一騎絕塵日本航空復(fù)合材料發(fā)展之路

趙宋南

波音787飛機(jī)的前段主艙段是日本生產(chǎn)的。東麗公司的碳纖維復(fù)合材料，讓該機(jī)機(jī)身變得更加輕盈。

復(fù)合材料自20世紀(jì)70年代就以其輕質(zhì)、抗疲勞、耐腐蝕、便于大面積整體成形等優(yōu)點(diǎn)，與鋁合金、鈦合金并肩，成為航空三大主干材料。復(fù)合材料既可以像金屬材料那樣不易變形，同時(shí)又像彈性材料那樣不易產(chǎn)生疲勞裂紋，在航空航天產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用前景十分巨大。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本東麗公司、三菱人造絲公司和東邦公司壟斷并左右著全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)，總銷(xiāo)售份額約占全球市場(chǎng)的73%。在世界復(fù)合材料市場(chǎng)，日本是絕對(duì)頭牌。

國(guó)家戰(zhàn)略的支持

日本于1959年首先發(fā)明了聚丙烯腈（PAN）基碳纖維，并于20世紀(jì)60年代初進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)。70年代中期，日本又推出了以碳纖維為增強(qiáng)相的先進(jìn)復(fù)合材料（增強(qiáng)相是用于提高基體材料性能的物質(zhì)）。

日本在復(fù)合材料方面取得世界領(lǐng)先地位，絕不是一蹴而就，而是其戰(zhàn)后70年逐漸積累起來(lái)的，確切而言，離不開(kāi)國(guó)家戰(zhàn)略的強(qiáng)力支持。

二戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)復(fù)興階段剛剛結(jié)束，日本就在1956年設(shè)立了科技廳，加強(qiáng)政府對(duì)全國(guó)科技工作的領(lǐng)導(dǎo)。在1959年成立了“科學(xué)技術(shù)會(huì)議”這樣一個(gè)最高層次的咨詢機(jī)構(gòu)，由其來(lái)通盤(pán)考慮制定國(guó)家的科技發(fā)展政策。1995年11月，日本國(guó)會(huì)通過(guò)了《科學(xué)技術(shù)基本法》，明確闡述振興科技對(duì)日本提升其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展以及提高其國(guó)民的福利水平，乃至推動(dòng)全球的科技發(fā)展和人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的重要意義。隨后日本政府又據(jù)此制定了為期5年的“科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃”，并由此將政府對(duì)科研開(kāi)發(fā)的投入比前5年增加了15%以上。進(jìn)入新世紀(jì)后，世界各國(guó)在高科技領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步白熱化，于是日本政府在新的科技發(fā)展5年計(jì)劃中，又將科研開(kāi)發(fā)投資猛增了41%。2001年初，作為行政改革的—個(gè)組成部分，“科學(xué)技術(shù)會(huì)議”便被“綜合科學(xué)技術(shù)會(huì)議”所取代，其成員增至14人，包括2000年諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)甙状ㄓ?shù)教授。

日本科技廳非常重視整體科研水平的提升，在2000年3月發(fā)表過(guò)《有關(guān)我國(guó)科研開(kāi)發(fā)水平的調(diào)查》報(bào)告。報(bào)告涉及生命科學(xué)、信息通信技術(shù)、環(huán)境科技、物質(zhì)和材料科學(xué)、能源科技、制造技術(shù)以及社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施等7個(gè)方面，并得出結(jié)論：日本僅在能源科技領(lǐng)域的投入超過(guò)美國(guó)和歐洲，在那些尖端科技領(lǐng)域（同時(shí)也是競(jìng)爭(zhēng)最激烈的領(lǐng)域），科研資源并未得到有效的利用。報(bào)告指出：在物質(zhì)及材料科學(xué)領(lǐng)域，日本科研人員所發(fā)表的論文以及所注冊(cè)的專利并不比美歐遜色，這些領(lǐng)域的科研開(kāi)發(fā)主要是由企業(yè)主導(dǎo)，基礎(chǔ)科研以及科研設(shè)施也很出色，水平略高于美歐。但美國(guó)和歐洲將新材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用作為國(guó)家戰(zhàn)略予以推進(jìn)，這是日本必須關(guān)注的。由于材料與基礎(chǔ)科學(xué)具有密切的關(guān)系，需要企業(yè)和科研部門(mén)很好地配合。

日本于1959年首先發(fā)明了聚丙烯腈（PAN）基碳纖維，并于60年代初進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn);70 年代中期又發(fā)明了以碳纖維為增強(qiáng)相的先進(jìn)復(fù)合材料。

