開發(fā)克服金屬弱點的材料

因小行星探測器“隼鳥”、國際宇宙空間站日本實驗艙“希望”等而廣受世界矚目的日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA），在日本也是唯一的航空器研究基地。在這里，從環(huán)境適應(yīng)型引擎、超音速飛機等硬件開發(fā)，到利用飛行模擬器的飛行安全性測試，進行著各種類型的研究。

半個世紀來首次開發(fā)成功的日本國產(chǎn)客機“MRJ”（由三菱航空機株式會社主導(dǎo)開發(fā)制造），成為人們街談巷議的熱門話題。該機身上也使用了JAXA航空程序組國際客機分組參與開發(fā)的“復(fù)合材料”。

開展操縱性能等研究時不可或缺的飛行模擬器。通過改變程序，可以掌握各式各樣的飛機特性

100多年前美國萊特兄弟成功實現(xiàn)了人類歷史上第一次載人飛行，當時所使用的飛機是由木材、鋼絲、布料制造而成的。之后，航空器上逐漸開始采用鋁合金、鈦金屬等材料，近年來以碳纖維增強塑料（CFRP）為代表，復(fù)合材料的使用得到推廣。

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最新型波音客機的結(jié)構(gòu)材料，半數(shù)為日本制造

CFRP以碳纖維作為增強材料，將樹脂（塑料）浸漬其中而成。碳纖維材質(zhì)輕便，比重大約為鐵的四分之一，然而單位重量的強度卻高達鐵的大約10倍，并且兼?zhèn)淞四途眯猿霰?，不生銹等金屬所不具有的特性。最新型波音客機“B787”的結(jié)構(gòu)材料中，大約一半都采用了日本制造的CFRP，是史上首架結(jié)構(gòu)重量中CFRP所占比例超過鋁的客機。除此之外，上述的MRJ以及計劃于2013年問世的空客“A350”也采用了CFRP。

JAXA理事兼航空程序組總負責(zé)人石川隆司先生對航空器上使用CFRP的優(yōu)點是這樣描述的。

“材料輕量化后可以節(jié)省燃料用量。而且CFRP的比強度和比剛度出色，又不會生銹，因此維修間隔時間可以設(shè)置得較長。總而言之，這種材料可以為環(huán)保性和航空公司經(jīng)濟性這兩方面同時做出貢獻。從乘客角度來看也大有好處。鋁作為主要的結(jié)構(gòu)材料時，艙內(nèi)濕度必須保持在10%以下，但B787卻可以將濕度提高到將近50%，因而艙內(nèi)環(huán)境舒適不會過于干燥。” 123456


率領(lǐng)JAXA航空程序組一路走來的石川隆司先生

開發(fā)有助于降低成本的制造工藝

碳纖維隨著在航空器制造領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍日益擴大，近20年來產(chǎn)量不斷增加，據(jù)2010年統(tǒng)計已經(jīng)達到2.7萬噸。日本是碳纖維大國，占據(jù)世界市場份額的7成。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省預(yù)測2020年世界市場規(guī)模將達到12.5萬噸（約為2010年的4.5倍），并進一步計劃在2030年的航空器產(chǎn)業(yè)中斬獲3萬億日元。

然而在市場開拓上還存在著亟待解決的課題，即成本和安全保證的問題。碳纖維原本就比鋁合金昂貴，再加上為了讓便于流通加工的中間體預(yù)浸料（用半固化樹脂將碳纖維定型后的薄板）保持強度，需要添加熱可塑性微粒子，因此成本進一步提高。而且，預(yù)浸料夾入模具后要放進一種名為高壓釜的巨大高溫處理裝置中，經(jīng)高溫加熱固定成型；而能夠放進航空器主翼大小的設(shè)備，每臺價格不下數(shù)百億日元。

為削減制造成本，JAXA與民間企業(yè)共同開發(fā)了名為“VaRTM(※1)”的真空輔助樹脂傳遞模塑工藝。石川先生介紹道：“該方法是將碳纖維夾入薄膜中，在抽出內(nèi)部空氣形成真空狀態(tài)的同時，注入粘性較低的樹脂，使其浸漬到纖維中。如果要簡單打個比方的話，就好像是被褥壓縮袋一般。”

VaRTM工藝的優(yōu)點是不需要高溫處理設(shè)備，但是和使用預(yù)浸料的傳統(tǒng)制造工藝相比強度上猶有遜色。傳統(tǒng)制造工藝則更適合于航空器機身這樣的構(gòu)件。

于是JAXA想到了混合方式，即對表面平整且面積較大的部分采用預(yù)浸料材質(zhì)，對框架等形狀復(fù)雜的部分則采用VaRTM材質(zhì)，并且通過充分發(fā)揮與融合兩者優(yōu)勢，力圖提升品質(zhì)和降低成本。


VaRTM工藝示意圖。優(yōu)勢在于無需高額的設(shè)備投資，可低價制造

在汽車、船舶、風(fēng)車等領(lǐng)域的應(yīng)用

關(guān)于CFRP的安全保證問題，如今正處于研究的關(guān)鍵時期。比如，眾所周知CFRP因受沖擊發(fā)生剝離后，如果再施加壓縮力，損壞的風(fēng)險就會升高。目前由于在電腦上不能完全模擬這種現(xiàn)象，型式認證（為證明產(chǎn)品符合安全性等標準的“型式”而進行的審查批準制度）時只能采用實際構(gòu)件進行實驗。如果該實驗的一部分可以在電腦上進行，就可以減少型式認證需要的成本和時間，因此JAXA正在致力于CFRP破壞特性的模式化構(gòu)建工作。

JAXA為獲取型式認證正在推進不可或缺的強度保證方法的研究。放在藍色框架結(jié)構(gòu)的強度驗證裝置中的黑色板材，是用于飛機機身的CFRP結(jié)構(gòu)材料

另一方面，異物撞擊模式已經(jīng)逐步確立。將實驗結(jié)果和電腦分析結(jié)果比對后，已經(jīng)證實可以進行大致正確的仿真模擬實驗。石川先生滿懷自豪地說：“這是世界上最尖端的研究成果！” 123456

在最新的研究中，JAXA還在關(guān)注一種將碳納米管疊杯型納米纖維分散于樹脂的預(yù)浸料材質(zhì)，通過應(yīng)用納米技術(shù)，為CRFP賦予新功能的可能性正在不斷增大。

CFRP不僅在航空器上能夠發(fā)揮其特性，還能應(yīng)用于汽車、風(fēng)力發(fā)電用風(fēng)車、工業(yè)用機械、船舶等各種領(lǐng)域，同樣是其環(huán)保性和經(jīng)濟性這兩方面的優(yōu)勢，得到了萬眾期待。被視為地球溫室效應(yīng)之罪魁禍首的碳，將在生態(tài)和經(jīng)濟上助人類一臂之力——這個暢快淋漓的故事已經(jīng)拉開了序幕。


采訪/撰文：林愛子
攝影：HANS SAUTTER