國產碳纖維復合材料及其在飛行器上應用技術高技術產業化示范工程項目資金申請報告(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 個國家科技發展水平的體現。如果不發展復合材料結構制造技術，將對復合材料的應用產生嚴重的制約作用。目前，我國航空產業的發展進入了一個關鍵時刻。先進性能的飛機、直升機對復合材料及制造技術在航空上的應用提出了很高的要求。在國內航空制造領域，復合材料結構在飛機上的應用正在逐步提高；但是，在主承力結構的工程應用方面還沒有突破性的進展。一些新材料、新工藝和相關的設計方法，特別是低成本制造技術、復合材料數字化制造技術及材料、設計、工藝一體化技術仍處于很低的水平，還沒有形成產業規模。對于國內目前正在研制的一些高性能的飛機和直升機來講，國內的復合材料技術，無法滿足其對機體重量、隱身、質量以及低成本的要求。復合材料技術，特別是復合材料制造技術成為制約我國航空發展的瓶頸問題之一。 是突破我國飛行器產業發展瓶頸的需要在我國，復合材料技術經過近30年的學習引進、自主研究和開發應用，在一定程度上取得了相當大的進步。通過幾個“五年計劃”的預先研究，取得了一批研究成果。但是，我國現階段的技術水平與國外先進國家相比，差距很大：原材料制備能力較低；復合材料制造技術發展比較分散，沒有形成統一的技術發展規劃；研究機構、高等院校、企業單位各自為戰；成果轉化弱，企業沒有成為技術研發的主體。在型號的研制中，有些技術的工程應用研究還要重新走一遍，形成低水平的重復研究。開展國產碳纖維復合材料及其在飛行器上應用技術高技術產業化示范工程項目，有助于凝聚國內整個配套產業的力量，突破技術發展瓶頸，形成產業規模，滿足穩定批量生產的需要，提高我國航空工業的競爭力。通過本項目的研究，可使國產碳纖維復合材料的使用性能滿足飛機部件的要求，指導國產碳纖維高性能化研制和指標體系的科學表征，實現國產碳纖維自主研制與國產碳纖維應用的有機銜接。通過研究碳纖維復合材料工藝技術，建立應用標準，可解決當前國產碳纖維復合材料在飛行器上應用的瓶頸問題，推動航空工業碳纖維復合材料研究和結構制造技術的發展。 產業關聯度分析 促進相關產業的發展國產碳纖維復合材料及其在飛行器上應用技術高技術產業化示范工程項目可以帶動下列行業：金屬生產與加工業（鋁等有色金屬）、化工業（塑料、漆、膠等）機械工業、紡織業、交通業等通過材料和產品的銷售與出口，帶動國產材料及產品擴大國內市場份額，進入國際市場參與世界經濟的競爭。同時生產過程中，將有原材料與器材消耗，也將對其他相關行業（煤碳、電力、原材料、化工等）形成拉動作用。 提高我國國防工業的技術水平通過國產碳纖維復合材料及其在飛行器上應用技術高技術產業化示范工程項目，可以系統地提升我國復合材料的生產能力，設計技術、生產工藝和管理技術，縮短我國碳纖維復合材料生產與應用同西方國家的差距，進一步全面實現與世界先進水平的接軌，提高國家國防工業的技術水平。 促進我國航空航天制造業的產業化發展隨著產業化發展，高新技術應用的成熟，開展與各航空航天院校的密切合作和課題研究，拉動院校的科技理論研究工作，并將理論成果轉化為工程實踐，對促進我國航空制造業的產業化發展，提高我國航空工業的整體水平，帶動國內相關產業的發展將具有十分重要的現實意義。使我國擁有了按國際先進管理要求的工程技術隊伍和管理隊伍，滿足國際先進適航要求的產品驗證隊伍以及建立具有滿足國際ISO9001要求的質量保證體系的能力。 