碳化硅纖維

    碳化硅（SiC）纖維是一種新型的高精尖材料，上世紀60年代初，日本開始研發這種材料，大約10年后日本科學家矢島首次制得這種纖維。目前，可商業化生產這種材料的只有日本宇部興產公司和日本碳精電極公司，美國通用電氣公司（GE）從日本進口的這類材料制造新一代的最新型發動機GEGX的主要零部件。還用這種纖維增強的塑料基復合材料（CFRP）制造飛機機體的主翼和機身結構件，過去這類構件是用2XXX系及7XXX系高強度鋁合金制造的。歐洲空客公司（Air Bus）和美國波音飛機公司（Boing）的最新款大中型客機的機體已有超過50%的結構件用的CFRP，而其中的70%以上是日本生產的。

    當下，多數航空發動機葉片是用鎳基高溫合金生產的，鎳的密度高，為9.0g/cm3，鎳基高溫合金的密度大都在9.0g/cm3以上，比碳化硅纖維的大得多，同時它的高溫性能也遠不如SiC。鎳基高溫合金葉片在工作時必須以空氣冷卻，否則，就不能正常工作，使用SiC纖維增強的復合材料葉片就不存在此類問題，可長期正常使用，而且在保證發動機安全方面起著至關重要作用。發動機葉片復合材料不是鋁基的，而是以SiC增強的陶瓷基材料，美國通用發動機公司已用這種材料制造最新型發動機GE9X的零部件。波音飛機公司將用這款發動機裝備下一代大型客機777X。

    SiC是一種低密度的高溫材料，日本企業可生產直徑8μm~140μm的纖維，它們的密度為2.14g/cm3~3.1g/cm3，抗拉強度Rm為2.3GN/m2~3.5GN/m2，正彈性模量E=20GN/m2~400GN/m2。用SiC纖維的陶瓷基復合材料的密度當在3.5g/cm3左右或更低一些。

    國際民航組織（ICAO）制定的2021年后國際航線飛機不得增加排量等規定，使得降低航空器油耗成為迫在眉捷的當務之急，因此采用復合材料制造飛機結構和發動機零部件是必由之路。長期以來，采用鎳基高溫合金制造的渦輪葉片等四種零件若改用SiC纖維增強的陶瓷基復合材料制造，用鋁基或塑料基復合材料制造某些結構件，以及在飛機整體設計方面作一些調整，GE9X的耗油量就可以輕松地下降約10%。

    中國怎么辦

    據波音飛機公司的預測，2035年也就是20年后，全世界對國際航線客機需求量可達3.83萬架，比全球2015年擁有的總和2.13萬架多80%，民航大客機進入了穩定的高速發展期，平均約2000架/年，如果每架裝備4臺發動機，那么每年對發動機的需求就高達4000臺。在此背景下，日本的兩家碳化硅纖維企業決定大幅度提高產量，以滿足日益提高的市場需求。

    宇部興產公司在山口縣宇部市有一個碳化纖維中間試驗廠，生產能力10噸/年，該公司2016年8月決定投資五六十億日元，將中間試驗廠提升為世界最大的碳化硅纖維廠之一，生產能力在2025年以前上升到200噸/年，為現有產能的20倍，實現年平均銷售額50億日元，平均售價0.25億日元/噸。

    碳精電極公司的碳化硅纖維廠位于富山市，原有生產能力僅1噸/年，2015年進行了大規模擴建，2016年10月完成，工廠總產能躍升至10噸/年。另外，該公司還將參股通用電氣公司計劃建設碳化纖維項目，此項目可于2019年在美國建設，生產能力大于100噸/年。

    中國現在需要的客機與軍機發動機都是從美國、英國、法國與俄羅斯等進口的，中國已進入航空航天器持續高速發展期，并于2016年組建了中國航空發動機集團，再過幾年，國產發動機就可以裝上國產大飛機，但是制造發動機用的高溫復合材料還不能生產，同時這些材料不是一兩年就生產出來的，是一類真正的高精尖材料，必須有很強大的研發能力與成套的精細裝備。中國鋁工業必須為航空發動機提供充足的高端葉片復合材料，在航空航天復合材料中，此種材料的生產難度最大，技術含量最高。希望以航空航天器鋁材為主導產品之一的企業如中鋁公司、魏橋鋁電公司、南山集團、中國忠旺控股有限公事等組建復合材料研究所，并將碳化硅纖維作為頭號產品，力爭2020年前能批量生產葉片碳化硅纖維增強的陶瓷基復合材料。

    制造渦輪葉片還需要耐高溫、耐磨、耐腐蝕的鈦合金、鋯合金、鉿合金，但是鋯、鉿屬共生于礦物，從鋯礦石中分離與提取純鋯與鉿是一個世界性技術難題。可是這一難題被上海哈峰新材料科技有限公司董事長、哈峰新材料科技江蘇有限公司朱興峰解決了，并于2013年12月12日以自己的名義申報了一項在航空發動機領域具有創新革命性意義的新技術專利——“氧化鋯/氧化鉿混合物的火法分離方法”，于2015年10月28日獲得國家發明專利證書。

    現在他正在江蘇啟東呂四港建一個世界最大的鋯鉿生產基地，占地227萬m2，總投資100億元，首期投資20億元，生產能力20萬噸/年核級鋯、3000噸/年核級鉿，而全球鉿2015年的生產能力還不到300噸/年。

    中國大圓航空發動機制造強國夢指日可待了！

    南京理工大海陸空材料評價與設計教育部工程研究中心陳光教授團隊在新型航空航天發動機葉片材料TiAl合金方面于2015年取得重大跨越性突破，所制備的PST TiAl單晶室溫抗拉強度Rm=978N/mm2、屈服強度Rp0.2=708N/mm2，伸長率A=6.9%，更難能可貴的是它在900℃的屈服強度Rp0.2=637N/mm2，并具有優異的抗蠕變性能，比目前美國應用于GEnx發動機的4822合金的高1~2個數量級。TiAl材料的研制成功是我們國家和民族的驕傲與自豪。

    中國在發展航空發動機葉片方面不妨既發展碳化硅SiC又發展TiAl合金，兩強競爭，優者為勝。

    十多家碳纖維企業可否聯合起來

    當今世界上建成真正航空工業體系的國家只有美國與俄羅斯，法國與英國也不能算有完整航空工業體系的國家，主要歐洲國家必須聯合起來才能形成維持一個完整的航空工業，其他國家如加拿大、巴西等只不過是美國、俄羅斯、歐洲航空工業系統里的配角。不過，隨著殲20重型戰斗機的批量生產，使中國航空工業成為世界航空產業的一匹黑馬，成為世界航空工業第四大，然而，我們的航空工業畢竟還年輕，在不少方面還與他們有一些差距。以飛機復合材料中的碳纖維來說，是制造第4代戰機（殲20）所必需的，但尚未實現工業化生產，如T800級的高精碳纖維，江蘇航空材料科技有限公司的產量還只有100千克/摩左右，遠遠不能滿足需要，而且產品性能也不完全令人滿意。正如業內專家鄧濤所言，國內十數家碳纖維生產廠家，群雄并起，看似熱鬧，實際上大部分并未掌握核心技術，要么是關鍵設備或材料需要進口，要么是工藝還未過關或控制不嚴，所以碳纖維生產長期徘徊在“能做出來，就是做不好；能做好，就是貴”的尷尬局面中。這僅是我國航空材料現狀的一個縮影。

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責任編輯：劉洋

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