一騎絕塵日本航空復合材料發展之路

趙宋南

波音787飛機的前段主艙段是日本生產的。東麗公司的碳纖維復合材料，讓該機機身變得更加輕盈。

復合材料自20世紀70年代就以其輕質、抗疲勞、耐腐蝕、便于大面積整體成形等優點，與鋁合金、鈦合金并肩，成為航空三大主干材料。復合材料既可以像金屬材料那樣不易變形，同時又像彈性材料那樣不易產生疲勞裂紋，在航空航天產業上的應用前景十分巨大。

據統計，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合材料市場，總銷售份額約占全球市場的73%。在世界復合材料市場，日本是絕對頭牌。

國家戰略的支持

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

日本在復合材料方面取得世界領先地位，絕不是一蹴而就，而是其戰后70年逐漸積累起來的，確切而言，離不開國家戰略的強力支持。

二戰后經濟復興階段剛剛結束，日本就在1956年設立了科技廳，加強政府對全國科技工作的領導。在1959年成立了“科學技術會議”這樣一個最高層次的咨詢機構，由其來通盤考慮制定國家的科技發展政策。1995年11月，日本國會通過了《科學技術基本法》，明確闡述振興科技對日本提升其產業結構、促進經濟和社會發展以及提高其國民的福利水平，乃至推動全球的科技發展和人類社會的可持續發展的重要意義。隨后日本政府又據此制定了為期5年的“科學技術基本計劃”，并由此將政府對科研開發的投入比前5年增加了15%以上。進入新世紀后，世界各國在高科技領域的競爭進一步白熱化，于是日本政府在新的科技發展5年計劃中，又將科研開發投資猛增了41%。2001年初，作為行政改革的—個組成部分，“科學技術會議”便被“綜合科學技術會議”所取代，其成員增至14人，包括2000年諾貝爾獎獲獎者白川英樹教授。

日本科技廳非常重視整體科研水平的提升，在2000年3月發表過《有關我國科研開發水平的調查》報告。報告涉及生命科學、信息通信技術、環境科技、物質和材料科學、能源科技、制造技術以及社會基礎設施等7個方面，并得出結論：日本僅在能源科技領域的投入超過美國和歐洲，在那些尖端科技領域（同時也是競爭最激烈的領域），科研資源并未得到有效的利用。報告指出：在物質及材料科學領域，日本科研人員所發表的論文以及所注冊的專利并不比美歐遜色，這些領域的科研開發主要是由企業主導，基礎科研以及科研設施也很出色，水平略高于美歐。但美國和歐洲將新材料的開發應用作為國家戰略予以推進，這是日本必須關注的。由于材料與基礎科學具有密切的關系，需要企業和科研部門很好地配合。

日本于1959年首先發明了聚丙烯腈（PAN）基碳纖維，并于60年代初進入工業化生產;70 年代中期又發明了以碳纖維為增強相的先進復合材料。

從“平成零戰”F-2講起

日本防衛省技術研究本部自1973年開始進行了一系列技術基礎研究，其中包括氣動外形、復合材料、高機動性、先進火控技術、機載計算機、慣性導航、隱身技術和綜合電子戰系統等。從1981年起，日本通產省工業技術院為了迎接未來工業的發展，開始了為期8年的“未來工業新技術研究開發計劃”，高性能復合材料是該計劃的重要組成部分，內容包含了聚合物基及金屬基復合材料，及其在航空航天、汽車及汽輪機工業中的應用規劃。日本雄心勃勃自主研發的第二代噴氣戰機F-2，正好給了這項計劃很好的實踐機會。為了獲取美國的支持，日本同意在美國F-16C戰斗機的基礎上設計F-2，并作為利益交換，把當時只有日本掌握的復合材料整體機翼共固化制造技術（也即一體化成型）轉讓給美國。

復合材料需要經歷高溫固化成型及冷卻。材料要熱脹冷縮，基體樹脂也有化學反應造成的收縮效應，復合材料與成型所用模具材料的熱膨脹系數也有顯著差異。因此在室溫條件下，復合材料成型的形狀與預期的狀態可能不太一樣，這就是構件的固化變形。固化變形不僅增加了制造和裝配的成本，也降低了結構強度和使用壽命。一些大型整體結構和非對稱結構部件如果出現固化變形問題，整架飛機都會受影響。防止出現固化變形，當時通行的解決方法有兩種：工藝模擬試驗和計算機模擬試驗。

日本選擇的方法是工藝模擬試驗，對結構件的固化工藝規范和所用模具型面進行反復的調整和修正，這種處理方法顯然是以經驗和大量的試驗數據為基礎的，必然要耗費大量的人力物力。同時模具的材質至關重要，應不易變形。常規模具材質一般為鋁合金、鋼合金，而日本在開發F-2機翼整體成型模具時采用了殷鋼（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，但是熱膨脹系數小、使用壽命高。把模具做好，也就保證了產品的高質量。模具壽命提升，產品成品率高，能節省大量工料，而且避免了返工，反而降低了生產成本。