市場分析以國產海豚飛機為例,全機復蓋件70%是復合材料件，已生產架，與法國合作的EC120直升機機體，復合材料用量占重量35%，已生產500多架份，取得了多國適航認可，該機已銷售到世界地。近年來國外軍機，民機中復合材料構件迅速增加，繼B787復合材料構件已達結構重量50%以后，正在開發中的A350其復合材料構件更將達結構重量52%。根據中央有關部門指示精神：大客先進性應相當于B737下一代水平的目標，而且要考慮到飛機出來后當時的國際水平。根據此精神，復合材料構件在大客/大運上都應得到大量采用。我國復合材料在航天飛行器上的應用也發展很快，如長征運載火箭在衛星接口支架、有效載荷支架、井字梁、高蜂窩板、環框及芯桿組件等零部件均采用了碳/環氧復合材料。但是，使用的碳纖維均為進口碳纖維,價格昂貴并受人制約。 與國家高技術產業化總體思路、原則、目標關聯情況本項目以國產碳纖維界面表征與增效設計，預浸料工業化生產、國產碳纖維復合材料構件設計制造技術為主線，旨在突破國產碳纖維復合材料應用的關鍵技術，建立國產碳纖維及其復合材料性能表征與評估、國產碳纖維預浸料制備、大型復合材料構件制備和復合材料檢測等平臺和應用標準，形成國產碳纖維復合材料研發與工程應用的產業鏈，全面提升我國高性能復合材料設計開發制造水平，打破碳纖維材料國際壟斷現狀，促進碳纖維原材料產業、預浸料制備產業、航空復合材料構件制造產業以及相關產業的技術升級和發展，加快技術創新的建設步伐，滿足大飛機研制項目中碳纖維復合材料構件制備，這完全符合國家高技術產業化的指導思想、總體思路和目標要求。2 項目技術基礎 承擔單位技術基礎和能力 哈飛集團技術基礎和能力哈飛集團是目前國內最大的航空復合材料產品生產基地，年產各種飛機/直升機的各種復合材構件2000多個品種，復合材料制品40多噸，產值近4億元。是國防科技工業樹脂復合材料結構制造技術研究應用中心，并即將建立中國空客復合材料制造中心原中國航空工業總公司于1995年下達航空計（1995）957號文確定哈飛集團為“直升機機身樹脂基復合材料構件批生產基地”。經過20多年幾個階段的發展，哈飛集團具備了較好的復合材料制造技術基礎，建立了完整配套的復合材料研發、制造、檢測、實驗技術體系，鍛造了一支熟練掌握應用復合材料相關技術的高素質專業隊伍，掌握了國際先進、配套齊全的標準規范，擁有相當規模的復合材料知識數據庫，其復合材料研發能力及制造技術水平居國內領先地位。哈飛研制了EC1長鷹無人機、H42Z9XX等型號，以及承擔了預研項目和國際合作，已具備了豐富的復合材料工程經驗和較高的科研創新能力。開發了一些國內領先的復合材料產品，如封閉空間扭曲變截面復合材料管梁、整體成型的大展弦比全復合材料機翼、復合材料尾翼、雙曲率復合材料機身蒙皮壁板、全復合材料尾撐管等零部件。將進一步著眼于于大型復合材料構件的研發，通過引進與國際交流不斷提升研發實力。通過自行研制、國際合作項目和批量生產的實踐，哈飛復合材料制造技術居國內領先水平。能夠設計、制造各種形狀復雜的金屬/非金屬工裝；熟練掌握復合材料工裝的設計與制造能力，在復合材料工裝工程應用上處于國內領先水平；研制生產的直升機全復合材料涵道大垂尾、全復合材料尾段、全復合材料主槳葉、高頻高載荷的尾減管、封閉空間扭曲變截面管梁為骨架的前艙罩、共固化成型的整體機翼盒段，全復合材料機翼等零部件均具有國內先進水平；熟練掌握復合材料夾層結構成型、整體共固化成型、軟模成型、模壓成型、結構膠接、真空吸塑成型、槳葉制造、復合材料大部件膠接成型、復合材料模具制造等技術；通過預研項目、數字化生產線等項目，初步形成了復合材料設計－制造一體化的技術基礎。