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一骑绝尘日本航空复合材料发展之路

2019-09-28赵宋南

航空知识 2019年7期
关键词:碳纤维复合材料波音

赵宋南

波音787飞机的前段主舱段是日本生产的。东丽公司的碳纤维复合材料,让该机机身变得更加轻盈。

复合材料自20世纪70年代就以其轻质、抗疲劳、耐腐蚀、便于大面积整体成形等优点,与铝合金、钛合金并肩,成为航空三大主干材料。复合材料既可以像金属材料那样不易变形,同时又像弹性材料那样不易产生疲劳裂纹,在航空航天产业上的应用前景十分巨大。

据统计,日本东丽公司、三菱人造丝公司和东邦公司垄断并左右着全球碳纤维复合材料市场,总销售份额约占全球市场的73%。在世界复合材料市场,日本是绝对头牌。

国家战略的支持

日本于1959年首先发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,并于20世纪60年代初进入工业化生产。70年代中期,日本又推出了以碳纤维为增强相的先进复合材料(增强相是用于提高基体材料性能的物质)。

日本在复合材料方面取得世界领先地位,绝不是一蹴而就,而是其战后70年逐渐积累起来的,确切而言,离不开国家战略的强力支持。

二战后经济复兴阶段刚刚结束,日本就在1956年设立了科技厅,加强政府对全国科技工作的领导。在1959年成立了“科学技术会议”这样一个最高层次的咨询机构,由其来通盘考虑制定国家的科技发展政策。1995年11月,日本国会通过了《科学技术基本法》,明确阐述振兴科技对日本提升其产业结构、促进经济和社会发展以及提高其国民的福利水平,乃至推动全球的科技发展和人类社会的可持续发展的重要意义。随后日本政府又据此制定了为期5年的“科学技术基本计划”,并由此将政府对科研开发的投入比前5年增加了15%以上。进入新世纪后,世界各国在高科技领域的竞争进一步白热化,于是日本政府在新的科技发展5年计划中,又将科研开发投资猛增了41%。2001年初,作为行政改革的—个组成部分,“科学技术会议”便被“综合科学技术会议”所取代,其成员增至14人,包括2000年诺贝尔奖获奖者白川英树教授。

日本科技厅非常重视整体科研水平的提升,在2000年3月发表过《有关我国科研开发水平的调查》报告。报告涉及生命科学、信息通信技术、环境科技、物质和材料科学、能源科技、制造技术以及社会基础设施等7个方面,并得出结论:日本仅在能源科技領域的投入超过美国和欧洲,在那些尖端科技领域(同时也是竞争最激烈的领域),科研资源并未得到有效的利用。报告指出:在物质及材料科学领域,日本科研人员所发表的论文以及所注册的专利并不比美欧逊色,这些领域的科研开发主要是由企业主导,基础科研以及科研设施也很出色,水平略高于美欧。但美国和欧洲将新材料的开发应用作为国家战略予以推进,这是日本必须关注的。由于材料与基础科学具有密切的关系,需要企业和科研部门很好地配合。

日本于1959年首先发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,并于60年代初进入工业化生产;70 年代中期又发明了以碳纤维为增强相的先进复合材料。

从“平成零战”F-2讲起

日本防卫省技术研究本部自1973年开始进行了一系列技术基础研究,其中包括气动外形、复合材料、高机动性、先进火控技术、机载计算机、惯性导航、隐身技术和综合电子战系统等。从1981年起,日本通产省工业技术院为了迎接未来工业的发展,开始了为期8年的“未来工业新技术研究开发计划”,高性能复合材料是该计划的重要组成部分,内容包含了聚合物基及金属基复合材料,及其在航空航天、汽车及汽轮机工业中的应用规划。日本雄心勃勃自主研发的第二代喷气战机F-2,正好给了这项计划很好的实践机会。为了获取美国的支持,日本同意在美国F-16C战斗机的基础上设计F-2,并作为利益交换,把当时只有日本掌握的复合材料整体机翼共固化制造技术(也即一体化成型)转让给美国。

