高压锅是炖大鹅的,高压釜是炖啥的?

2021-09-13

话说在伊莱特,最受大家欢迎的部门非“餐厅”莫属。


每天中午11点,餐厅大叔群里报菜单“今天中午有炖大鹅”、“今天中午有炖猪蹄”时,都会引起办公室里的一阵小骚动,毕竟要打铁先干饭。


可硬菜总是僧多粥少,几百人的就餐现场,人人一份“炖大鹅”也没那么大个的高压锅。


正想着呢,餐桌对面国际部的小姐姐聊起来,说这两天收到土耳其ST公司的一个邮件,对方计划制造几台大直径的高压釜,咨询我司能否提供一批直径7米左右的卡箍齿法兰。


高压釜,其实就是工业用的“高压锅”,英文名叫Autoclave。


小伊妹就想,这设备要是订一台,7米的直径别说炖大鹅,炖大象也没问题啊!


于是放下筷子就谷歌,等搜到照片才知道,用这货炖大鹅是没戏了——侧开门的,锅一开得洒一地。



那么问题就来了,这货到底是“炖”啥的呢?答案是——CFRP碳纤维复合材料。


碳纤维复合材料是指用碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合制成的材料。而碳纤维是由有机纤维在1000°C以上裂解碳化形成的含碳量高于90%的无机纤维。也就是说,我们日常说的碳纤维实际上是碳纤维材料+辅料+工艺后做出来的部件。为了方便起见,下文提到的碳纤维均指CFRP,而不是原材料。


大家对碳纤维其实并不陌生,尤其对于体育运动爱好者,鱼竿、头盔、网球拍、高尔夫球杆,只要是碳纤维的,就代表着高端产品,身价立刻翻N倍。


“比钢硬,比铝轻”是对碳纤维性能最通俗的描述,碳纤维的比重一般只有1.6克/立方厘米,是铝的1/2,钢的1/5,强度却要大大超过后者。一辆碳纤维自行车的车架可能1公斤都不到,不过价格也是没的说,入门级的就要上万元,再专业点的就奔着十万去了,都快赶上一辆思域的价格了。



等一下,这话好像是瞧不起人家思域。下面这辆改装了全碳纤维车身的思域,改装前十万块,改装后已经……已经变成百万级的豪车了。


一朝“碳袍”加身,从此成为街上最亮的仔。



看到这,如果你觉得碳纤维是发烧友和土豪的玩具可就大错特错了。这些产品虽然很贵,但依然只是碳纤维市场的“青铜”级玩家。


真正的“王者”玩家是航空航天业,不仅材料用量大,还都是高品质碳纤维,价格通常都是消费级碳纤维的十倍以上。


目前,波音787、空客A350这些飞机,碳纤维部件的用量已经占到机身的一半。







那么,这些飞机制造商们就不怕太贵不好卖吗?


还真不怕。据估算,商用飞机每减重一公斤,一年就能节约3000美元的燃油费,如果再加上“碳税”这些成本,对于航空公司来说,在一架飞机的生命周期里,咬咬牙还是得“买着贵,用着便宜”。


至于在火箭、飞船、卫星这些装备上,钱已经不是最重要的了,相同推力下,别说多发射一名宇航员,就是多发射一个摄像头、一组电池板都是了不起的事情。


比如,前段时间曾大出风头的NASA火星无人机就使用了碳纤维机翼。“机智”号无人机本体只有1.8公斤,餐巾盒大小,但是火星的大气密度却有地球的1%,要想实现飞行就要增加旋翼长度,但又不能因此增加重量,为此工程师为“机智号”设计了2根1.2米长碳纤维旋翼,完美解决了这一问题。



那么碳纤维部件是怎么制作出来的呢?


最简单的就是“手糊”成形。



你在淘宝上定制的各类碳纤维部件很有可能就是这样做出来的:将碳纤维与树脂胶液逐层叠加,直到达到所需要的形状和厚度。当然其他的还有喷射成型、模压成型等。




但是,对于航空器这类设备,各种部件形状复杂、质量要求高到“变态”。要想保证产品质量的稳定性,就要用到热压罐成形技术。


热压罐就是高压釜的一种,这种技术简单讲,就是把预先做好的碳纤维毛坯放到密封袋,把袋子抽真空,然后再放入该设备中,通过控制温度、气压的升降,使碳纤维复合材料最终成型


如同高压锅的工作原理是通过增加气压,加快炖煮食物的速度。热压罐就像一个放大N倍的高压锅,通过特定的气压和温度循环,使碳纤维部件完成固化。不同热压罐有不同的设计要求,有的热压罐可提供超过20个大气压、400度以上均匀高温。由于设备是密封的,罐内的各项物理参数可以保持恒定,所以不同批次的产品质量也较为稳定。


波音碳纤维机翼


送入热压罐的飞机部件


目前,热压罐里的“大哥大”,一个在日本,由川崎重工制造,直径9米,长30米,重920吨。



另一个则在美国,由ASC制造,直径9.1米,长度25.9米(ASC还制作过多个直径8.5米,长度36.6米的热压罐)。



国内目前No.1的热压罐直径5.5米,长度21米,用于为中国商飞的C919大飞机提供碳纤维部件。



本次ST公司从伊莱特订购的卡箍齿法兰最大外径7米,因此我们估计其最终设备的内径应该在6.5-7米,在热压罐中也算名列前茅了。而这些热压罐最终将被交付给土耳其航空工业公司TAI的新工厂,TAI也是目前空客A350唯一的飞机副翼制造商。


大尺寸热压罐的造价都以数千万美元计,其结构非常复杂,要有真空控制、温度控制、加热控制、冷却控制、加压控制、机电控制、安全控制等系统。


为了实现快速开关,热压罐多使用齿啮式开合,卡箍齿法兰就安装在罐门处,通过齿间的啮合和错开,达到快速启闭的目的。因此,卡箍齿法兰除了要承受频繁开合,还要承受温度和气压的骤升骤降。工作时不能出现裂纹或变形,对强度和疲劳载荷有很高的要求。


图片

橙色部位和右侧的罐门可以看到明显的齿状



ST公司订购的卡箍齿法兰

这个订单形象地向我们展示了这个世界的真实图景:巴西的铁矿石经过钢球的研磨,被运往中国冶炼成钢材,经过章丘铁匠加工成卡箍齿法兰,交给土耳其的热压罐制造商,土耳其的工厂把日本生产的碳纤维加工成机翼,然后送往法国组装成飞机,这些飞机又载着人们穿梭于世界各个国家,这些人来自五湖四海,从事着五花八门的职业。


我们的世界从未像今天这样联系地如此紧密,从一块巴西荒山上的石头到空客最新技术的A350飞机,从一个从未坐过飞机的铁匠到实验室里研发最新碳纤维材料的科学家。全球化是不可逆的,人类命运共同体是件非常具象的事情。

让我们一起锻造未来,永不止步!



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