經過各項建設，目前哈飛已建成了國內最大的復合材料廠房，并配備了各類先進的數字化生產設備，如大型熱壓罐、鋪帶機、蜂窩超聲加工、大型復合材料專用加工設備、柔性夾具、大型噴水C掃等。這些基礎設施，已形成了制造大型復合材料零部件的基本能力。 某某工業大學復合材料與結構研究技術基礎和能力某某工業大學復合材料與結構研究所長期從事極端環境下防熱材料和熱結構材料等復合材料的制備，性能檢測與表征、材料與結構的優化設計等方面的研究。多年來在纖維復合材料的研究方面積累了豐富的材料設計、制備、評價等經驗，并取得了大量的成果。擁有“特種環境復合材料技術”國防重點實驗室，以及Instron試驗機、C掃描儀、X射線探測儀、超高溫復合材料力學性能測試設備、多功能快速原型制造系統、樹脂基復合材料制備系統、復合材料固化工藝在線監測系統等復合材料研究專用設備。 某某玻璃鋼研究院技術基礎和能力某某玻璃鋼研究院是我國最早從事樹脂基復合材料研究的專業機構之一，是國家樹脂基復合材料工程技術研究中心的依托單位。某某玻璃鋼研究院在纖維纏繞技術、拉擠技術、先進復合材料及其制備技術、熱塑性復合材料成型技術、熱固性熱熔預浸技術等方面處于國內領先地位。其配套產品涉及航天、航空、船舶、兵器、核工業等多個領域。擁有先進工藝設備和試驗儀器近300臺，其中包括多臺數控纖維纏繞機、熱熔預浸機組及其配套設備、數字控制張力器、固化爐、MagnaIR550傅立葉變換紅外掃描儀、DSC差示量熱掃描儀、Instron萬能試驗機、多通道靜態應變儀、多通道Vision動態應變儀、大型Anasys有限元計算軟件、35MPa高壓氣泵站、三坐標測量儀、高壓水泵等工藝和試驗裝備，可為本項目研究提供良好的工藝和試驗手段。哈玻院在長期的復合材料研究和生產中積累了豐富的實踐經驗，鍛煉出一支成熟穩定的專業隊伍，具備了承擔本項目研究工作良好的基礎和條件。 北京航空材料研究院技術基礎和能力北京航空材料研究院（621所）在復合材料領域的基礎研究、高性能材料體系研制和應用、先進制造技術、結構功能一體化技術、數字化模擬與仿真、復合材料配套技術等方面具有國內領先的技術實力。表5 621所現有設備、設施表序號單位621所1廠房面積12000 m22凈化面積1500 m23熱壓罐。(,400℃)。φ3x6m。φ5x17m4下料設備Lectra和格伯自動下料設備共2臺5鋪層投影設備激光投影系統（1套）6縫編設備德國產三軸編織設備（144+72紗）7RTM設備RTM注射機（英國）高溫注射機8無損檢測設備超聲C掃描設備。超聲A掃描設備。X射線設備等9無損檢測儀器傅立葉變換紅外和拉曼光譜儀、X射線能譜儀、電子顯微鏡，熱分析、流變分析儀，色譜等10預浸設備30厘米熱熔預浸機、120厘米熱熔預浸機、絲束和織物濕法預浸機11蜂窩生產設備蜂窩涂膠機。蜂窩片切機12壓機TMP液壓真空壓機多臺13修補儀復合材料修補儀14軟件ANSYS ,SYSPLY ,LSDYNA,PANMRTM,PAMFORM,FiberSIM北京航空材料研究院已經建立了從無損檢測、密封防護到結構修理的較為全面的綜合配套技術。 取得的成果及知識產權情況通過型號研制、國際合作、預研/科研等工作，哈飛集團等單位在碳纖維復合材料界面機理研究、預浸料生產工藝、復合材料在飛行器上的應用等領域取得了豐碩的具有自主知識產權的研究成果，為推動我國復合材料技術進步奠定了堅實的技術基礎。