從“平成零戰(zhàn)”F-2講起

日本防衛(wèi)省技術(shù)研究本部自1973年開(kāi)始進(jìn)行了一系列技術(shù)基礎(chǔ)研究，其中包括氣動(dòng)外形、復(fù)合材料、高機(jī)動(dòng)性、先進(jìn)火控技術(shù)、機(jī)載計(jì)算機(jī)、慣性導(dǎo)航、隱身技術(shù)和綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)等。從1981年起，日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院為了迎接未來(lái)工業(yè)的發(fā)展，開(kāi)始了為期8年的“未來(lái)工業(yè)新技術(shù)研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃”，高性能復(fù)合材料是該計(jì)劃的重要組成部分，內(nèi)容包含了聚合物基及金屬基復(fù)合材料，及其在航空航天、汽車(chē)及汽輪機(jī)工業(yè)中的應(yīng)用規(guī)劃。日本雄心勃勃自主研發(fā)的第二代噴氣戰(zhàn)機(jī)F-2，正好給了這項(xiàng)計(jì)劃很好的實(shí)踐機(jī)會(huì)。為了獲取美國(guó)的支持，日本同意在美國(guó)F-16C戰(zhàn)斗機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)F-2，并作為利益交換，把當(dāng)時(shí)只有日本掌握的復(fù)合材料整體機(jī)翼共固化制造技術(shù)（也即一體化成型）轉(zhuǎn)讓給美國(guó)。

復(fù)合材料需要經(jīng)歷高溫固化成型及冷卻。材料要熱脹冷縮，基體樹(shù)脂也有化學(xué)反應(yīng)造成的收縮效應(yīng)，復(fù)合材料與成型所用模具材料的熱膨脹系數(shù)也有顯著差異。因此在室溫條件下，復(fù)合材料成型的形狀與預(yù)期的狀態(tài)可能不太一樣，這就是構(gòu)件的固化變形。固化變形不僅增加了制造和裝配的成本，也降低了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命。一些大型整體結(jié)構(gòu)和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)部件如果出現(xiàn)固化變形問(wèn)題，整架飛機(jī)都會(huì)受影響。防止出現(xiàn)固化變形，當(dāng)時(shí)通行的解決方法有兩種：工藝模擬試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)。

日本選擇的方法是工藝模擬試驗(yàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)件的固化工藝規(guī)范和所用模具型面進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和修正，這種處理方法顯然是以經(jīng)驗(yàn)和大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，必然要耗費(fèi)大量的人力物力。同時(shí)模具的材質(zhì)至關(guān)重要，應(yīng)不易變形。常規(guī)模具材質(zhì)一般為鋁合金、鋼合金，而日本在開(kāi)發(fā)F-2機(jī)翼整體成型模具時(shí)采用了殷鋼（鐵鎳合金，其中鎳含量36%）及鎳基合金，成本雖然要比通常合金鋼高5倍左右，但是熱膨脹系數(shù)小、使用壽命高。把模具做好，也就保證了產(chǎn)品的高質(zhì)量。模具壽命提升，產(chǎn)品成品率高，能節(jié)省大量工料，而且避免了返工，反而降低了生產(chǎn)成本。

其實(shí)，日本所應(yīng)用的纖維和樹(shù)脂材料并不比美國(guó)同類產(chǎn)品有優(yōu)勢(shì)，而是依靠高素質(zhì)的生產(chǎn)人員和嚴(yán)格系統(tǒng)的工藝流程，并通過(guò)嚴(yán)格的技術(shù)檢驗(yàn)手段，使一體化復(fù)合材料機(jī)翼的成品率達(dá)到非常高的水平。美國(guó)企業(yè)在上世紀(jì)90年代初期的復(fù)合材料部件廢品率約為2%-3%，而日本只有0.4%。然而，工藝是層窗戶紙，很難保密。洛馬在得到日本轉(zhuǎn)交的工藝文件和模具設(shè)計(jì)方法之后，很快掌握要領(lǐng)，并且僅僅用了不到5年的時(shí)間就將日本這個(gè)先行者遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面，后將有關(guān)技術(shù)應(yīng)用于F-35戰(zhàn)機(jī)上。