复合材料需要经历高温固化成型及冷却。材料要热胀冷缩,基体树脂也有化学反应造成的收缩效应,复合材料与成型所用模具材料的热膨胀系数也有显著差异。因此在室温条件下,复合材料成型的形状与预期的状态可能不太一样,这就是构件的固化变形。固化变形不仅增加了制造和装配的成本,也降低了结构强度和使用寿命。一些大型整体结构和非对称结构部件如果出现固化变形问题,整架飞机都会受影响。防止出现固化变形,当时通行的解决方法有两种:工艺模拟试验和计算机模拟试验。

日本选择的方法是工艺模拟试验,对结构件的固化工艺规范和所用模具型面进行反复的调整和修正,这种处理方法显然是以经验和大量的试验数据为基础的,必然要耗费大量的人力物力。同时模具的材质至关重要,应不易变形。常规模具材质一般为铝合金、钢合金,而日本在开发F-2机翼整体成型模具时采用了殷钢(铁镍合金,其中镍含量36%)及镍基合金,成本虽然要比通常合金钢高5倍左右,但是热膨胀系数小、使用寿命高。把模具做好,也就保证了产品的高质量。模具寿命提升,产品成品率高,能节省大量工料,而且避免了返工,反而降低了生产成本。

其实,日本所应用的纤维和树脂材料并不比美国同类产品有优势,而是依靠高素质的生产人员和严格系统的工艺流程,并通过严格的技术检验手段,使一体化复合材料机翼的成品率达到非常高的水平。美国企业在上世纪90年代初期的复合材料部件废品率约为2%-3%,而日本只有0.4%。然而,工艺是层窗户纸,很难保密。洛马在得到日本转交的工艺文件和模具设计方法之后,很快掌握要领,并且仅仅用了不到5年的时间就将日本这个先行者远远抛在后面,后将有关技术应用于F-35战机上。

日本F-2战斗机具备一体化成型的复材机翼,作为利益交换,相关技术让渡给美国洛马公司。

波音飞机上的日本复材

一架波音777飞机上有300万个零部件,来自全球17个国家的900多家供应商,日本三菱重工、川崎重工、富士重工都有参与。实际上这3家公司与波音的合作由来已久,早在YS-11的后继机YX项目中就已经有了合作。1973年4月,日本与波音公司就YX签订了合作备忘录,1978年9月22日签订正式合同,日本得到15%的份额,与意大利相同。这15%的日本所承担的份额又进行了二次分配:三菱重工为40%,川崎重工40%,富士重工为20%,这一配额基本上反映了以上厂家在日本航空工业中的地位。

值得注意的是,日本政府没有干预国内三家厂商如何分配工作份额。相反,具体的工作分配都是由波音公司做出决定的。日本最希望得到飞机操纵面部件的制造经验,因为操纵面需要采用复合材料,对日本来说很有吸引力,但波音公司却坚持把这项工作交给了意大利人。最终,富士重工得到了小部分的复合材料部件生产任务。虽然YX项目胎死腹中,但是三菱重工与川崎重工从波音的技术转让中获得了金属弯曲成型技术,富士重工获得了复合材料加工技术。

波音777X签约现场。东丽株式会社代表董事社长日觉昭广(左)与波音首席技术官兼工程、运营与技术高级副总裁约翰· 特雷西

在波音777项目上,波音公司与三菱、川崎和富士重工签订了风险分担伙伴协议。日本方面组成“日本飞机发展公司”,承担777结构工作的20%。三菱重工承担后部机身和客舱门。川崎重工承担中部机身、后部气密舱舱壁板、主翼部件加强筋以及货舱门。富士重工承担中央翼、翼身整流罩和主起落架门。