其實，日本所應用的纖維和樹脂材料并不比美國同類產品有優勢，而是依靠高素質的生產人員和嚴格系統的工藝流程，并通過嚴格的技術檢驗手段，使一體化復合材料機翼的成品率達到非常高的水平。美國企業在上世紀90年代初期的復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。洛馬在得到日本轉交的工藝文件和模具設計方法之后，很快掌握要領，并且僅僅用了不到5年的時間就將日本這個先行者遠遠拋在后面，后將有關技術應用于F-35戰機上。

日本F-2戰斗機具備一體化成型的復材機翼，作為利益交換，相關技術讓渡給美國洛馬公司。

波音飛機上的日本復材

一架波音777飛機上有300萬個零部件，來自全球17個國家的900多家供應商，日本三菱重工、川崎重工、富士重工都有參與。實際上這3家公司與波音的合作由來已久，早在YS-11的后繼機YX項目中就已經有了合作。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%的日本所承擔的份額又進行了二次分配：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中的地位。

值得注意的是，日本政府沒有干預國內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操縱面部件的制造經驗，因為操縱面需要采用復合材料，對日本來說很有吸引力，但波音公司卻堅持把這項工作交給了意大利人。最終，富士重工得到了小部分的復合材料部件生產任務。雖然YX項目胎死腹中，但是三菱重工與川崎重工從波音的技術轉讓中獲得了金屬彎曲成型技術，富士重工獲得了復合材料加工技術。

波音777X簽約現場。東麗株式會社代表董事社長日覺昭廣（左）與波音首席技術官兼工程、運營與技術高級副總裁約翰· 特雷西

在波音777項目上，波音公司與三菱、川崎和富士重工簽訂了風險分擔伙伴協議。日本方面組成“日本飛機發展公司”，承擔777結構工作的20%。三菱重工承擔后部機身和客艙門。川崎重工承擔中部機身、后部氣密艙艙壁板、主翼部件加強筋以及貨艙門。富士重工承擔中央翼、翼身整流罩和主起落架門。

通過F-2與波音777的生產研制，日本航空航天工業發展出全球最佳的復合材料制造技術，后來又深度參與波音787夢想客機的制造。三菱重工負責787的中翼段，川崎重工負責主起落架艙、前機身、主起落架艙和固定機翼后緣，富士重工承擔了中央翼盒的生產。

日本東麗公司為美國生產波音777X、787的復合材料部件，合同價值高達86億美元。

日本航空復合材料的未來

日本是碳纖維生產大國。日本經濟產業省曾預測2020年世界市場規模將達到12.5萬噸，并計劃在2030年的航空航天市場斬獲3萬億日元。碳纖維主要生產企業是東麗公司、東邦人造絲公司、三菱人造絲公司。這其中，東麗公司產能是全球最大的，而且產品質量也最好，產品線包括大絲束、小絲束、高強度、高模量系列，尤其高強度T系列和高模量M系列，連產品牌號都是其他廠家競相對標的對象。

日本東麗之所以取得成功，與其開始發展碳纖維時候所處的時代背景有關。東麗公司本來是個生產傳統紡織面料纖維的生產商，包括腈綸，也就是PAN原絲。1963年，日本大阪工業技術研究所研究員近藤昭男宣布PAN是最合適生產碳纖維的前驅體，搞定了PAN基碳纖維的制造工藝，其產品強度是黏膠基碳纖維的3倍。之后近藤昭男發表論文并申請專利，授權日本3家公司生產：東邦、旭化成和東洋人造絲株式會社（東麗前身）。那個時候，紡織工業的腈綸出口市場—直在萎縮，碳纖維是一個快速增長的市場。東麗利用在腈綸研究中的技術優勢，在1971年建成了一個小型試驗工廠，利用近藤昭男的技術試制碳纖維。年底，名為T300的碳纖維誕生了。東麗的研究吸引了美國公司的注意力。1970年，美國聯合碳化物公司與東麗簽署了一份合作協議。聯合碳化物公司獲得東麗的原絲技術，東麗公司獲得聯合碳化物公司的碳化技術。聯合碳化物公司也放棄了自己生產原絲，轉而開始代理東麗的碳纖維產品，在美國市場銷售。結果T300成為美國最暢銷的碳纖維。