日本F-2戰(zhàn)斗機(jī)具備一體化成型的復(fù)材機(jī)翼，作為利益交換，相關(guān)技術(shù)讓渡給美國(guó)洛馬公司。

波音飛機(jī)上的日本復(fù)材

一架波音777飛機(jī)上有300萬(wàn)個(gè)零部件，來(lái)自全球17個(gè)國(guó)家的900多家供應(yīng)商，日本三菱重工、川崎重工、富士重工都有參與。實(shí)際上這3家公司與波音的合作由來(lái)已久，早在YS-11的后繼機(jī)YX項(xiàng)目中就已經(jīng)有了合作。1973年4月，日本與波音公司就YX簽訂了合作備忘錄，1978年9月22日簽訂正式合同，日本得到15%的份額，與意大利相同。這15%的日本所承擔(dān)的份額又進(jìn)行了二次分配：三菱重工為40%，川崎重工40%，富士重工為20%，這一配額基本上反映了以上廠家在日本航空工業(yè)中的地位。

值得注意的是，日本政府沒(méi)有干預(yù)國(guó)內(nèi)三家廠商如何分配工作份額。相反，具體的工作分配都是由波音公司做出決定的。日本最希望得到飛機(jī)操縱面部件的制造經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)椴倏v面需要采用復(fù)合材料，對(duì)日本來(lái)說(shuō)很有吸引力，但波音公司卻堅(jiān)持把這項(xiàng)工作交給了意大利人。最終，富士重工得到了小部分的復(fù)合材料部件生產(chǎn)任務(wù)。雖然YX項(xiàng)目胎死腹中，但是三菱重工與川崎重工從波音的技術(shù)轉(zhuǎn)讓中獲得了金屬?gòu)澢尚图夹g(shù)，富士重工獲得了復(fù)合材料加工技術(shù)。

波音777X簽約現(xiàn)場(chǎng)。東麗株式會(huì)社代表董事社長(zhǎng)日覺(jué)昭廣（左）與波音首席技術(shù)官兼工程、運(yùn)營(yíng)與技術(shù)高級(jí)副總裁約翰· 特雷西

在波音777項(xiàng)目上，波音公司與三菱、川崎和富士重工簽訂了風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)伙伴協(xié)議。日本方面組成“日本飛機(jī)發(fā)展公司”，承擔(dān)777結(jié)構(gòu)工作的20%。三菱重工承擔(dān)后部機(jī)身和客艙門(mén)。川崎重工承擔(dān)中部機(jī)身、后部氣密艙艙壁板、主翼部件加強(qiáng)筋以及貨艙門(mén)。富士重工承擔(dān)中央翼、翼身整流罩和主起落架門(mén)。

通過(guò)F-2與波音777的生產(chǎn)研制，日本航空航天工業(yè)發(fā)展出全球最佳的復(fù)合材料制造技術(shù)，后來(lái)又深度參與波音787夢(mèng)想客機(jī)的制造。三菱重工負(fù)責(zé)787的中翼段，川崎重工負(fù)責(zé)主起落架艙、前機(jī)身、主起落架艙和固定機(jī)翼后緣，富士重工承擔(dān)了中央翼盒的生產(chǎn)。

日本東麗公司為美國(guó)生產(chǎn)波音777X、787的復(fù)合材料部件，合同價(jià)值高達(dá)86億美元。

日本航空復(fù)合材料的未來(lái)

日本是碳纖維生產(chǎn)大國(guó)。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省曾預(yù)測(cè)2020年世界市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到12.5萬(wàn)噸，并計(jì)劃在2030年的航空航天市場(chǎng)斬獲3萬(wàn)億日元。碳纖維主要生產(chǎn)企業(yè)是東麗公司、東邦人造絲公司、三菱人造絲公司。這其中，東麗公司產(chǎn)能是全球最大的，而且產(chǎn)品質(zhì)量也最好，產(chǎn)品線包括大絲束、小絲束、高強(qiáng)度、高模量系列，尤其高強(qiáng)度T系列和高模量M系列，連產(chǎn)品牌號(hào)都是其他廠家競(jìng)相對(duì)標(biāo)的對(duì)象。