通过F-2与波音777的生产研制,日本航空航天工业发展出全球最佳的复合材料制造技术,后来又深度参与波音787梦想客机的制造。三菱重工负责787的中翼段,川崎重工负责主起落架舱、前机身、主起落架舱和固定机翼后緣,富士重工承担了中央翼盒的生产。

日本东丽公司为美国生产波音777X、787的复合材料部件,合同价值高达86亿美元。

日本航空复合材料的未来

日本是碳纤维生产大国。日本经济产业省曾预测2020年世界市场规模将达到12.5万吨,并计划在2030年的航空航天市场斩获3万亿日元。碳纤维主要生产企业是东丽公司、东邦人造丝公司、三菱人造丝公司。这其中,东丽公司产能是全球最大的,而且产品质量也最好,产品线包括大丝束、小丝束、高强度、高模量系列,尤其高强度T系列和高模量M系列,连产品牌号都是其他厂家竞相对标的对象。

日本东丽之所以取得成功,与其开始发展碳纤维时候所处的时代背景有关。东丽公司本来是个生产传统纺织面料纤维的生产商,包括腈纶,也就是PAN原丝。1963年,日本大阪工业技术研究所研究员近藤昭男宣布PAN是最合适生产碳纤维的前驱体,搞定了PAN基碳纤维的制造工艺,其产品强度是黏胶基碳纤维的3倍。之后近藤昭男发表论文并申请专利,授权日本3家公司生产:东邦、旭化成和东洋人造丝株式会社(东丽前身)。那个时候,纺织工业的腈纶出口市场—直在萎缩,碳纤维是一个快速增长的市场。东丽利用在腈纶研究中的技术优势,在1971年建成了一个小型试验工厂,利用近藤昭男的技术试制碳纤维。年底,名为T300的碳纤维诞生了。东丽的研究吸引了美国公司的注意力。1970年,美国联合碳化物公司与东丽签署了一份合作协议。联合碳化物公司获得东丽的原丝技术,东丽公司获得联合碳化物公司的碳化技术。联合碳化物公司也放弃了自己生产原丝,转而开始代理东丽的碳纤维产品,在美国市场销售。结果T300成为美国最畅销的碳纤维。

当然,东丽公司的成功不是偶然,一方面是跟自己的努力坚持不懈的研发有关,另一方面看准了趋势,利用体育休闲用品市场的崛起作为支点,一跃成长为世界最大碳纤维生产商。在东丽公司投资碳纤维的那个年代,碳纤维在大众的思维中还是应用在航空航天领域的高级货。在建筑加固、体育休闲、汽车、风电领域的应用,很多人压根想都没想到。日本东丽起初生产碳纤维,无非是给自己的腈纶纤维找一条出路,想要进入美国军工市场,就必须要跟美国本土企业联合,所以东丽才会选择与美国联合碳化物公司合作。不过市场的变化很有意思,1972年,一位美国企业家发现使用碳纤维球杆可以将高尔夫球击出更远的距离,至少比铁杆多击出30码,这引起了东丽的兴趣。既然当时欧洲和美国的碳纤维厂商已经将航空领域市场占领,东丽干脆另辟蹊径,转而开发体育用品领域,碳纤维制造的网球拍、滑雪杆和其他体育用品。当时最主要的体育用品生产商韩国和中国台湾成为日本碳纤维的下游客户。体育休闲领域虽然不是什么高端市场,但是用量比较大,而且需求稳定。东丽借助给体育休闲领域提供碳纤维的时机,将自己碳纤维质量稳定眭做到了极致,最终成为世界第一大碳纤维生产商。

1975年,东丽的碳纤维成功应用在波音737的次承力部件生产中,标志着东丽与波音这两家公司超长合作期的开始。上世纪80年代,东丽公司获得了欧洲空客公司的认可,1987年,东丽的T300获准在空客A320主承力部件中应用。1990年,一种新的高强、高模碳纤维预浸料在波音777飞机的主承力部件上获得应用。

