開(kāi)發(fā)克服金屬弱點(diǎn)的材料

因小行星探測(cè)器“隼鳥(niǎo)”、國(guó)際宇宙空間站日本實(shí)驗(yàn)艙“希望”等而廣受世界矚目的日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)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(jī)等硬件開(kāi)發(fā)，到利用飛行模擬器的飛行安全性測(cè)試，進(jìn)行著各種類(lèi)型的研究。

半個(gè)世紀(jì)來(lái)首次開(kāi)發(fā)成功的日本國(guó)產(chǎn)客機(jī)“MRJ”（由三菱航空機(jī)株式會(huì)社主導(dǎo)開(kāi)發(fā)制造），成為人們街談巷議的熱門(mén)話(huà)題。該機(jī)身上也使用了JAXA航空程序組國(guó)際客機(jī)分組參與開(kāi)發(fā)的“復(fù)合材料”。

開(kāi)展操縱性能等研究時(shí)不可或缺的飛行模擬器。通過(guò)改變程序，可以掌握各式各樣的飛機(jī)特性

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

本文來(lái)自123

最新型波音客機(jī)的結(jié)構(gòu)材料，半數(shù)為日本制造

CFRP以碳纖維作為增強(qiáng)材料，將樹(shù)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(qiáng)度卻高達(dá)鐵的大約10倍，并且兼?zhèn)淞四途眯猿霰姡簧P等金屬所不具有的特性。最新型波音客機(jī)“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(guò)鋁的客機(jī)。除此之外，上述的MRJ以及計(jì)劃于2013年問(wèn)世的空客“A350”也采用了CFRP。

JAXA理事兼航空程序組總負(fù)責(zé)人石川隆司先生對(duì)航空器上使用CFRP的優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)度和比剛度出色，又不會(huì)生銹，因此維修間隔時(shí)間可以設(shè)置得較長(zhǎng)?？偠灾@種材料可以為環(huán)保性和航空公司經(jīng)濟(jì)性這兩方面同時(shí)做出貢獻(xiàn)。從乘客角度來(lái)看也大有好處。鋁作為主要的結(jié)構(gòu)材料時(shí)，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(huì)過(guò)于干燥。” 123456


率領(lǐng)JAXA航空程序組一路走來(lái)的石川隆司先生

開(kāi)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(kuò)大，近20年來(lái)產(chǎn)量不斷增加，據(jù)2010年統(tǒng)計(jì)已經(jīng)達(dá)到2.7萬(wàn)噸。日本是碳纖維大國(guó)，占據(jù)世界市場(chǎng)份額的7成。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省預(yù)測(cè)2020年世界市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到12.5萬(wàn)噸（約為2010年的4.5倍），并進(jìn)一步計(jì)劃在2030年的航空器產(chǎn)業(yè)中斬獲3萬(wàn)億日元。

然而在市場(chǎng)開(kāi)拓上還存在著亟待解決的課題，即成本和安全保證的問(wèn)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(shù)脂將碳纖維定型后的薄板）保持強(qiáng)度，需要添加熱可塑性微粒子，因此成本進(jìn)一步提高。而且，預(yù)浸料夾入模具后要放進(jìn)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(jìn)航空器主翼大小的設(shè)備，每臺(tái)價(jià)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(kāi)發(fā)了名為“VaRTM(※1)”的真空輔助樹(shù)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(shí)，注入粘性較低的樹(shù)脂，使其浸漬到纖維中。如果要簡(jiǎn)單打個(gè)比方的話(huà)，就好像是被褥壓縮袋一般。”

VaRTM工藝的優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)度上猶有遜色。傳統(tǒng)制造工藝則更適合于航空器機(jī)身這樣的構(gòu)件。

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


VaRTM工藝示意圖。優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需高額的設(shè)備投資，可低價(jià)制造

在汽車(chē)、船舶、風(fēng)車(chē)等領(lǐng)域的應(yīng)用

關(guān)于CFRP的安全保證問(wèn)題，如今正處于研究的關(guān)鍵時(shí)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(xiǎn)就會(huì)升高。目前由于在電腦上不能完全模擬這種現(xiàn)象，型式認(rèn)證（為證明產(chǎn)品符合安全性等標(biāo)準(zhǔn)的“型式”而進(jìn)行的審查批準(zhǔn)制度）時(shí)只能采用實(shí)際構(gòu)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如果該實(shí)驗(yàn)的一部分可以在電腦上進(jìn)行，就可以減少型式認(rèn)證需要的成本和時(shí)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(rèn)證正在推進(jìn)不可或缺的強(qiáng)度保證方法的研究。放在藍(lán)色框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度驗(yàn)證裝置中的黑色板材，是用于飛機(jī)機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果和電腦分析結(jié)果比對(duì)后，已經(jīng)證實(shí)可以進(jìn)行大致正確的仿真模擬實(shí)驗(yàn)。石川先生滿(mǎn)懷自豪地說(shuō)：“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(shù)脂的預(yù)浸料材質(zhì)，通過(guò)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(chē)、風(fēng)力發(fā)電用風(fēng)車(chē)、工業(yè)用機(jī)械、船舶等各種領(lǐng)域，同樣是其環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性這兩方面的優(yōu)勢(shì)，得到了萬(wàn)眾期待。被視為地球溫室效應(yīng)之罪魁禍?zhǔn)椎奶?，將在生態(tài)和經(jīng)濟(jì)上助人類(lèi)一臂之力——這個(gè)暢快淋漓的故事已經(jīng)拉開(kāi)了序幕。


采訪/撰文：林愛(ài)子
攝影：HANS SAUTTER