日本東麗之所以取得成功，與其開(kāi)始發(fā)展碳纖維時(shí)候所處的時(shí)代背景有關(guān)。東麗公司本來(lái)是個(gè)生產(chǎn)傳統(tǒng)紡織面料纖維的生產(chǎn)商，包括腈綸，也就是PAN原絲。1963年，日本大阪工業(yè)技術(shù)研究所研究員近藤昭男宣布PAN是最合適生產(chǎn)碳纖維的前驅(qū)體，搞定了PAN基碳纖維的制造工藝，其產(chǎn)品強(qiáng)度是黏膠基碳纖維的3倍。之后近藤昭男發(fā)表論文并申請(qǐng)專利，授權(quán)日本3家公司生產(chǎn)：東邦、旭化成和東洋人造絲株式會(huì)社（東麗前身）。那個(gè)時(shí)候，紡織工業(yè)的腈綸出口市場(chǎng)—直在萎縮，碳纖維是一個(gè)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。東麗利用在腈綸研究中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在1971年建成了一個(gè)小型試驗(yàn)工廠，利用近藤昭男的技術(shù)試制碳纖維。年底，名為T(mén)300的碳纖維誕生了。東麗的研究吸引了美國(guó)公司的注意力。1970年，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司與東麗簽署了一份合作協(xié)議。聯(lián)合碳化物公司獲得東麗的原絲技術(shù)，東麗公司獲得聯(lián)合碳化物公司的碳化技術(shù)。聯(lián)合碳化物公司也放棄了自己生產(chǎn)原絲，轉(zhuǎn)而開(kāi)始代理東麗的碳纖維產(chǎn)品，在美國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)售。結(jié)果T300成為美國(guó)最暢銷(xiāo)的碳纖維。

當(dāng)然，東麗公司的成功不是偶然，一方面是跟自己的努力堅(jiān)持不懈的研發(fā)有關(guān)，另一方面看準(zhǔn)了趨勢(shì)，利用體育休閑用品市場(chǎng)的崛起作為支點(diǎn)，一躍成長(zhǎng)為世界最大碳纖維生產(chǎn)商。在東麗公司投資碳纖維的那個(gè)年代，碳纖維在大眾的思維中還是應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的高級(jí)貨。在建筑加固、體育休閑、汽車(chē)、風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用，很多人壓根想都沒(méi)想到。日本東麗起初生產(chǎn)碳纖維，無(wú)非是給自己的腈綸纖維找一條出路，想要進(jìn)入美國(guó)軍工市場(chǎng)，就必須要跟美國(guó)本土企業(yè)聯(lián)合，所以東麗才會(huì)選擇與美國(guó)聯(lián)合碳化物公司合作。不過(guò)市場(chǎng)的變化很有意思，1972年，一位美國(guó)企業(yè)家發(fā)現(xiàn)使用碳纖維球桿可以將高爾夫球擊出更遠(yuǎn)的距離，至少比鐵桿多擊出30碼，這引起了東麗的興趣。既然當(dāng)時(shí)歐洲和美國(guó)的碳纖維廠商已經(jīng)將航空領(lǐng)域市場(chǎng)占領(lǐng)，東麗干脆另辟蹊徑，轉(zhuǎn)而開(kāi)發(fā)體育用品領(lǐng)域，碳纖維制造的網(wǎng)球拍、滑雪桿和其他體育用品。當(dāng)時(shí)最主要的體育用品生產(chǎn)商韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣成為日本碳纖維的下游客戶。體育休閑領(lǐng)域雖然不是什么高端市場(chǎng)，但是用量比較大，而且需求穩(wěn)定。東麗借助給體育休閑領(lǐng)域提供碳纖維的時(shí)機(jī)，將自己碳纖維質(zhì)量穩(wěn)定眭做到了極致，最終成為世界第一大碳纖維生產(chǎn)商。

1975年，東麗的碳纖維成功應(yīng)用在波音737的次承力部件生產(chǎn)中，標(biāo)志著東麗與波音這兩家公司超長(zhǎng)合作期的開(kāi)始。上世紀(jì)80年代，東麗公司獲得了歐洲空客公司的認(rèn)可，1987年，東麗的T300獲準(zhǔn)在空客A320主承力部件中應(yīng)用。1990年，一種新的高強(qiáng)、高模碳纖維預(yù)浸料在波音777飛機(jī)的主承力部件上獲得應(yīng)用。

波音787主艙段構(gòu)造及制造現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)代復(fù)合材料已經(jīng)引發(fā)了航空制造業(yè)的革命，因此有 “一代材料，一代飛機(jī)”的說(shuō)法。

航空用品要求復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的空隙率低于1%。近年來(lái)，東麗公司開(kāi)發(fā)了牌號(hào)為3940的熱固性樹(shù)脂。這種樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)了對(duì)樹(shù)脂的分子構(gòu)造和固化反應(yīng)的精確控制，有效壓縮了分子鏈之間的空隙，提高了分子網(wǎng)絡(luò)的致密程度，實(shí)際上從分子層面提升了碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。2014年3月，日本東麗公司曾宣布成功研制了第三代碳纖維T1100G，是目前強(qiáng)度最高的碳纖維。3940號(hào)樹(shù)脂理論上可與T1100G碳纖維相結(jié)合，產(chǎn)生目前世界上性能最強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料T1100G/3940。這種新型碳纖維復(fù)合材料可以減輕部件20%的重量，在航空器機(jī)翼、機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)等結(jié)構(gòu)和部件上擁有廣泛的應(yīng)用前景。