波音787主舱段构造及制造现场。现代复合材料已经引发了航空制造业的革命,因此有 “一代材料,一代飞机”的说法。

航空用品要求复合材料结构中的空隙率低于1%。近年来,东丽公司开发了牌号为3940的热固性树脂。这种树脂实现了对树脂的分子构造和固化反应的精确控制,有效压缩了分子链之间的空隙,提高了分子网络的致密程度,实际上从分子层面提升了碳纤维复合材料的力学性能。2014年3月,日本东丽公司曾宣布成功研制了第三代碳纤维T1100G,是目前强度最高的碳纤维。3940号树脂理论上可与T1100G碳纤维相结合,产生目前世界上性能最强的碳纤维复合材料T1100G/3940。这种新型碳纤维复合材料可以减轻部件20%的重量,在航空器机翼、机身、发动机等结构和部件上拥有广泛的应用前景。

2017年3月7日,东丽公司针对航空航天市场需求,推出新一代碳纤维预浸料。所谓预浸料,其实就是复合材料的半成品,是保证复合材料力学性能的基础。2017年7月19日,东丽公司宣布,将美国的分公司完成设备升级,到2020年,生产500-1000吨T1100G碳纤维。

东丽公司作为世界上最大的碳纤维制造商,通过强化技术力量来提高质量和价格竞争力,实现了碳纤维及其预浸料在航空领域的压倒性应用。除东丽公司外,日本三菱人造丝公司有年产4700吨聚丙烯腈基碳纤维的能力。东邦公司拥有年产5600吨的生产能力。日本这3家公司碳纤维的总销售份额约占全球碳纤维市场的73%,垄断并左右着全球市场。

日本科研系统非常重视生产工艺上的进步,科研单位在一般情况下可以用1年的时间进行论证,而用10年的时间来开发一种新工艺,一旦确定了基本技术目标后就绝不动摇地实施。这是日本能在战后迅速发展的—个重要因素。

日本东邦公司也是復合材料的重要生产商。保时捷GT3CupII汽车的碳纤维车体就是该公司生产的。

科研是要花钱的,在高科技领域更是如此。没有投入就不会有产出。但,增加了投入就一定能提高产出吗?很难说。迄今为止,日本政府的投入很多,在推进科研体制、机制和科研环境改革方面,仍然不遗余力。日本人认为,过去多年来日本重视应用科学,轻视基础科学,所擅长的是将其他国家所获得的基础科学成果转化为商品,从而忽视了自身的原创技术。在上世纪末全球金融危机之前,日本商品洪水般涌向全球每一个角落,一时间似乎形成了“日本模式”。但在进入信息社会以后,那种靠应用技术打遍天下无敌手的时代已经一去不复返了,技术创新、核心技术,成为各国在日趋激烈的国际竞争中站稳脚跟的唯一途径。因此,日本政府的立国方针也与时俱进,从昔日“出口立国”及时调整为“技术立国”,进而调整到目前的“科技创造立国”和“知识产权立国”。

日本的“创造”,含义相当于我国的“创新”。日本把“创造”作为立国方针,从战略上重视基础科学,立意很高,其做法同样值得我们深思。责任编辑:吴佩新

Tips

复合材料的模量与韧性

一般地讲,施加一个外力,弹性材料会发生形状的改变,也就是弹性形变。在形变阶段,材料所受应力和应变的比例系数就称为弹性模量。弹性模量可用于衡量复合材料受力后的变形情况,模量数值越大代表其在工程应用中的变形越小,越接近金属材料。

韧性是指材料在断裂前所能吸收的能量与体积的比值。复合材料的韧性越大,代表其在工程应用中的弹性越好,在受冲击时不易折断。

复合材料高模量与高韧性共存,既像金属材料那般不易变形,同时又不易像金属那样产生裂纹。这两个特征,使得复合材料在航空航天产业上的应用前景十分巨大。

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