當然，東麗公司的成功不是偶然，一方面是跟自己的努力堅持不懈的研發有關，另一方面看準了趨勢，利用體育休閑用品市場的崛起作為支點，一躍成長為世界最大碳纖維生產商。在東麗公司投資碳纖維的那個年代，碳纖維在大眾的思維中還是應用在航空航天領域的高級貨。在建筑加固、體育休閑、汽車、風電領域的應用，很多人壓根想都沒想到。日本東麗起初生產碳纖維，無非是給自己的腈綸纖維找一條出路，想要進入美國軍工市場，就必須要跟美國本土企業聯合，所以東麗才會選擇與美國聯合碳化物公司合作。不過市場的變化很有意思，1972年，一位美國企業家發現使用碳纖維球桿可以將高爾夫球擊出更遠的距離，至少比鐵桿多擊出30碼，這引起了東麗的興趣。既然當時歐洲和美國的碳纖維廠商已經將航空領域市場占領，東麗干脆另辟蹊徑，轉而開發體育用品領域，碳纖維制造的網球拍、滑雪桿和其他體育用品。當時最主要的體育用品生產商韓國和中國臺灣成為日本碳纖維的下游客戶。體育休閑領域雖然不是什么高端市場，但是用量比較大，而且需求穩定。東麗借助給體育休閑領域提供碳纖維的時機，將自己碳纖維質量穩定眭做到了極致，最終成為世界第一大碳纖維生產商。

1975年，東麗的碳纖維成功應用在波音737的次承力部件生產中，標志著東麗與波音這兩家公司超長合作期的開始。上世紀80年代，東麗公司獲得了歐洲空客公司的認可，1987年，東麗的T300獲準在空客A320主承力部件中應用。1990年，一種新的高強、高模碳纖維預浸料在波音777飛機的主承力部件上獲得應用。

波音787主艙段構造及制造現場?，F代復合材料已經引發了航空制造業的革命，因此有 “一代材料，一代飛機”的說法。

航空用品要求復合材料結構中的空隙率低于1%。近年來，東麗公司開發了牌號為3940的熱固性樹脂。這種樹脂實現了對樹脂的分子構造和固化反應的精確控制，有效壓縮了分子鏈之間的空隙，提高了分子網絡的致密程度，實際上從分子層面提升了碳纖維復合材料的力學性能。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，是目前強度最高的碳纖維。3940號樹脂理論上可與T1100G碳纖維相結合，產生目前世界上性能最強的碳纖維復合材料T1100G/3940。這種新型碳纖維復合材料可以減輕部件20%的重量，在航空器機翼、機身、發動機等結構和部件上擁有廣泛的應用前景。

2017年3月7日，東麗公司針對航空航天市場需求，推出新一代碳纖維預浸料。所謂預浸料，其實就是復合材料的半成品，是保證復合材料力學性能的基礎。2017年7月19日，東麗公司宣布，將美國的分公司完成設備升級，到2020年，生產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，通過強化技術力量來提高質量和價格競爭力，實現了碳纖維及其預浸料在航空領域的壓倒性應用。除東麗公司外，日本三菱人造絲公司有年產4700噸聚丙烯腈基碳纖維的能力。東邦公司擁有年產5600噸的生產能力。日本這3家公司碳纖維的總銷售份額約占全球碳纖維市場的73%，壟斷并左右著全球市場。

日本科研系統非常重視生產工藝上的進步，科研單位在一般情況下可以用1年的時間進行論證，而用10年的時間來開發一種新工藝，一旦確定了基本技術目標后就絕不動搖地實施。這是日本能在戰后迅速發展的—個重要因素。

日本東邦公司也是復合材料的重要生產商。保時捷GT3CupII汽車的碳纖維車體就是該公司生產的。

科研是要花錢的，在高科技領域更是如此。沒有投入就不會有產出。但，增加了投入就一定能提高產出嗎？很難說。迄今為止，日本政府的投入很多，在推進科研體制、機制和科研環境改革方面，仍然不遺余力。日本人認為，過去多年來日本重視應用科學，輕視基礎科學，所擅長的是將其他國家所獲得的基礎科學成果轉化為商品，從而忽視了自身的原創技術。在上世紀末全球金融危機之前，日本商品洪水般涌向全球每一個角落，一時間似乎形成了“日本模式”。但在進入信息社會以后，那種靠應用技術打遍天下無敵手的時代已經一去不復返了，技術創新、核心技術，成為各國在日趨激烈的國際競爭中站穩腳跟的唯一途徑。因此，日本政府的立國方針也與時俱進，從昔日“出口立國”及時調整為“技術立國”，進而調整到目前的“科技創造立國”和“知識產權立國”。

日本的“創造”，含義相當于我國的“創新”。日本把“創造”作為立國方針，從戰略上重視基礎科學，立意很高，其做法同樣值得我們深思。責任編輯：吳佩新

Tips

復合材料的模量與韌性

一般地講，施加一個外力，彈性材料會發生形狀的改變，也就是彈性形變。在形變階段，材料所受應力和應變的比例系數就稱為彈性模量。彈性模量可用于衡量復合材料受力后的變形情況，模量數值越大代表其在工程應用中的變形越小，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。復合材料的韌性越大，代表其在工程應用中的彈性越好，在受沖擊時不易折斷。

復合材料高模量與高韌性共存，既像金屬材料那般不易變形，同時又不易像金屬那樣產生裂紋。這兩個特征，使得復合材料在航空航天產業上的應用前景十分巨大。