2017年3月7日，東麗公司針對(duì)航空航天市場(chǎng)需求，推出新一代碳纖維預(yù)浸料。所謂預(yù)浸料，其實(shí)就是復(fù)合材料的半成品，是保證復(fù)合材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)。2017年7月19日，東麗公司宣布，將美國(guó)的分公司完成設(shè)備升級(jí)，到2020年，生產(chǎn)500-1000噸T1100G碳纖維。

東麗公司作為世界上最大的碳纖維制造商，通過(guò)強(qiáng)化技術(shù)力量來(lái)提高質(zhì)量和價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)了碳纖維及其預(yù)浸料在航空領(lǐng)域的壓倒性應(yīng)用。除東麗公司外，日本三菱人造絲公司有年產(chǎn)4700噸聚丙烯腈基碳纖維的能力。東邦公司擁有年產(chǎn)5600噸的生產(chǎn)能力。日本這3家公司碳纖維的總銷(xiāo)售份額約占全球碳纖維市場(chǎng)的73%，壟斷并左右著全球市場(chǎng)。

日本科研系統(tǒng)非常重視生產(chǎn)工藝上的進(jìn)步，科研單位在一般情況下可以用1年的時(shí)間進(jìn)行論證，而用10年的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)一種新工藝，一旦確定了基本技術(shù)目標(biāo)后就絕不動(dòng)搖地實(shí)施。這是日本能在戰(zhàn)后迅速發(fā)展的—個(gè)重要因素。

日本東邦公司也是復(fù)合材料的重要生產(chǎn)商。保時(shí)捷GT3CupII汽車(chē)的碳纖維車(chē)體就是該公司生產(chǎn)的。

科研是要花錢(qián)的，在高科技領(lǐng)域更是如此。沒(méi)有投入就不會(huì)有產(chǎn)出。但，增加了投入就一定能提高產(chǎn)出嗎？很難說(shuō)。迄今為止，日本政府的投入很多，在推進(jìn)科研體制、機(jī)制和科研環(huán)境改革方面，仍然不遺余力。日本人認(rèn)為，過(guò)去多年來(lái)日本重視應(yīng)用科學(xué)，輕視基礎(chǔ)科學(xué)，所擅長(zhǎng)的是將其他國(guó)家所獲得的基礎(chǔ)科學(xué)成果轉(zhuǎn)化為商品，從而忽視了自身的原創(chuàng)技術(shù)。在上世紀(jì)末全球金融危機(jī)之前，日本商品洪水般涌向全球每一個(gè)角落，一時(shí)間似乎形成了“日本模式”。但在進(jìn)入信息社會(huì)以后，那種靠應(yīng)用技術(shù)打遍天下無(wú)敵手的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了，技術(shù)創(chuàng)新、核心技術(shù)，成為各國(guó)在日趨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟的唯一途徑。因此，日本政府的立國(guó)方針也與時(shí)俱進(jìn)，從昔日“出口立國(guó)”及時(shí)調(diào)整為“技術(shù)立國(guó)”，進(jìn)而調(diào)整到目前的“科技創(chuàng)造立國(guó)”和“知識(shí)產(chǎn)權(quán)立國(guó)”。

日本的“創(chuàng)造”，含義相當(dāng)于我國(guó)的“創(chuàng)新”。日本把“創(chuàng)造”作為立國(guó)方針，從戰(zhàn)略上重視基礎(chǔ)科學(xué)，立意很高，其做法同樣值得我們深思。責(zé)任編輯：吳佩新

Tips

復(fù)合材料的模量與韌性

一般地講，施加一個(gè)外力，彈性材料會(huì)發(fā)生形狀的改變，也就是彈性形變。在形變階段，材料所受應(yīng)力和應(yīng)變的比例系數(shù)就稱為彈性模量。彈性模量可用于衡量復(fù)合材料受力后的變形情況，模量數(shù)值越大代表其在工程應(yīng)用中的變形越小，越接近金屬材料。

韌性是指材料在斷裂前所能吸收的能量與體積的比值。復(fù)合材料的韌性越大，代表其在工程應(yīng)用中的彈性越好，在受沖擊時(shí)不易折斷。

復(fù)合材料高模量與高韌性共存，既像金屬材料那般不易變形，同時(shí)又不易像金屬那樣產(chǎn)生裂紋。這兩個(gè)特征，使得復(fù)合材料在航空航天產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用前景十分巨大。