項目獲得的經驗和掌握的技術如下：(1) 建立了復合材料數據庫和較完善的復合材料設計數據體系。(2) 初步建立了復合材料構件典型結構參數化設計知識庫，形成了哈飛集團自己的標準規范體系。(3) 共固化結構設計工藝一體化的鋪層設計技術(4) 復合材料分析與優化設計技術(5) 復合材料連接設計技術(6) 復合材料穩定性分析技術(7) 二維編織物復合材料沖擊損傷性能(8) 共固化結構成型工藝及工裝設計技術(9) 積木式試驗驗證技術(10) 雙曲率復合材料構件變形控制技術(11) 無損檢測技術(12) 全復合材料機翼的設計和制造，應用了多項先進設計與制造技術。(13) 采用了整體化設計技術，取得了很好的成果，該技術成果具有國內創新性，國際先進性。大面積整體共固化工藝制造技術、超長大尺寸部件的成型變形控制技術(14) 將復合材料應用技術由次承力結構應用提高到主承力結構應用，大幅提升了復合材料技術水平。(15) 復合材料蜂窩夾層與層板混合結構共固化成型工藝獲得突破，解決了成型工藝的難點問題，復合材料大部件共固化成型工藝與制造實現了突破性飛躍，對今后的飛機結構設計具有重大的意義，經濟應用前景廣闊。(16) 研制成功國內首件直升機全復合材料機身主承力結構，填補了國內空白，達到了國內領先，國際先進水平。(17) 大尺寸復雜型面部件的成型變形控制技術取得突破，整體共固化機身尾段無翹曲變形，變形小于2mm，在國內該項技術處于領先地位。(18) Y11B、Y12型飛機和H42H4Z9A型直升機取得了中國適航當局CAAC型號證書，尤其Y12型飛機還取得了美國適航當局FAA、英國適航當局CAA的型號證書。(19) 大尺寸超薄金屬內襯復合材料貯箱現已通過用戶單位的現場技術驗收，已交付2套合格貯箱產品，并申請復合材料壓力容器相關發明專利3項，其中授權兩項。 已完成的研究開發工作及突破的關鍵技術 哈飛集團哈飛集團已成功開發了一些處于國內領先技術的復合材料產品，如封閉空間扭曲變截面復合材料管梁、大展弦比整體成型的全復合材料機翼、復合材料尾翼、雙曲率復合材料機身蒙皮壁板、全復合材料尾撐管等零部件。“十五”預研項目“復合材料機身主承力結構”采用整體化設計思想，運用了設計/工藝/制造一體化技術，采取大規模整體共固化設計制造方法，突破6項關鍵技術：共固化工藝成型技術；復合材料優化技術；復合材料設計許用值；沖擊損傷研究；無損檢測技術；復合材料連接技術。達到減少零件和工裝數量、降低成本的目的。“復合材料數字化生產線”預研項目①有效縮短了型號研制周期。比原來縮短43%，有效地支持新型號飛機加速發展的需要和型號研制任務的順利完成。②降低研制成本。制造成本比原來節約20%。③提高設計質量，減少制造過程反復，減少人為差錯90%以上。減少重新設計和工程更改，減少返工和廢品，減少缺陷和產品的故障率。④優化設計制造管理過程。提高公司整體管理效率，減少管理層次和環節、降低管理成本；能夠有效地保證知識、技能的不斷積累和利用，減少資源的浪費；強化各部門的協調能力，減少技術決策風險，降低技術協調成本。 某某工業大學復合材料與結構研究所某某工業大學復合材料與結構研究所在十五期間，承擔了多項國防“973”和“863”重點項目，完成的“國產碳纖維在高速飛行器上的應用”軍民結合863項目研究工作及取得的成果為本項目開展奠定了堅實基礎。在十五期間，承