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【日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)】 日本家傳技藝——航空器「複合材料」的開發
[2012.07.18] 其它語言:ENGLISH | 日本語 | 简体字 | FRANÇAIS | ESPAÑOL |

JAXA不僅在宇宙開發方面,在航空技術領域也是代表日本的研究機構。航空技術在零部件數量之多、相關技術涉及面之廣、對性能要求之高等方面,都遠遠超出了汽車行業,因而在各行各業中的應用受到廣泛期待。

開發克服金屬弱點的材料

因小行星探測器「隼鳥號」、國際太空站日本實驗艙「希望」等而廣受世界矚目的日本宇宙航空研究開發機構(JAXA),在日本也是唯一的航空器研究基地。在這裏,從環境適應型引擎、超音速飛機等硬體開發,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成功的日本國產客機「MRJ」(由三菱航空機株式會社主導開發製造),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的「複合材料」。

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、布料製造而成的。之後,航空器上逐漸開始採用鋁合金、鈦金屬等材料,近年來以碳纖維增強塑膠(CFRP)為代表,複合材料的使用得到推廣。

最新型波音客機的結構材料,半數為日本製造

CFRP以碳纖維作為增強材料,將樹脂(塑膠)浸漬其中而成。碳纖維材質輕便,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,並且兼備了耐久性出眾,不生鏽等金屬所不具有的特性。最新型波音客機「B787」的結構材料中,大約一半都採用了日本製造的CFRP,是史上首架結構重量中CFRP所佔比例超過鋁的客機。除此之外,上述的MRJ以及計劃於2013年問世的空中巴士「A350」也採用了CFRP。

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

「材料輕量化後可以節省燃料用量。而且CFRP的比強度和比剛度出色,又不會生鏽,因此維修間隔時間可以設置得較長。總而言之,這種材料可以為環保性和航空公司經濟性這兩方面同時做出貢獻。從乘客角度來看也大有好處。鋁作為主要的結構材料時,艙內濕度必須保持在10%以下,但B787卻可以將濕度提高到將近50%,因而艙內環境舒適不會過於乾燥。」

率領JAXA航空程序組一路走來的石川隆司先生

 

開發有助於降低成本的製造工藝

碳纖維隨著在航空器製造領域中的應用範圍日益擴大,近20年來產量不斷增加,據2010年統計已經達到2.7萬t。日本是碳纖維大國,占據世界市場份額的7成。日本經濟產業省預測2020年世界市場規模將達到12.5萬t(約為2010年的4.5倍),並進一步計劃在2030年的航空器產業中斬獲3兆日圓。

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,再加上為了讓便於流通加工的中間體預浸料(用半固化樹脂將碳纖維定型後的薄板)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,預浸料夾入模具後要放進一種名為高壓釜的巨大高溫處理裝置中,經高溫加熱固定成型;而能夠放進航空器主翼大小的設備,每台價格不下數百億日圓。

為削減製造成本,JAXA與民間企業共同開發了名為「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,在抽出內部空氣形成真空狀態的同時,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工藝的優點是不需要高溫處理設備,但是和使用預浸料的傳統製造工藝相比強度上猶有遜色。傳統製造工藝則更適合於航空器機身這樣的構件。

於是JAXA想到了混合方式,即對表面平整且面積較大的部分採用預浸料材質,對框架等形狀複雜的部分則採用VaRTM材質,並且通過充分發揮與融合兩者優勢,力圖提升品質和降低成本。

VaRTM工藝示意圖。優勢在於無需高額的設備投資,可低價製造

 

在汽車、船舶、風車等領域的應用

關於CFRP的安全保證問題,如今正處於研究的關鍵時期。比如,眾所周知CFRP因受衝擊發生剝離後,如果再施加壓縮力,損壞的風險就會升高。目前由於在電腦上不能完全模擬這種現象,型式認證(為證明產品符合安全性等標準的「型式」而進行的審查批准制度)時只能採用實際構件進行實驗。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正在致力於CFRP破壞特性的模式化構建工作。

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。放在藍色框架結構的強度驗證裝置中的黑色板材,是用於飛機機身的CFRP結構材料

另一方面,異物撞擊模式已經逐步確立。將實驗結果和電腦分析結果比對後,已經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!」

在最新的研究中,JAXA還在關注一種將奈米碳管疊杯型奈米纖維分散於樹脂的預浸料材質,通過應用奈米技術,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揮其特性,還能應用於汽車、風力發電用風車、工業用機械、船舶等各種領域,同樣是其環保性和經濟性這兩方面的優勢,得到了萬眾期待。被視為地球溫室效應之罪魁禍首的碳,將在生態和經濟上助人類一臂之力——這個暢快淋漓的故事已經拉開了序幕。

※文中職務等以採訪當時為準

採訪、撰文:林愛子
攝影:HANS SAUTTER

(※1)^ Vacuum-assisted Resin Transfer Molding

  • [2012.07.18]
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