藝性能進行全面考核。實踐表明，我們合理提出的指標體系對于控制纖維產品質量、加快其應用進程、降低研制風險起到了十分重要的作用。在此基礎上，編制了三項集團公司標準，分別規范了航空用碳纖維及其織物鑒定、航空用碳纖維預浸料鑒定和航空用樹脂基碳纖維復合材料等同性評定的程序。
我們制定了循序漸進的應用研究技術方案，先開展并通過國產碳纖維及其復合材料體系的性能評定，然后進行并通過結構元件/典型件/組合件/全尺寸部件的驗證試驗，轉入批量裝機應用考核。在國產碳纖維及其復合材料體系的等同性評定以及驗證試驗過程中，發現了諸如碳纖維工藝適應性差(斷絲與起毛現象多、纖維展開性差)、耐濕熱性能低、纖維力學性能指標不匹配、上漿劑耐熱性能低、離散性大等問題。通過問題反饋、分析研究、組織攻關，及時解決了問題，使國產碳纖維的性能不斷改善、產品質量和批產穩定性逐步提升?，F今，國產碳纖維拉伸強度的離散系數(Cv)已由初期的8%降低到5%以下，拉伸模量的離散系數也由初期的5%降低到3%以下，達到國外同級產品水平，保證了航空應用的安全性和可靠性。
2008年12月15日，師老(前排右2)與李明院士(前排右3)參加“國產碳纖維應用研究和工程化驗證”項目裝機評審會，師老任評審組副組長
三
師老是高溫合金材料的大師，一直從事金屬材料研究，年屆80歲時才涉及有機高分子材料領域的碳纖維專業知識，仍然虛心學習。給我們后輩留下了深刻影響。
上漿劑是碳纖維碳化過程中表面處理后在其表面涂覆的有機高分子材料，對碳纖維起粘合(集束纖維，改善工藝性)、潤滑(降低摩擦，減少纖維損傷)、潤濕(利于樹脂浸漬)和偶聯(改善纖維與樹脂的界面特性)等作用。上漿劑的熱分解溫度應與樹脂的固化溫度相匹配，否則影響復合材料的耐濕熱性能和制件質量。通過驗證試驗，我們對上漿劑的作用有了新的認知。提出了研制耐高溫上漿劑的建議，雖然業內對此有些不同的看法，但師老認真聽取了我們的分析后表示認同和支持，并關注上漿劑的研制進展和應用情況。
2010年11月4日，師老(前排右2)與李明院士(前排右3)參加“N-106耐熱上漿劑材料研制及裝機評審會”，師老任評審組組長
聯合攻關團隊的精誠合作，通過多輪次配方改進、碳纖維生產線上涂覆工藝試驗、預浸料制備工藝適應性試驗、復合材料關鍵性能評定和結構件試驗驗證，在不到兩年時間內，完成了耐高溫上漿劑的研制和驗證。2010年11月4日，中航工業科技與信息化部在北京主持召開了“N-106耐熱上漿劑材料研制及裝機評審會”，師老參加并擔任評審組組長。該上漿劑現已批量應用。
回往事，國產高性能碳纖維自主保障能力的實現以及在航空裝備上的應用，與師老對高性能碳纖維研發和應用高瞻遠矚的推動、堅定不懈的支持作用是分不開的。在與師老的接觸中，我們深深感受到了老一輩科學家一心為、為事業的奉獻精神，嚴謹求實的科學態度，不計較個人得失的的崇高品德，永遠值得我們敬仰和學習。
師老參加的國產碳纖維項目相關會議
1. 2006年3月23日，師老參加了由國產碳纖維工程化聯合工作組在北京主持召開的“國產碳纖維及其復合材料輪性能測試結果評審會”，并擔任評審組組長。
2. 2006年12月28日，師老參加了由一航科技發展部在北京主持召開的“國產碳纖維應用研究及工程化驗證項目轉階段評審會”，并擔任評審組組長。
3. 2008年3月7日，師老參加了由空裝科研訂貨部和一航科技發展部在北京聯合組織召開的“國產碳纖維應用研究和工程化驗證”項目轉入使用考核階段評審會，并擔任評審組組長。
4. 2008年12月15日，師老參加了由中航工業科技與信息化部在北京主持召開的“國產碳纖維應用研究和工程化驗證”專項裝機評審會，并擔任評審組副組長。
5. 2010年11月4日，師老參加了由中航工業科技與信息化部在北京主持召開的“N-106耐熱上漿劑材料研制及裝機評審會”，并擔任評審組組長。
6．2011年6月21日，師老參加了由空裝科訂部和中航工業科技與信息化部在北京聯合主持召開的“國產碳纖維應用研究和工程化驗證”項目鑒定審查會，并擔任審查組副組長。
7. 2011年12月27日，師老參加了由國防科工局在北京主持召開的“國產碳纖維項目科技成果鑒定會”，并擔任鑒定委員會主任。
本文原載于《師昌緒院士戰略思維與實踐足跡》。
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